方子希，高會生

(華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003)

?

PTN承載電網(wǎng)實時通信業(yè)務(wù)的關(guān)鍵問題分析

方子希，高會生

(華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003)

針對PTN承載電力通信實時業(yè)務(wù)存在傳輸質(zhì)量問題，對國內(nèi)電力系統(tǒng)分組化進程進行了簡要介紹；從業(yè)務(wù)時延、時間同步和保護倒換三個方面對PTN傳輸繼電保護信號的可行性進行了分析。分析結(jié)果表明，合理配置分組封裝尺寸、緩沖區(qū)長度、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和節(jié)點數(shù)量等參數(shù)，可以有效改善網(wǎng)絡(luò)性能，這對于在電力通信網(wǎng)部署PTN數(shù)據(jù)傳輸通道具有工程參考價值。

分組傳送網(wǎng)；時分復(fù)用；時延；同步；保護倒換；電力；通信

Services over PTN

0 引言

面對電力系統(tǒng)分組化進程的加快，分組傳送網(wǎng)(Packet Transport Network，PTN)以其面向連接的優(yōu)勢、統(tǒng)計復(fù)用的特點，得到了業(yè)界的廣泛認可[1]。在電力系統(tǒng)中，繼電保護和安全穩(wěn)定控制等實時業(yè)務(wù)通常采用時分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)技術(shù)來構(gòu)建傳輸通道，因此這類業(yè)務(wù)也稱TDM業(yè)務(wù)。針對電力系統(tǒng)中PTN技術(shù)的應(yīng)用研究包括：PTN承載TDM業(yè)務(wù)的傳輸時延研究[2-3]；PTN承載TDM業(yè)務(wù)的時間同步測試和同步技術(shù)分析[4-5]；PTN對保護倒換的支持能力[6-7]。

從前期的研究工作可以看出，PTN承載TDM業(yè)務(wù)的應(yīng)用仍處于試驗階段，各方面的研究尚處于起步階段。當(dāng)前的研究成果沒有對PTN承載電力系統(tǒng)實時性業(yè)務(wù)的關(guān)鍵問題做出系統(tǒng)描述。本文從業(yè)務(wù)時延、時間同步和保護倒換三個方面詳細分析了電力系統(tǒng)應(yīng)用PTN技術(shù)承載實時通信業(yè)務(wù)所需關(guān)注的問題，研究成果對實際工程具有參考價值。

1 TDM與PTN

1.1 PTN承載TDM原理

根據(jù)標準，TDM電路仿真分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化兩種類型[8]。電力通信PTN普遍采用后者，即SAToP(Structure Agnostic TDM over Packet)方式。這種類型的電路仿真不識別TDM幀內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?shù)據(jù)凈荷和同步定時信息進行透傳，從而簡化了繁復(fù)的信令識別過程。在SAToP方式下，網(wǎng)絡(luò)源邊緣路由器將TDM流切割成一定長度的數(shù)據(jù)幀，多個數(shù)據(jù)幀被封裝成給定長度的分組，加上特殊的分組頭部后發(fā)送到偽線(Pseudo-Wire，PW)上進行傳輸。穿越相應(yīng)的PTN路徑后，TDM分組在宿邊緣路由器進行解封裝和重建數(shù)據(jù)的過程。

1.2 PTN承載電力TDM業(yè)務(wù)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的同步數(shù)字體系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)具備時延穩(wěn)定、良好的橫向兼容性、較強的自愈保護能力等優(yōu)勢，依然是當(dāng)前電力繼保系統(tǒng)的首選技術(shù)。但是，面對未來智能電網(wǎng)多業(yè)務(wù)、高帶寬的需求，其容量小、信道時隙固定、帶寬利用率低等缺點愈發(fā)明顯。比較而言，PTN在承載電力TDM業(yè)務(wù)方面具有如下優(yōu)勢：

① 10 GE/GE大帶寬長距離傳送，能夠同時滿足縣調(diào)、地調(diào)和骨干網(wǎng)的需求，TDM業(yè)務(wù)的可達范圍更廣。

② TDM分組與數(shù)據(jù)分組統(tǒng)一調(diào)度，在保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的同時，提升了帶寬利用率。

③ PTN具有強大的操作、管理、維護(Operation Administration and Maintenance，OAM)機制。網(wǎng)絡(luò)工作者可以通過網(wǎng)管系統(tǒng)實時監(jiān)控TDM分組性能。例如，丟包監(jiān)測、時延及抖動測量等。

④ 層次化、圖形化的業(yè)務(wù)性能監(jiān)測界面，使故障定位和診斷反應(yīng)時間更加迅速。

2 業(yè)務(wù)時延

2.1 TDM業(yè)務(wù)重要性

在電力系統(tǒng)中，光纖通道傳輸繼電保護信息主要采用的方式為線路縱聯(lián)電流差動保護，簡稱“線路縱差保護”。該保護方式通過計算通信通道被保護線路各側(cè)的電流差值來判別區(qū)內(nèi)外故障，因此需要保證線路兩側(cè)電氣量信息采集的同步，并滿足一定的實時性和靈敏性。國內(nèi)電力行業(yè)對繼電保護信號的相關(guān)性能做了嚴格要求，傳輸縱聯(lián)保護信息的數(shù)字式通道傳輸時間應(yīng)不大于12 ms；點對點的數(shù)字式通道傳輸時間應(yīng)不大于5 ms[9]；用于繼電保護的通信通道單向時延應(yīng)不大于10 ms，且雙向時延必須對稱[10-11]。

2.2 單向時延

通常情況下，單向時延也稱端到端時延，指業(yè)務(wù)從網(wǎng)絡(luò)一端出發(fā)，穿越核心網(wǎng)到達另一端所產(chǎn)生的總延遲時間。在PTN網(wǎng)絡(luò)中，TDM業(yè)務(wù)的端到端時延由源邊緣路由器時延DS、鏈路時延DP、核心路由器時延DM和宿邊緣路由器時延DT四部分組成，具體分析如下。

源邊緣路由器時延DS包括數(shù)據(jù)幀等待封裝的時間和源端用戶轉(zhuǎn)換側(cè)時延DC。PTN采用了先到先服務(wù)非搶占式的隊列調(diào)度機制，數(shù)據(jù)幀等待封裝的時間可以表示為(N-i+1)·125 us。其中，i取正整數(shù)，N為數(shù)據(jù)幀封裝個數(shù)，1個TDM幀在直連電路上的傳輸時間為125 us。

DP也稱傳播時延，指信號經(jīng)光纖鏈路傳輸所產(chǎn)生的時延，一般為4.93 us/km。若傳輸距離為L，則DP取值為4.93L。

核心路由器時延DM包括路由器對分組的處理時延和排隊時延兩部分，如式(1)所示：

(1)

式中，RP為核心路由器轉(zhuǎn)發(fā)速率，一般取1 GE或10 GE；TM(j)表示第M個節(jié)點的排隊時延，該部分具有隨機性。TDM業(yè)務(wù)幀按照以太網(wǎng)幀的封裝格式，其頭部共有46個字節(jié)，分別是26個字節(jié)的以太網(wǎng)頭、12個字節(jié)的內(nèi)外層標簽和控制字以及8個可選字節(jié)，所以TDM分組尺寸為46+32N字節(jié)。

宿邊緣路由器時延DT由分組等待解封裝時延、抖動緩存時延和宿端用戶轉(zhuǎn)換側(cè)時延DC組成。分組解封裝時延可以表示為(i-1)·125 us，i取正整數(shù)；抖動緩存時延取抖動緩存閾值的一半。詳細總結(jié)如表1所示。

表1 TDM業(yè)務(wù)單向時延組成

2.3 隨機時延

由表1可知，在標簽交換路徑確定的情況下，DS、DP和DT均可視為固定值，它們對TDM信號影響程度較小。隨機時延分量TM(j)具有不確定性，是影響TDM信號同步精度的主要因素，也是PTN承載TDM業(yè)務(wù)時延問題的研究關(guān)鍵點。TM(j)由隊列調(diào)度隨機時延和泊松到達隨機時延兩部分組成。

圖1顯示了隊列調(diào)度隨機時延的產(chǎn)生原理。

在圖1中，情景1表示TDM分組在t0時刻到達節(jié)點，此時節(jié)點內(nèi)無其他分組占用緩沖區(qū)，TDM分組無需等待即可被轉(zhuǎn)發(fā)，隊列調(diào)度時延為0。情景2表示當(dāng)TDM分組到達時，節(jié)點正在轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)分組或者前一時刻的TDM分組。當(dāng)前的TDM分組必須等待緩沖區(qū)中前n-1個分組調(diào)度完畢后方可被轉(zhuǎn)發(fā)，而這n-1個分組長度又各不相同。因此，緩沖區(qū)內(nèi)隊列長度的未知性導(dǎo)致了隊列調(diào)度時延的隨機性。

圖1 隊列調(diào)度隨機時延的產(chǎn)生原理

另一方面，TDM分組經(jīng)過PTN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)，其到達過程可近似等效為泊松分布[12]，這種分布具有隨機性。不同封裝尺寸的TDM分組具有不同的泊松到達率。對于N的選擇，可以通過數(shù)值仿真進行分析。

綜上所述，TDM業(yè)務(wù)在電力通信網(wǎng)中占有重要的地位，在關(guān)注PTN數(shù)據(jù)通道時，必須充分考慮TDM業(yè)務(wù)的隨機時延特性。

3 時間同步

電力系統(tǒng)縱差保護的時間同步方式分為全球定位系統(tǒng)GPS和線路往返時間測量兩種類型。傳統(tǒng)的SDH網(wǎng)絡(luò)普遍采用GPS，該方式具有授時精度高、無需通道連接等特點。但是，電網(wǎng)故障分析要求各微機裝置的時間信息不大于1 ms，相位測量和行波保護對時間精度的要求高達us級[13]。GPS在衛(wèi)星失鎖時，其誤差可能達到幾十甚至上百毫秒；另一方面，GPS采用微波傳送時鐘信號，容易受到天氣、地形因素的干擾，一旦時鐘信號中斷，將給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來嚴重后果。

出于以上考慮，PTN網(wǎng)絡(luò)采用全新模式的1588v2時間同步技術(shù)，也稱內(nèi)同步。該模式不依賴外部時間設(shè)備，僅靠源宿兩端互傳帶有時間信息(時間戳)的報文來計算同步時間差，進而通過該時間差調(diào)整電流值的時間偏移量。對于電路仿真業(yè)務(wù)，PTN需提供TDM業(yè)務(wù)時鐘的透明傳輸，并保證收發(fā)兩端業(yè)務(wù)時鐘具有相同的、長期的頻率準確度[1]。

在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點處，封裝有同步信息的報文會受到其它類型報文擠占服務(wù)器的影響，造成業(yè)務(wù)時鐘和參考時鐘不一致。針對這一問題，PTN采用自適應(yīng)法來恢復(fù)定時。該方法通過統(tǒng)計TDM分組到達的時間間隔，動態(tài)調(diào)整宿端緩沖區(qū)尺寸。常用的時間間隔分布為負指數(shù)分布，這種分布可以利用排隊論的方法進行分析，并通過計算隊列長度來確定緩沖區(qū)尺寸。然而，負指數(shù)分布只是一種特例，業(yè)務(wù)到達時間間隔存在一般性，這會使分析難度大大增加。

4 保護倒換

從工作路徑切換到保護路徑，或者從主用設(shè)備切換到備用設(shè)備的過程稱為保護倒換，它是保障電力系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。為了保證業(yè)務(wù)的實時性，繼電保護系統(tǒng)通常采用1+1和1∶1兩種保護倒換方式。

在1+1保護倒換方式下，TDM業(yè)務(wù)采用源端雙發(fā)和宿端選收的機制。當(dāng)工作通道故障時，保護通道依然可以繼續(xù)工作，從而保證了業(yè)務(wù)的連續(xù)性。這種機制雖然增加了額外的線路成本，但有效提升了線路可靠性。圖2顯示了1+1路徑保護倒換原理。RA、RB表示縱差保護設(shè)備；PE為源、宿端路由器，它們是TDM分組的起始與終止節(jié)點；LSRn為PTN的中心節(jié)點。

圖2 1+1路徑保護倒換原理

在1∶1保護倒換方式下，TDM業(yè)務(wù)只在工作通道傳送，此時的保護通道用來傳送其他業(yè)務(wù)。一旦工作通道出現(xiàn)異常，保護通道立即停止當(dāng)前傳送任務(wù)，工作通道切換至保護通道，使得TDM業(yè)務(wù)得以繼續(xù)傳送。這種方式提高了通道利用率，但是在切換的過程中勢必會造成TDM數(shù)據(jù)的丟失和延遲。圖3顯示了1∶1路徑保護倒換原理。

文獻[11]指出，傳輸繼電保護信號的光纖通道保護倒換和恢復(fù)時間應(yīng)小于50 ms。PTN能夠?qū)崿F(xiàn)50 ms的電信級保護倒換，并且支持1+1和1∶1兩種方式。但是，TDM業(yè)務(wù)要求光纖通道雙向路由的一致性，且支持雙向倒換機制。這使得在配置標簽交換路經(jīng)時，必須考慮中心節(jié)點的承載能力和路徑總節(jié)點數(shù)量。如果某中心節(jié)點出現(xiàn)擁塞，兩種保護倒換方式均會失效。同樣，如果節(jié)點數(shù)量過多，也會增大分組丟包的概率。所以，盡管PTN擁有良好的保護倒換機制，對于TDM業(yè)務(wù)的承載，仍然需要組網(wǎng)測試和網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)的支撐。

圖3 1∶1路徑保護倒換原理

5 結(jié)束語

通過分析電力系統(tǒng)對TDM業(yè)務(wù)的要求以及PTN的原理，本文得出如下結(jié)論：

① PTN承載TDM業(yè)務(wù)存在隨機時延，這種隨機時延與中心節(jié)點入口側(cè)隊列長度有關(guān)。合理配置緩沖區(qū)長度和分組封裝尺寸，能有效減低隨機時延對TDM業(yè)務(wù)的影響程度。

② PTN1588v2時間同步技術(shù)在一定程度上提高了實時業(yè)務(wù)的可靠性，但是依然存在丟包和延遲的風(fēng)險。通過調(diào)整緩沖區(qū)長度可以降低這種風(fēng)險。

③ PTN支持1+1和1∶1保護倒換機制。在實際應(yīng)用中具體選擇哪種方式，應(yīng)綜合考慮節(jié)點吞吐量和串聯(lián)路徑的節(jié)點數(shù)量。

下一步的工作是建立各個關(guān)鍵問題的數(shù)學(xué)模型，對電力環(huán)境下的PTN實時業(yè)務(wù)進行更細致的數(shù)值仿真。

[1] YD/T 2374-2011.分組傳送網(wǎng)(PTN)總體技術(shù)要求[S],2011.

[2] 魏 勇,汪 洋,張合明,等.電力分組傳輸網(wǎng)時延特性測試研究[J].電力信息與通信技術(shù),2015,13(3):12-16.

[3] 高會生,汪 洋.PTN業(yè)務(wù)隨機時延對差動保護同步性能的影響分析[J].電力自動化設(shè)備,2015,35(7):165-171.

[4] 李 煒,王妙心,滕 玲.基于OTN+PTN的光傳輸網(wǎng)絡(luò)同步系統(tǒng)研究[J].光通信研究,2013 (4):18-19.

[5] 宋樂樂,劉小兵,孫信軍,等.1588時間同步在下一代電力骨干網(wǎng)中的部署[J].電力系統(tǒng)通信,2012,33(241):11-14.

[6] 汪 強,朱延章,葛光勝,等.分組傳送技術(shù)在智能配用電通信網(wǎng)的應(yīng)用探討[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42(9):139-146.

[7] 高 強,尹永飛.PTN技術(shù)傳輸繼電保護業(yè)務(wù)若干問題的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2016,44(8):57-62.

[8] Vainshtein A,Stein Y J.Structure-Agnostic Time Division Multiplexing (TDM) over Packet (SAToP) [S].IETF RFC 4553,2006.

[9] GB/T14285-2006.繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S],2006.

[10]GB/T15149.1-2002.電力系統(tǒng)遠方保護設(shè)備的性能及試驗方法——第一部分：命令系統(tǒng)[S],2002.

[11]DL/T 364-2010.光纖通道傳輸保護信息通用技術(shù)條件[S],2010.

[12]Dbira H，Girard A，Sabso B.Calculation of Packet Jitter for Non-poisson Traffic[J].Journal of Annals of Telecommunications,2016:1-15.

[13]蔣陸萍,曾祥君,李澤文,等.基于GPS實現(xiàn)電力系統(tǒng)高精度同步時鐘[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(2):201-206.

Analysis of Key Issues of Power Grid Real-time Communication

FANG Zi-xi,GAO Hui-sheng

(Department of Electronic and Communication Engineering，North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China)

The electric power communication real-time services carried by PTN,has transmission quality problem.First,the electric power system packetization process in Chinais briefly introduced.Second,the feasibility of transmitting relay protection signal over PTN is analyzed from aspects of delay,synchronization and protection switching.The results show that,the network performance can be improved by optimizing package size,buffer length,network throughout and node number reasonably.The research results can provide reference for engineering.

packet transport network;time division multiplexing;delay;synchronization;protection switching;electric power;communication

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.10

方子希，高會生.PTN承載電網(wǎng)實時通信業(yè)務(wù)的關(guān)鍵問題分析 [J].無線電通信技術(shù),2016,42(6):41-44.

2016-07-05

方子希(1990—)，男，碩士研究生，信號與信息處理專業(yè)，主要研究方向：電力通信技術(shù)應(yīng)用。高會生(1963—)，男，教授，博士，主要研究方向：電力通信網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理和可靠性評估等。

TN919

A

1003-3114(2016)06-41-4