电网系统保护业务分析及通信承载方案研究

STP、PTN、OTN、IP路由技术4种。

3.1 MSTP技术

MSTP是SDH为了适应传输以太网数据而在SDH基础上改进后的传送平台标准,主要改进是在接口单元增加了ETH/ATM等业务单元,基础传送层主要还是沿用SDH传输,基于SDH的MSTP最适合作为网络边缘的融合节点支持混合型业务^[6],特别是以TDM业务为主的混合业务。对于2 M固定专线业务,MSTP设备从SDH集成了优秀的承载、调度能力;对于可变带宽业务,可以直接在MSTP设备上提供端到端透明传输^[7]通道,用户之间绝对隔离。该技术普遍应用于电力系统网络建设中,具有较低的时延和较高的可靠性,为电力系统的调度自动化、线路保护、视频、语音等业务提供了安全可靠的信息传输保障,多年来网络已运行稳定。

3.2 PTN技术

MSTP技术以时分复用为交换核心,是基于VC的硬性传输管道,导致其对高突发性的IP业务承载存在带宽利用率不高和承载效率低等问题^[8]。PTN技术是一种以分组业务为核心、面向连接并支持多业务提供的高效传输技术,可提供适应IP业务高突发性的软管道。PTN将数据平面与控制平面分离,降低了数据处理的复杂性,增强了OAM和保护自愈能力。PTN支持TDM业务仿真和传送,同时支持频率同步和高精度的时间同步。

电力系统中除线路继电保护业务仍为TDM电路交换方式外,大量业务应用迅速向分组化、IP化转换。图像监控、视频会议、生产MIS、办公OA、客服、配用电信息等IP类业务占据了通信网络带宽的90%以上。

由于电网业务高带宽、大容量、IP化的驱动,PTN技术成为国家电网公司“十三五”通信规划前期重点关注技术领域,目前,公司在山东、河南、河北等9个单位已经试点部署了PTN网络。其中山东、河北、河南电力的 PTN 网络规模较大,其他 6 个单位均为小规模试点。PTN采用伪线仿真方式传送TDM E1业务,其传输通道时延取决于收发两端设备处理时延（1~2 ms）和传输距离,中间节点的转发时延为μs级,可忽略不计^[9]。在现网测试及实际运行中误码率满足业务稳定性要求。但PTN技术通过VLAN进行业务隔离,电力生产业务要求完全物理隔离,因此PTN技术组网在安全性方面有待进一步论证。国家电网公司试点建设的PTN网络主要用于传送变电站图像监控、行政视频会议、应急指挥、营销、办公信息自动化（MIS）、配网用电等数据类业务。目前,各公司PTN网络运行情况总体
稳定。

3.3 OTN技术

OTN是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的下一代骨干传送网。OTN技术继承了SDH和WDM的双重优势^[10],基于ITU-T G.709的OTN帧结构可以支持多种客户信号的映射和透明传输^[11],如SDH、ATM、以太网等相对于SDH的VC-12/VC-4的调度颗粒,OTN复用、交叉和配置的颗粒要大很多,OTN定义的电层带宽颗粒为光通路数据单元(O-DUk,k=0,1,2,3),即ODU0(GE,1000M/S)ODU1(2.5 Gb/s)、ODU2(10 Gb/s)和 ODU3(40 Gb/s),光层的带宽颗粒为波长,能够显著提升高带宽数据客户业务的适配能力和传送效率;强大的开销和维护管理能力。OTN提供了与SDH类似的开销管理能力,OTN光通路(OCh)层的OTN帧结构大大增强了该层的数字监视能力;增强了组网和保护能力。OTN将提供更为灵活的基于电层和光层的业务保护功能,如基于ODUk层的光子网连接保护和共享环网保护、基于光层的光通道或复用段保护等。

目前,国家电网公司已建成大容量骨干光传输网,大部分省公司也已建成省内大容量骨干光传输网,OTN网络运行稳定,能够提供多种类型客户信号的传送、复用、管理、监控及保护,提供更短的物理封装,传送效率更高、带宽更大、传送层监管更完善、协议完全透明的传送管道,为公司调度数据网、数据通信网等承载网络提供了有力的带宽保障。

3.4 IP路由技术

IP网络是由通过路由设备互连起来的IP子网构成,这些路由设备负责在IP子网间寻找路由,并将IP分组转发到下一个IP子网。目前国家电网公司调度数据网^[12]及数据通信网均采用IP over SDH/OTN技术组网,网络覆盖所有电力调度机构和35 kV及以上厂站,用于承载电网生产及管理信息业务。

3.5 对比分析

上述4种承载网技术中MSTP、PTN、OTN属于传输网技术,主要用于提供刚性的点对点或点对多点通道,适用于组建底层骨干传输网。从传输时延方面看,MSTP、PTN、OTN的传输时延均由光缆时延和设备时延2部分构成。计算分析如下。

3.5.1 光缆时延

光缆时延T₁的计算方法为：T₁=L×n/C,式中：L为传输距离;n为光纤芯折射率,典型值为1.48;C为光速,C=3×10⁵ km/s^[13]。经测算,每千米光缆时延约为5 μs。

3.5.2 设备时延

1）SDH技术。SDH传输系统的设备时延T_s由映射时延T_y（2 M到光口）、去映射时延T_q（光口到2 M）、直通时延T_z（光口到光口）组成^[14]。传输设备时延表达式为：T_s=T_y+T_q+N×T_z,其中N为中间节点数量。根据欧洲电信标准协会标准规定参数,T_y及T_q均不大于110 μs,T_z不大于60 μs,在12个通信节点和439 km光缆场景下,T=439×5+110×2+（12-2）×60=2 195+220+600=3 015 μs,从计算结果可知,传输时延约3 ms,且标准中的指标一般为最坏值,因此,SDH技术完全能满足系统保护业务
50 ms实时性要求。

2）PTN技术。PTN承载业务的端到端时延主要包括源端设备分组封装时延T_f、网络中间节点交换时延T_z、宿端设备抖动缓存时延T_t、光缆时延组成。传输设备时延表达式为：T_s=T_f+T_t+N×T_z,T_f、T_t理论值小于100 μs、T_z只做业务转发,时延理论值小于50 μs^[5],在12个通信节点和439 km光缆场景下,理论计算T=439×5+100×2+（12-2）×50=
2 195+200+500=2 893 μs。在山东公司进行的现网测试中,相同场景下,通道时延在3 ms左右^[9],与理论计算结果基本一致,因此,PTN技术承载业务的端到端时延满足系统保护业务50 ms实时性要求。

3）OTN技术。目前电力系统普遍采用OTN电交叉设备,在业务传输时需要经过光—电—光的转换,对于端到端业务将增加累计时延。OTN传输系统的设备时延T_s由映射时延T_y（GE到光口）、去映射时延T_q（光口到GE）、直通时延T_z（光口线路板到光口线路板）组成。时延表达式为：T_s=T_y+T_q+N×T_z,其中N为中间节点数量。根据测试业务上下需要大约200μs/次^[15],T_y及T_q均不大于40 μs。在12个通信节点和439 km光缆场景下,理论计算T=439×5+40×2+（12-2）×200=
2 195+80+2 000=4 275 μs。OTN技术主要用于组建大容量骨干层网络,提供大带宽通道,组网时通常与SDH或PTN技术相结合。从计算结果可知,设备传输时延约3 ms。根据国家电网公司电网现状,区域内距离一般在3 000 km以内,采用OTN+SDH组网时,通过上述计算结果可知,端到端时延满足系统保护业务50 ms实时性要求。

从以上分析可知,MSTP、PTN、OTN 3种传输网技术组网承载系统保护业务,从时延方面均满足50 ms要求。且从现网实际承载情况看,3种技术均具备很好的通道稳定性,满足电网系统保护业务传输要求。考虑到PTN技术通过VLAN进行业务隔离,在安全性方面有待进一步论证,因此暂不建议采用其组建承载电网生产控制业务的系统保护通信专网。MSTP、OTN技术在网络安全、运行维护、时延特性等方面基本类似,可为保护、安控等对时延十分敏感的专线业务提供完全物理隔离的传输通道。

IP路由技术属于数据网技术,其在骨干网络中需利用传输所提供的通道进行组网,通过广播和寻址方式实现点到点、点到多点的数据通信,适用于多类型IP化业务的综合承载。

 4 通信技术选择及组网建议

综合考虑系统保护业务带宽、通道时延指标、安全可靠性等因素,建议采用MSTP技术提供专线通道传输实时控制信息,采用IP路由器技术组建系统保护专用数据网承载全景状态感知信息。

区域骨干网应根据系统保护功能架构,当系统保护架构以区域为主体时可按骨干、接入两层结构设计;当设置国调总站,需要区域协控主站互联时,通信网可按核心、骨干、接入三层结构设计。近期可采用10 G MSTP技术进行组网,在区域核心层或部分区段带宽需求预测大于10 G的情况下,建议采用OTN技术进行组网,在OTN网络中配置SDH设备实现小颗粒业务接入。远期建设专用数据网承载全景状态感知信息。

省内负控网可按骨干、接入两层结构设计,结合实际带宽需求,建议采用2.5 G/10 G MSTP技术进行组网。

 5 结语

系统保护通信专网建设应结合近远期系统保护功能实现情况,根据节点设置及业务需求进行带宽流量测算,带宽测算结果应为电网发展留有一定余量,在此基础上选择适用的通信专网技术体制及组网方案,为系统保护功能的实现提供重要保障。