PTN承載電網實時通信業務的關鍵問題分析

方子希，高會生

(華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定 071003)

?

PTN承載電網實時通信業務的關鍵問題分析

方子希，高會生

(華北電力大學 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務存在傳輸質量問題，對國內電力系統分組化進程進行了簡要介紹；從業務時延、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。分析結果表明，合理配置分組封裝尺寸、緩沖區長度、網絡吞吐量和節點數量等參數，可以有效改善網絡性能，這對于在電力通信網部署PTN數據傳輸通道具有工程參考價值。

分組傳送網；時分復用；時延；同步；保護倒換；電力；通信

Services over PTN

0 引言

面對電力系統分組化進程的加快，分組傳送網(Packet Transport Network，PTN)以其面向連接的優勢、統計復用的特點，得到了業界的廣泛認可[1]。在電力系統中，繼電保護和安全穩定控制等實時業務通常采用時分復用(Time Division Multiplexing，TDM)技術來構建傳輸通道，因此這類業務也稱TDM業務。針對電力系統中PTN技術的應用研究包括：PTN承載TDM業務的傳輸時延研究[2-3]；PTN承載TDM業務的時間同步測試和同步技術分析[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業務的應用仍處于試驗階段，各方面的研究尚處于起步階段。當前的研究成果沒有對PTN承載電力系統實時性業務的關鍵問題做出系統描述。本文從業務時延、時間同步和保護倒換三個方面詳細分析了電力系統應用PTN技術承載實時通信業務所需關注的問題，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

根據標準，TDM電路仿真分為結構化和非結構化兩種類型[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幀內部結構，能夠對數據凈荷和同步定時信息進行透傳，從而簡化了繁復的信令識別過程。在SAToP方式下，網絡源邊緣路由器將TDM流切割成一定長度的數據幀，多個數據幀被封裝成給定長度的分組，加上特殊的分組頭部后發送到偽線(Pseudo-Wire，PW)上進行傳輸。穿越相應的PTN路徑后，TDM分組在宿邊緣路由器進行解封裝和重建數據的過程。

1.2 PTN承載電力TDM業務的優勢

傳統的同步數字體系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)具備時延穩定、良好的橫向兼容性、較強的自愈保護能力等優勢，依然是當前電力繼保系統的首選技術。但是，面對未來智能電網多業務、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明顯。比較而言，PTN在承載電力TDM業務方面具有如下優勢：

① 10 GE/GE大帶寬長距離傳送，能夠同時滿足縣調、地調和骨干網的需求，TDM業務的可達范圍更廣。

② TDM分組與數據分組統一調度，在保證業務質量的同時，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。網絡工作者可以通過網管系統實時監控TDM分組性能。例如，丟包監測、時延及抖動測量等。

④ 層次化、圖形化的業務性能監測界面，使故障定位和診斷反應時間更加迅速。

2 業務時延

2.1 TDM業務重要性

在電力系統中，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的電流差值來判別區內外故障，因此需要保證線路兩側電氣量信息采集的同步，并滿足一定的實時性和靈敏性。國內電力行業對繼電保護信號的相關性能做了嚴格要求，傳輸縱聯保護信息的數字式通道傳輸時間應不大于12 ms；點對點的數字式通道傳輸時間應不大于5 ms[9]；用于繼電保護的通信通道單向時延應不大于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，指業務從網絡一端出發，穿越核心網到達另一端所產生的總延遲時間。在PTN網絡中，TDM業務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包括數據幀等待封裝的時間和源端用戶轉換側時延DC。PTN采用了先到先服務非搶占式的隊列調度機制，數據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，N為數據幀封裝個數，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，指信號經光纖鏈路傳輸所產生的時延，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為核心路由器轉發速率，一般取1 GE或10 GE；TM(j)表示第M個節點的排隊時延，該部分具有隨機性。TDM業務幀按照以太網幀的封裝格式，其頭部共有46個字節，分別是26個字節的以太網頭、12個字節的內外層標簽和控制字以及8個可選字節，所以TDM分組尺寸為46+32N字節。

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換側時延DC組成。分組解封裝時延可以表示為(i-1)·125 us，i取正整數；抖動緩存時延取抖動緩存閾值的一半。詳細總結如表1所示。

表1 TDM業務單向時延組成

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業務時延問題的研究關鍵點。TM(j)由隊列調度隨機時延和泊松到達隨機時延兩部分組成。

圖1顯示了隊列調度隨機時延的產生原理。

在圖1中，情景1表示TDM分組在t0時刻到達節點，此時節點內無其他分組占用緩沖區，TDM分組無需等待即可被轉發，隊列調度時延為0。情景2表示當TDM分組到達時，節點正在轉發以太網分組或者前一時刻的TDM分組。當前的TDM分組必須等待緩沖區中前n-1個分組調度完畢后方可被轉發，而這n-1個分組長度又各不相同。因此，緩沖區內隊列長度的未知性導致了隊列調度時延的隨機性。

圖1 隊列調度隨機時延的產生原理

另一方面，TDM分組經過PTN網絡設備的轉發，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，可以通過數值仿真進行分析。

綜上所述，TDM業務在電力通信網中占有重要的地位，在關注PTN數據通道時，必須充分考慮TDM業務的隨機時延特性。

3 時間同步

電力系統縱差保護的時間同步方式分為全球定位系統GPS和線路往返時間測量兩種類型。傳統的SDH網絡普遍采用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，將給電網安全穩定運行帶來嚴重后果。

出于以上考慮，PTN網絡采用全新模式的1588v2時間同步技術，也稱內同步。該模式不依賴外部時間設備，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整電流值的時間偏移量。對于電路仿真業務，PTN需提供TDM業務時鐘的透明傳輸，并保證收發兩端業務時鐘具有相同的、長期的頻率準確度[1]。

在網絡各節點處，封裝有同步信息的報文會受到其它類型報文擠占服務器的影響，造成業務時鐘和參考時鐘不一致。針對這一問題，PTN采用自適應法來恢復定時。該方法通過統計TDM分組到達的時間間隔，動態調整宿端緩沖區尺寸。常用的時間間隔分布為負指數分布，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尺寸。然而，負指數分布只是一種特例，業務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，或者從主用設備切換到備用設備的過程稱為保護倒換，它是保障電力系統可靠性的關鍵技術。為了保證業務的實時性，繼電保護系統通常采用1+1和1∶1兩種保護倒換方式。

在1+1保護倒換方式下，TDM業務采用源端雙發和宿端選收的機制。當工作通道故障時，保護通道依然可以繼續工作，從而保證了業務的連續性。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表示縱差保護設備；PE為源、宿端路由器，它們是TDM分組的起始與終止節點；LSRn為PTN的中心節點。

圖2 1+1路徑保護倒換原理

在1∶1保護倒換方式下，TDM業務只在工作通道傳送，此時的保護通道用來傳送其他業務。一旦工作通道出現異常，保護通道立即停止當前傳送任務，工作通道切換至保護通道，使得TDM業務得以繼續傳送。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數據的丟失和延遲。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時間應小于50 ms。PTN能夠實現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業務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時，必須考慮中心節點的承載能力和路徑總節點數量。如果某中心節點出現擁塞，兩種保護倒換方式均會失效。同樣，如果節點數量過多，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業務的承載，仍然需要組網測試和網絡仿真數據的支撐。

圖3 1∶1路徑保護倒換原理

5 結束語

通過分析電力系統對TDM業務的要求以及PTN的原理，本文得出如下結論：

① PTN承載TDM業務存在隨機時延，這種隨機時延與中心節點入口側隊列長度有關。合理配置緩沖區長度和分組封裝尺寸，能有效減低隨機時延對TDM業務的影響程度。

② PTN1588v2時間同步技術在一定程度上提高了實時業務的可靠性，但是依然存在丟包和延遲的風險。通過調整緩沖區長度可以降低這種風險。

③ PTN支持1+1和1∶1保護倒換機制。在實際應用中具體選擇哪種方式，應綜合考慮節點吞吐量和串聯路徑的節點數量。

下一步的工作是建立各個關鍵問題的數學模型，對電力環境下的PTN實時業務進行更細致的數值仿真。

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

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

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

[4] 李 煒,王妙心,滕 玲.基于OTN+PTN的光傳輸網絡同步系統研究[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中的部署[J].電力系統通信,2012,33(241):11-14.

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

[7] 高 強,尹永飛.PTN技術傳輸繼電保護業務若干問題的研究[J].電力系統保護與控制,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規程[S],2006.

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

[11]DL/T 364-2010.光纖通道傳輸保護信息通用技術條件[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實現電力系統高精度同步時鐘[J].電網技術,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承載電網實時通信業務的關鍵問題分析 [J].無線電通信技術,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，主要研究方向：電力通信技術應用。高會生(1963—)，男，教授，博士，主要研究方向：電力通信網監測系統、網絡管理和可靠性評估等。

TN919

A

1003-3114(2016)06-41-4