PTN技術在智能電網中應用淺析

【摘要】作為智能電網“中樞神經”的通信網建設將面臨IP化的挑戰，越來越多的新的電力操控技術已經融入電力行業中去了。本文將著重論述電力傳輸網由以往傳統的MsTP向PTN的平滑過渡，以及在PTN技術標準發展中幾個關鍵問題進行分析，其中包括端到端的服務質量Qos實現機制，網絡分層等技術、三層功能的引入和數據平面換回功能的探討。

【關鍵詞】電力通信；PTN技術

【中圖分類號】TN915.853 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2012）09-0108-02

一、智能電網發展的背景

2009年5月21日，國家電網公司首次向社會發布了“智能電網”的發展計劃，并喊出“建設世界一流電網”以及“轉變電網的發展方式”等口號，并伴隨著各種措施和方案相繼出臺。

二、電力網絡通信系統的現狀與智能電網需求分析

電力通信作為行業性的專用通信網，是隨電力系統的發展需要而逐步形成和發展的。它主要用來緩解公網發展緩慢而造成的通信能力不足并填補公網難以滿足一些電力部門特殊通信需求的矛盾，以保證電力專業化生產正常高效地進行。

當前，電力通信網是由光纖、微波及衛星電路構成主干線，各支路充分利用電力線載波、特種光纜等電力系統特有的通信方式，并采用明線、電纜、無線等多種通信手段及程控交換機、調度總機等設備組成的多用戶、多功能的綜合通信網。

從智能電網的通信支撐需求來看，電力傳送網需求的主要特征是：

1.越來越高的寬帶業務要求

要求電力通信不僅包括傳統的業務，如：自動號、行政電話、調度電話、遠動數據、熱線電話、計算機MIS業務、數據、圖象等，還需要各種多媒體寬帶業務，如：高速上網、視頻點播、專用數據網等等，所有這些寬帶業務對通信網的帶寬的要求也越來越大。

2.越來越高的調度網絡傳輸要求

傳統電力通信系統主要用于電力系統內部的信息交換，窄帶和獨立通信的TDM技術限制了網絡的發展。作為基礎平臺，網絡是電力系統信息技術應用的關鍵因素，并且已經成為電力系統信息化的主要組成部份。大多數電力生產信息、管理信息及調度信息均可通過電力通信及調度網絡傳輸。并且，理想的網絡基礎設施不僅可以給電力生產和管理提供優勢，而且可以為電力行業通過互聯網業務來增加收入提供商機。因此，電力行業需要良好的通信網絡。

3.嚴格的多業務QoS能力要求

電力通信的業務可劃分為關鍵運行業務和事務管理業務兩大類。關鍵運行業務包括遠動信號、數據采集與監視控制系統、能量管理系統、繼電保護信號和調度電話等，事務管理業務包括行政電話、會議電話和會議電視、管理信息數據等。不同的電力通信業務，要求也不同。關鍵運行業務信息量不大。但對通信的實時性、準確性和可靠性要求很高；事務管理性業務則是業務種類多、變化快、通信流量大。

三、電力城域傳送網的優化與演進

作為傳送技術與數據通信技術融合（某種意義上的妥協），MSTP傳送技術及設備在傳送網向分組傳送（交換）方向前進了一步。MSTP中通過使用GFP封裝、VC虛級聯、LCAS（鏈路容量調整）等關鍵技術，對新業務提供延伸的接口。引入MSTP以后，對于現有的IP城域網和ATM網，MSTP可以為其提供接入和匯聚，擴大以太網業務與ATM業務的覆蓋范圍，確保各網絡協調發展和相互配合，因而MSTP上通過數據接口功能的增加，實現了對現有數據業務的有效補充，保護了現有投資。

但是MSTP傳送技術及設備也碰到一些制約因素（障礙）。首先，利用MSTP實現各類業務網在匯聚層和接入層的合網建設，必然會帶來如何進行網絡和業務管理等問題，因此在引入MSTP的同時，還要注意適當重組業務流程和網絡管理流程，以適應業務綜合和網絡融合的趨勢。其次是MSTP處理顆粒（接口速度）的不匹配：MSTP以2Mbit/s速率及其虛級鏈來轉送以太網業務，就如同拿一把尺子來稱蘋果的重量一樣不太合適。事實上，MSTP的內核是通過VC一12或者VC-4的交叉粒度來完成以太網的分組傳送的。面向群路側的處理對象是VC-4，不清楚也不能適應VC-4內包的傳送。對于以太網而言，包長是變化的，流量是突發的。傳統的SDH傳送網對于基于分組化的業務和新的業務提供方式，存在著諸如業務指配處理復雜，帶寬效率低，成本高，網絡擴展性差等缺點。由于MSTP交換平臺的核心結構為交叉式電路方式的時隙交換，所以MSTP不能有效利用分組業務的統計復用特性。

針對以上IP化演進需求，各大公司和相關科研機構，分別展開了很多的研究，并提出了各種解決方案。作為最終結果，PTN是業界經過多年的討論后逐步得到認可的下一代傳送平臺，如圖所示。

四、PIN相關技術問題分析

1.PTN網絡中的QoS技術

QoS是指網絡通信過程中，允許用戶業務在丟包率、延遲、抖動和帶寬等方面獲得可預期的服務水平。PTN設備的QoS功能包括流分類、標記、速率限制、帶寬保證、流量整形、調度策略等。PTN網絡中業務的QoS主要由基于MPLS的流量工程（TE）和區分服務（DiffServ）兩種機制來實現，目標是實現面向業務的端到端的QoS保障能力。

2.PTN網絡分層結構

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MPLS-TP分為傳送業務層、傳送通道層和段層。其中傳送業務層可以是PW或業務LSP，類似于同步數字體系（SDH）網絡中的VC一12。PW用于提供時分復用（TDM）、以太網和異步傳輸模式（ATM）等仿真業務；業務LSP用于提供IP和MPLS等網絡層業務。傳送通道層是指LSP層，類似于SDH網絡中的VC-4。段層用于在兩個相鄰MPLS-TP節點之間匯聚傳送業務層或傳送通道層的信息。段層可以是采用MPLS-TP技術實現，也可以采用其他技術來實現，如采用同步數字體系/以太網/光傳送網（SDH/ETH/OTN）。PTN通過采用多層網絡的架構，可以實現與同步數字體系/光傳送網類似的可擴展性。

目前的PTN設備是通過PW支持各種仿真業務，還不支持通過業務LSP支持IP/MPLS業務。對于IP/MPLS業務，采用以太網PW仿真實現，優點是業務的透明性好，缺點是傳送效率較低（需要傳送以太網幀頭），對于較短的數據包尤其明顯。

目前的PTN設備只支持單段偽線（SS-PW），即PW和LSP的源宿點重合。SS-PW無法實現多個LSP所承載的PW的匯聚，從而對PTN設備的LSP容量提出了很高的要求。另外只能采用端到端的LSP保護，無法應對多點故障。而通過引入多段偽線（MS-PW），則可以克服SS-PW存在的上述問題，提高PTN網絡的可擴展性。IETF已經將MS-PW列為MPLS-TP的可選項。

3.PTN對L3功能和業務的支持

目前的PTN主要定位于提供二層（IJ2）的業務，包括E1/ATM仿真業務、E-Line/E-LAN/E-Tree以太網業務等。PTN的主要應用場景是移動網絡的回傳，包括目前的3G網絡，以及未來的長期演進（LTE）。PTN可以很好地滿足現有3G網絡回傳的承載需求，但是否能夠滿足LTE的需求人們還心存疑慮。

由于LTE階段出現了基站之間的互聯需求（X2接口），以及基站到服務網關（SGW）的多歸屬需求，因此與3G對承載網的需求將有所不同。針對上述需求，目前有兩種主要的解決方案。一種是建議采用端到端的路由器組網方案；一種是采用L3+L2的組網方案，即核心層采用L3技術組網，接入匯聚層采用IJ2技術組網。由于端到端的路由器方案在網絡擴展性、可管理性和可控性方面存在問題，因此L3+L2的組網方案得到更多的認可和支持。該方案中的核心層可以采用路由器組網，也可以通過在PTN中引入L3功能來實現。下面主要對后一種方式進行討論。

L3功能主要包括IP路由和轉發功能，以及L3MPLSVPN和L3組播功能。由于IP流量和組播存在流量帶寬和路由的不確定性，因此很難提供嚴格的QoS保障能力。如果在PTN中引入這兩種業務，為了避免對原有IJ2業務的影響，只能將這兩種業務設置為最低等級的業務。而L3MPLS虛擬專用網（VPN）由于是基于MPLS實現，因此可以采用前面提到的基于MPLS的流量工程和區分服務機制來保障業務的服務質量。同時還可以在MPLSVPN中支持L3組播，同樣可以保證服務質量。

綜上所述，對于需要提供有質量保證的L3業務，建議在PTN中以L3MPLSVPN的方式提供。而對服務質量沒有要求的L3業務，可以直接采用IP路由和轉發功能來實現。

4.數據平面環回功能

現有的PTN設備只支持OAM的環回功能（LB）。通過OAMLB可以驗證源、宿維護端點問的雙向連通性，以檢測節點問及節點內部故障，但是并不能對故障進行準確的定位。與SDH類似，目前提出的PTN的數據平面環回包括遠端環回（入口環回）、近端環回（出口環回）和光纖環回（客戶環回）3種方式。除了進行故障定位，光纖環回還可以進行單端業務性能測試，如雙向時延、丟包率和吞吐量測試，以方便進行現網測試。

由于分組傳送網已經支持OAM的遠端和近端環回，可以實現與數據平面的遠端和近端環回類似的功能。因此本文認為應首先實現光纖環回功能，以便能夠實現準確的故障定位和單端測試。是否需要支持數據平面的遠端和近端環回功能還需要進一步研究。目前IETF和ITU-T正在對數據平面環回功能的標準化進行討論。

五、結束語

作為承載電網關鍵運行業務、事物管理業務以及面向未來智能化演進的數據業務等智能電網整體架構的基礎和核心之一，電力城域傳送網的建設正在成為整個智能電網建設工作的一個重點。需要特別指出的是，從網絡和業務演示來看，在調度中心到各變電站、各變電站到供電所必定會存在較大的城域匯聚層，更適合采用基于PTN的下一代城域傳送網來實現智能電網業務的承載，以實現電網通信系統建設與智能電網的同步發展，為智能電網的安全、穩定、經濟運行提供面向未來的通信基礎平臺。