PTN承载电网实时通信业务的关键问题分析

方子希，高会生

(华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071003)



PTN承载电网实时通信业务的关键问题分析

方子希，高会生

(华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071003)

针对PTN承载电力通信实时业务存在传输质量问题，对国内电力系统分组化进程进行了简要介绍；从业务时延、时间同步和保护倒换三个方面对PTN传输继电保护信号的可行性进行了分析。分析结果表明，合理配置分组封装尺寸、缓冲区长度、网络吞吐量和节点数量等参数，可以有效改善网络性能，这对于在电力通信网部署PTN数据传输通道具有工程参考价值。

分组传送网；时分复用；时延；同步；保护倒换；电力；通信

Services over PTN

0 引言

面对电力系统分组化进程的加快，分组传送网(Packet Transport Network，PTN)以其面向连接的优势、统计复用的特点，得到了业界的广泛认可[1]。在电力系统中，继电保护和安全稳定控制等实时业务通常采用时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)技术来构建传输通道，因此这类业务也称TDM业务。针对电力系统中PTN技术的应用研究包括：PTN承载TDM业务的传输时延研究[2-3]；PTN承载TDM业务的时间同步测试和同步技术分析[4-5]；PTN对保护倒换的支持能力[6-7]。

从前期的研究工作可以看出，PTN承载TDM业务的应用仍处于试验阶段，各方面的研究尚处于起步阶段。当前的研究成果没有对PTN承载电力系统实时性业务的关键问题做出系统描述。本文从业务时延、时间同步和保护倒换三个方面详细分析了电力系统应用PTN技术承载实时通信业务所需关注的问题，研究成果对实际工程具有参考价值。

1 TDM与PTN

1.1 PTN承载TDM原理

根据标准，TDM电路仿真分为结构化和非结构化两种类型[8]。电力通信PTN普遍采用后者，即SAToP(Structure Agnostic TDM over Packet)方式。这种类型的电路仿真不识别TDM帧内部结构，能够对数据净荷和同步定时信息进行透传，从而简化了繁复的信令识别过程。在SAToP方式下，网络源边缘路由器将TDM流切割成一定长度的数据帧，多个数据帧被封装成给定长度的分组，加上特殊的分组头部后发送到伪线(Pseudo-Wire，PW)上进行传输。穿越相应的PTN路径后，TDM分组在宿边缘路由器进行解封装和重建数据的过程。

1.2 PTN承载电力TDM业务的优势

传统的同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)具备时延稳定、良好的横向兼容性、较强的自愈保护能力等优势，依然是当前电力继保系统的首选技术。但是，面对未来智能电网多业务、高带宽的需求，其容量小、信道时隙固定、带宽利用率低等缺点愈发明显。比较而言，PTN在承载电力TDM业务方面具有如下优势：

① 10 GE/GE大带宽长距离传送，能够同时满足县调、地调和骨干网的需求，TDM业务的可达范围更广。

② TDM分组与数据分组统一调度，在保证业务质量的同时，提升了带宽利用率。

③ PTN具有强大的操作、管理、维护(Operation Administration and Maintenance，OAM)机制。网络工作者可以通过网管系统实时监控TDM分组性能。例如，丢包监测、时延及抖动测量等。

④ 层次化、图形化的业务性能监测界面，使故障定位和诊断反应时间更加迅速。

2 业务时延

2.1 TDM业务重要性

在电力系统中，光纤通道传输继电保护信息主要采用的方式为线路纵联电流差动保护，简称“线路纵差保护”。该保护方式通过计算通信通道被保护线路各侧的电流差值来判别区内外故障，因此需要保证线路两侧电气量信息采集的同步，并满足一定的实时性和灵敏性。国内电力行业对继电保护信号的相关性能做了严格要求，传输纵联保护信息的数字式通道传输时间应不大于12 ms；点对点的数字式通道传输时间应不大于5 ms[9]；用于继电保护的通信通道单向时延应不大于10 ms，且双向时延必须对称[10-11]。

2.2 单向时延

通常情况下，单向时延也称端到端时延，指业务从网络一端出发，穿越核心网到达另一端所产生的总延迟时间。在PTN网络中，TDM业务的端到端时延由源边缘路由器时延DS、链路时延DP、核心路由器时延DM和宿边缘路由器时延DT四部分组成，具体分析如下。

源边缘路由器时延DS包括数据帧等待封装的时间和源端用户转换侧时延DC。PTN采用了先到先服务非抢占式的队列调度机制，数据帧等待封装的时间可以表示为(N-i+1)·125 us。其中，i取正整数，N为数据帧封装个数，1个TDM帧在直连电路上的传输时间为125 us。

DP也称传播时延，指信号经光纤链路传输所产生的时延，一般为4.93 us/km。若传输距离为L，则DP取值为4.93L。

核心路由器时延DM包括路由器对分组的处理时延和排队时延两部分，如式(1)所示：

(1)

式中，RP为核心路由器转发速率，一般取1 GE或10 GE；TM(j)表示第M个节点的排队时延，该部分具有随机性。TDM业务帧按照以太网帧的封装格式，其头部共有46个字节，分别是26个字节的以太网头、12个字节的内外层标签和控制字以及8个可选字节，所以TDM分组尺寸为46+32N字节。

宿边缘路由器时延DT由分组等待解封装时延、抖动缓存时延和宿端用户转换侧时延DC组成。分组解封装时延可以表示为(i-1)·125 us，i取正整数；抖动缓存时延取抖动缓存阈值的一半。详细总结如表1所示。

表1 TDM业务单向时延组成

2.3 随机时延

由表1可知，在标签交换路径确定的情况下，DS、DP和DT均可视为固定值，它们对TDM信号影响程度较小。随机时延分量TM(j)具有不确定性，是影响TDM信号同步精度的主要因素，也是PTN承载TDM业务时延问题的研究关键点。TM(j)由队列调度随机时延和泊松到达随机时延两部分组成。

图1显示了队列调度随机时延的产生原理。

在图1中，情景1表示TDM分组在t0时刻到达节点，此时节点内无其他分组占用缓冲区，TDM分组无需等待即可被转发，队列调度时延为0。情景2表示当TDM分组到达时，节点正在转发以太网分组或者前一时刻的TDM分组。当前的TDM分组必须等待缓冲区中前n-1个分组调度完毕后方可被转发，而这n-1个分组长度又各不相同。因此，缓冲区内队列长度的未知性导致了队列调度时延的随机性。

图1 队列调度随机时延的产生原理

另一方面，TDM分组经过PTN网络设备的转发，其到达过程可近似等效为泊松分布[12]，这种分布具有随机性。不同封装尺寸的TDM分组具有不同的泊松到达率。对于N的选择，可以通过数值仿真进行分析。

综上所述，TDM业务在电力通信网中占有重要的地位，在关注PTN数据通道时，必须充分考虑TDM业务的随机时延特性。

3 时间同步

电力系统纵差保护的时间同步方式分为全球定位系统GPS和线路往返时间测量两种类型。传统的SDH网络普遍采用GPS，该方式具有授时精度高、无需通道连接等特点。但是，电网故障分析要求各微机装置的时间信息不大于1 ms，相位测量和行波保护对时间精度的要求高达us级[13]。GPS在卫星失锁时，其误差可能达到几十甚至上百毫秒；另一方面，GPS采用微波传送时钟信号，容易受到天气、地形因素的干扰，一旦时钟信号中断，将给电网安全稳定运行带来严重后果。

出于以上考虑，PTN网络采用全新模式的1588v2时间同步技术，也称内同步。该模式不依赖外部时间设备，仅靠源宿两端互传带有时间信息(时间戳)的报文来计算同步时间差，进而通过该时间差调整电流值的时间偏移量。对于电路仿真业务，PTN需提供TDM业务时钟的透明传输，并保证收发两端业务时钟具有相同的、长期的频率准确度[1]。

在网络各节点处，封装有同步信息的报文会受到其它类型报文挤占服务器的影响，造成业务时钟和参考时钟不一致。针对这一问题，PTN采用自适应法来恢复定时。该方法通过统计TDM分组到达的时间间隔，动态调整宿端缓冲区尺寸。常用的时间间隔分布为负指数分布，这种分布可以利用排队论的方法进行分析，并通过计算队列长度来确定缓冲区尺寸。然而，负指数分布只是一种特例，业务到达时间间隔存在一般性，这会使分析难度大大增加。

4 保护倒换

从工作路径切换到保护路径，或者从主用设备切换到备用设备的过程称为保护倒换，它是保障电力系统可靠性的关键技术。为了保证业务的实时性，继电保护系统通常采用1+1和1∶1两种保护倒换方式。

在1+1保护倒换方式下，TDM业务采用源端双发和宿端选收的机制。当工作通道故障时，保护通道依然可以继续工作，从而保证了业务的连续性。这种机制虽然增加了额外的线路成本，但有效提升了线路可靠性。图2显示了1+1路径保护倒换原理。RA、RB表示纵差保护设备；PE为源、宿端路由器，它们是TDM分组的起始与终止节点；LSRn为PTN的中心节点。

图2 1+1路径保护倒换原理

在1∶1保护倒换方式下，TDM业务只在工作通道传送，此时的保护通道用来传送其他业务。一旦工作通道出现异常，保护通道立即停止当前传送任务，工作通道切换至保护通道，使得TDM业务得以继续传送。这种方式提高了通道利用率，但是在切换的过程中势必会造成TDM数据的丢失和延迟。图3显示了1∶1路径保护倒换原理。

文献[11]指出，传输继电保护信号的光纤通道保护倒换和恢复时间应小于50 ms。PTN能够实现50 ms的电信级保护倒换，并且支持1+1和1∶1两种方式。但是，TDM业务要求光纤通道双向路由的一致性，且支持双向倒换机制。这使得在配置标签交换路经时，必须考虑中心节点的承载能力和路径总节点数量。如果某中心节点出现拥塞，两种保护倒换方式均会失效。同样，如果节点数量过多，也会增大分组丢包的概率。所以，尽管PTN拥有良好的保护倒换机制，对于TDM业务的承载，仍然需要组网测试和网络仿真数据的支撑。

图3 1∶1路径保护倒换原理

5 结束语

通过分析电力系统对TDM业务的要求以及PTN的原理，本文得出如下结论：

① PTN承载TDM业务存在随机时延，这种随机时延与中心节点入口侧队列长度有关。合理配置缓冲区长度和分组封装尺寸，能有效减低随机时延对TDM业务的影响程度。

② PTN1588v2时间同步技术在一定程度上提高了实时业务的可靠性，但是依然存在丢包和延迟的风险。通过调整缓冲区长度可以降低这种风险。

③ PTN支持1+1和1∶1保护倒换机制。在实际应用中具体选择哪种方式，应综合考虑节点吞吐量和串联路径的节点数量。

下一步的工作是建立各个关键问题的数学模型，对电力环境下的PTN实时业务进行更细致的数值仿真。

[1] YD/T 2374-2011.分组传送网(PTN)总体技术要求[S],2011.

[2] 魏 勇,汪 洋,张合明,等.电力分组传输网时延特性测试研究[J].电力信息与通信技术,2015,13(3):12-16.

[3] 高会生,汪 洋.PTN业务随机时延对差动保护同步性能的影响分析[J].电力自动化设备,2015,35(7):165-171.

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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，高会生.PTN承载电网实时通信业务的关键问题分析 [J].无线电通信技术,2016,42(6):41-44.

2016-07-05

方子希(1990—)，男，硕士研究生，信号与信息处理专业，主要研究方向：电力通信技术应用。高会生(1963—)，男，教授，博士，主要研究方向：电力通信网监测系统、网络管理和可靠性评估等。

TN919

A

1003-3114(2016)06-41-4