智能电网的PTN线性保护机制研究

徐秀敏, 刘 欣，曹占峰，尹洪苓

(1.北京中电普华信息技术有限公司，北京 100192; 2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 100031)

智能电网的PTN线性保护机制研究

徐秀敏1, 刘 欣2，曹占峰1，尹洪苓1

(1.北京中电普华信息技术有限公司，北京 100192; 2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 100031)

智能电网信息化、数字化的发展需求，促使电力通信向IP化的方向发展，使得适合IP业务的分组传送网络技术PTN逐步得到了应用；ITU-T定义的G.8131 PTN线性保护技术可用来保护电网通信业务；为缩短链路故障时N对线性保护同时切换的业务恢复时间，对线性保护实现机制进行研究，提出了倒换操作优先执行的方案；通过理论分析和实验验证，链路故障时N对保护组同时倒换的性能近似O(1)，较好地满足了线性保护50 ms故障恢复性能，可更好的保障智能电网通信系统的生存性。

智能电网；电力通信系统；PTN线性保护；50 ms；倒换操作优先执行

0 引言

智能电网的 “信息化、数字化、自动化、互动化” 特征，促使电力信息通信业务朝着IP化、宽带化、业务多元化的方向发展[1-3]。为满足管理信息业务的高带宽需求，山东、江苏、河北等地已试点采用适合IP业务的分组传送网络技术PTN建设智能电网数据通信传输网[4-5]。使用PTN承载全部电力通信业务，在可行性、生存性、安全性、标准化等方面需进一步研究和论证，探讨PTN网络的保护倒换机制，提高PTN网络的故障恢复与业务保护能力，使其达到与SDH网络一致的生存性能力具有必要性。PTN网络的保护倒换机制分为：线性保护倒换和环网保护倒换两种。环网保护倒换草案众多，目前未形成统一标准。因线性保护倒换具有简单、易操作、便于网管等优点，标准化进程较快，在PTN网络中应用较为广泛。

ITU要求SDH网络保护组在50 ms内完成承载业务的切换[6]，同时切换满足的50 ms性能的线性保护对数N直接对应着设备的通信保障能力。电网通信系统对通信可靠性要求更高，更需要保证N对保护组同时切换满足小于50 ms的业务恢复时间。为提高PTN网络的可靠性，ITU-T针对PTN线性保护定义了G.8131标准，通过在备用链路上预留资源实现主用链路故障时的业务快速切换，方便网络管理者高效快捷地管理网络。

G.8131未对N对保护组如何实现50 ms切换作出说明和建议，已发表文献中也未有相关的分析，文章就N对保护组如何实现小于50 ms的快速保护切换展开研究。针对响应链路故障的进行保护切换的场景，将G.8131状态机的简化，提出了倒换操作优先执行线性保护切换方案，以期在满足50 ms可靠性要求的前提下扩大保护组个数N的规格，提高PTN设备的线性保护能力，使电力通信PTN网络具有更快速的业务保护与故障恢复能力，增强智能电网通信系统的稳定性和可靠性。

1 智能电网PTN通信系统与线性保护

1.1 电网PTN通信系统

随着智能电网的发展，大颗粒IP业务在电力通信业务中的比重逐步加大，业务传输所需的带宽将迅速增长。智能电网融合了电力技术、自动化技术以及信息通信技术，具有高效率、高生存性、可灵活组网特点的通信系统是智能电网的必要支撑。电力通信网承载的电网调度自动化、配电自动化、集抄业务和办公自动化等业务，对通信的可靠性、保护控制信息传送的快速性和准确性具有极严格的要求，是保证智能电网的安全高效稳定运行的基础[7-9]。

PTN技术在继承了SDH良好网络扩展性、丰富操作维护能力(OAM)、快速的保护倒换机制、利用网管系统可视化建立网络连接等优点的同时，还具有如下适应IP数据业务的特性：分组交换、带宽统计复用、采用面向连接的标签交换、区分服务的QoS机制、灵活动态的控制面等，相较SDH网络PTN网络在传输IP数据业务效率更高。PTN网络提供了设备级、业务级、网络级全方位的保护，保证接入的语音、数据、视频等各类业务独立高质量传送[10]。

电力调度网、数据通信网、信息内外网、智能电网等电力通信业务，需依赖独立、安全、坚强的传输平台，以保障电网电力保护、自动化、信息等各领域的安全稳定运行[7-11]。目前智能电网主要采用SDH/MSTP承载管理大区和生产控制大区业务，可靠性、安全性、标准化程度均得到验证和确认。PTN技术标准化尚未完成，在承载电网生产控制业务的时延和可靠性上、承载电力各安全分区业务的隔离效果上待研究和确认。在试点采用PTN组建的电力通信传输网的电力公司，仅采用PTN承载了信息内网、视频会议、图像监控、行政电话等管理大区业务，生产控制大区业务仍采用SDH网络进行承载[5,7,9,11-17]。随着电力通信系统中IP数据业务迅速增加，探讨PTN在电力通信网应用中的可靠性技术问题是必要和有意义的。

1.2 线性保护技术

线性保护是一种专用的端到端保护结构，可用于环网和网状网等网络拓扑结构中，以保护可靠性要求较高的通信业务。在线性保护切换机制中，对工作资源都预先分配好固定的备用路径和可保证的带宽资源，在工作实体发生故障时，通过切换到备用实体实现业务快速自愈。G.8131定义的保护技术简单快速，以一种可预测的方式实现网络资源切换，更易于在网络的管理层面有效地规划网络和获取网络的活动状态，实现高效稳定可靠的运营。G.8131给出了线性保护的状态机定义和实现逻辑，定义了1+1和1:1两种保护方式，1+1保护方式采用双发选优收的保护机制，1:1保护方式采用选择合适的保护或工作链路传输的机制，业务的双向切换采用APS(Automatic Protection Switching，自动保护倒换)协议进行保证[6,18]。

线性保护的具体应用场景见图1，主用链路和备用链路均包含一台或多台网络中间设备，也可以是跨越一个独立的网络，在设备 A和设备 B之间建立线性保护组以保护两端的通信业务；主用链路的链路质量优于备用链路，业务正常情况下在主用链路上传输，主用链路发生故障后业务迅速切换至备用链路进行传输，以提高网络的可靠性。1:1保护默认选择主用链路进行业务发送和接收，1+1保护在主用和备用链路上都进行业务发送，默认选择主用链路进行业务的接收；采用CCM(连续性检测消息)报文来进行主用和备用链路状态的检查，协商两端状态的APS协议固定在备用链路上进行传输。CCM可进行全链路的故障检测，可支持3.3 ms、10 ms、100 ms、1 s、10 s、1 min、10 min 7种 CCM报文发送周期，各发送周期对应着不同的应用领域；在实际使用时，为保证线性保护50 ms的切换性能，要求使用3.3 ms间隔的CCM报文进行链路状态的检测[19-20]。

PTN网络对保护倒换的性能要求为，N对保护组在50 ms内完成业务的保护倒换[21]。根据工信部的《分组传送网(PTN)设备测试方法》[22]，在CCM检测报文的周期为3.3 ms时，所有被保护业务的保护倒换时间均小于50 ms，接入层设备要求满足32对保护组同时切换的性能为50 ms、汇聚层设备要求512对保护组同时切换的性能为50 ms，核心层设备要求1 024对保护组同时切换满足50 ms。PTN网络的接入、汇聚、核心层网络分别对应电力接入网、城配网、核心网。电力通信网络作为可靠性和安全性要求更高的网络，需达到更高的保护倒换性能——单对保护倒换更快，支持更多对数的保护组在50 ms内同时完成保护倒换。G.8131未对N对保护组如何满足50 ms的保护切换性能进行阐述，公开发表的文献中也未有对该专题的研究，故研究快速的保护倒换机制具有重要意义。

图1 PTN线性保护典型应用场景

2 线性保护倒换操作优先执行机制

对保护倒换的处理流程进行阐述，并采用软硬件协同设计的思想对功能实现方式进行划分，得到常规保护倒换实现流程。通过优化保护切换流程和简化线性保护状态机，得到了倒换操作优先执行的切换方案，在保证切换操作正确性的前提下，缩短单对保护组切换耗时、优化N对保护组同时切换的性能。

2.1 常规线性保护倒换处理流程

线性保护倒换处理流程见图2，根据软硬件协同处理的思想分为硬件处理逻辑和软件处理逻辑两部分，硬件处理逻辑包括故障检测硬件和PTN转发实现硬件，软件处理逻辑包括故障接收处理/线性保护状态机处理/保护倒换决策执行。故障检测硬件模块监控和检测链路状态，检测到故障后以中断的方式通知故障接收处理模块，将收到的故障消息进行转化和整理告知到线性保护状态机处理模块，根据保护组状态和收到的故障消息运转状态机产生倒换决策，保护倒换决策执行模块将倒换决策转化为具体的硬件配置，并配置到实现PTN转发功能的硬件中完成保护倒换。采用支持并行检测机制的PTN芯片，模块1故障检测硬件检测N条链路的耗时基本恒定，为G.8113标准定义的3.5倍的CCM报文发送周期，则需优化2/3/4/54个模块的处理流程，以提高保护倒换的性能。

图2 线性保护常规倒换处理流程

模块3需实现的基本功能有：根据输入运转状态机得到倒换决策、将倒换决策告知模块4、收发交互APS报文、在状态变化时以3.3 ms的间隔连发3个APS报文、上报状态变化和倒换状态的告警等[19]。模块3中在状态变化时连续发送3个APS报文耗时10 ms，上报保护倒换的告警也需要ms级别的耗时；为优化保护倒换的性能，新建一个低优先级任务采用异步的方式进行实现发送APS和上报告警。在模块5中，通常有两种实现PTN保护倒换操作的方法。方法一，针对被保护的业务仅预先建立好主用通路，在发生路径切换时，删除主用通路，建立备用通路；方法二，预先建立好主备用通路，在发生路径切换时，直接将业务切换到备用路径。方法一，删除再重建通路耗时较长，在快速倒换时通常不使用该方法。方法二，主备用路径都预先建立好，切换时仅需将业务连接到备用链路上承载即可，切换操作简洁快速。目前PTN设备中方法二较为常用，在PTN转发芯片中预先建立好转发业务所需的主用链路和备用链路对应的硬件表项，采用修改切换点的方法选择主用或备用通道。

2.2 倒换操作优先执行方案

在常规倒换方案中，模块3采用异步的线性保护任务实现，通过实验测试实时嵌入式操作系统任务切换的耗时在0.2～0.4 ms之间，串行保护组超200余对时成为50 ms性能需求的重要瓶颈。从保护倒换性能优化的角度出发，模块3的根本作用为运转状态机获得倒换决策并通知模块4；因线性保护的实现需遵从G.8131的标准，模块3的各个基本功能必须存在；G.8131定义的状态机有16个状态，30种输入，状态机实现较为复杂；考虑在处理流程中将模块3“短路”的方法，模块3不参与快速保护倒换的流程，只作为异步的线性保护状态正确性保证手段，并负责与对端设备按照G.8131标准进行互通，保护倒换的处理流程的模块2和模块4都在同一任务中完成。

模块2检测到故障消息后，直接通知到模块4，并通过消息队列将故障信息异步告知模块3。在模块4“倒换决策执行模块”中，增加根据本地上报的链路故障信息迅速做出正确切换动作的逻辑，可根据收到的故障消息独立做出倒换决策。模块4执行完成倒换操作后，收到模块3通过接口C重复下发的倒换决策，不再重复切换。相较常规倒换方案，增加了接口E，用于模块2收到故障消息后通知模块4；接口B也更改为消息发送方式。保护倒换操作的优先执行方案见图3。

图3 保护倒换操作优先执行方案流程

因保护倒换的性能主要关注于链路故障时的业务恢复性能，G.8131和G.8031协议中响应P_F(备用链路故障)、W_F(主用链路故障)的状态机见表1。通过状态合并，将状态NR-W/NR-P/FS/MS/WTR合并为优先切换使能，将LO和SF-P状态合并为优先切换禁止，退出该状态作为切换使能，得到实现优先切换逻辑的状态机见表2。倒换操作优先执行方案的核心为，在模块4中增加了根据链路故障状态做出倒换决策的优先切换状态机，可以通过响应链路故障中断，根据快速切换状态机得到倒换决策，同时也响应模块3根据完整状态机得到的倒换决策。在倒换操作优先执行中，模块3还负责向模块4发送优先切换使能和优先切换禁止逻辑。

表1 协议中响应链路故障的状态机

表2 简化倒换决策状态机

3 N对线性保护优先倒换方案

同时切换满足50 ms性能的保护组对数对应着PTN设备的保护能力，影响着PTN网络的可靠性和生存性。电力通信网络中PTN设备对业务可靠性要求更高，需优化PTN保护倒换的性能、提高同时切换满足50 ms的保护组对数N的规格。就N对保护组同时切换的性能进行分析，针对常规方案和倒换操作优先方案分别进行理论论证。依据得到的保护倒换处理流程，分模块分析N对保护组同时倒换的耗时，在同一任务中进行的模块间消息收发的耗时忽略。定义保护倒换各个阶段的耗时如下：

保护组采用CCM故障检测耗时[19]：T1=3.3ms*3.5=11.6 ms；

链路故障处理耗时：T2；

运转状态机得到倒换决策耗时：T3；

倒换决策执行+PTN转发芯片设置耗时：T4。

3.1 N对线性保护理想并行切换方案

N对保护组同时发生保护倒换，传统的处理方法是N对保护组串行执行保护倒换操作。如果一对保护组的耗时为O(1)，则N对保护组的耗时为O(N)。在N较大时，该机制难以实现N对保护组同时倒换满足50 ms性能要求。N对保护组的同时切换的性能O(N)与N有直接关系，理想的优化结果是排除N的影响，N对保护组同时切换的性能与1对保护组的性能都为O(1)。串行倒换的方法较难实现N对保护组同时倒换满足50 ms，考虑将串行操作改为并行处理保护倒换的思想。模块1到模块5均引入并行处理实现，具体功能描述如下。

模块1：故障检测硬件模块，支持并行故障检测能力，上报一次中断，可将所有故障链路均告知CPU；

模块2：故障接收处理模块，可批量处理收到的故障消息，并将所有链路故障通过并行接口一次通知到模块3；

模块3：线性保护状态机处理模块，可批量处理收到所有链路故障消息，并行运转状态机，并下发一个包含所有保护对倒换策略的倒换接口；

模块4：倒换决策执行模块，收到并行倒换接口，转换成具体保护表项的倒换配置，采用DMA的接口一次完成所有保护表项的配置；

模块5：PTN转发硬件模块，支持保护组的并行配置，可支持DMA读写的方式，批量读取和配置保护组表项；

采用并行处理机制，实现N对APS保护50 ms保护倒换性能的要求的难度降低，根据下面的等式，T2_并行 +T3_并行 +T4_并行满足38.4 ms即可，从根本上消除了N的限制，达到了近似O(1)的数量级。因模块3线性保护的状态机处理逻辑较为复杂，单核CPU无法实现N对保护的并行处理。

50 ms =T1+T2_并行 +T3_并行 +T4_并行

3.2 N对线性保护并行实施方案

在单CPU的处理系统中，难以实现真正的并行，常规采用串行并行化的处理方式实现并行执行。各模块的内部通过采用具体的实现方法，达到近似并行的效果；模块间的消息收发仍为串行实现。

3.2.1 常规方案并行切换

按照G.8131协议实现标准状态机的常规保护倒换方案，引入并行的处理机制之后，可以在模块2的故障处理中，一次将所有的故障均上报完全，耗时T2_并行；单CPU实现的T3只能采用串行的实现方法，N个保护组共运转N次状态机；T4配置硬件的操作可以考虑采用DMA的方式，批量配置硬件标量，实现硬件操作的模拟并行。在满足50 ms性能要求的前提下，支持同时切换满足50 ms的保护组对数为N，得到下面的等式：

50 ms =T1+T2_并行 +N*T3+T4_并行

进行逆向分析，如果要实现N对APS满足50 ms保护倒换性能，不考虑链路故障处理耗时T2_并行和配置转发芯片耗时T4_并行(该时间在实际应用中不能忽略)，在N取值512时，T3最大为0.037 5 ms，即运转状态机得到倒换决策并下发时间要求小于0.037 5 ms，对CPU处理能力的要求较高。

3.2.2 优先倒换方案并行切换

倒换操作优先的方案，在响应链路故障的处理过程中，省去了运转复杂状态机和任务切换的耗时。为实现N对保护组同时倒换满足50 ms，对倒换操作优先方案进行分析论证。

本方案在快速倒换流程中关注保护倒换性能，在模块4中通过倒换操作优先状态机即可得到倒换决策；模块3中复杂的状态机异步实现，用来满足G.8131协议的要求和链路闪断时的最终状态正确性保证手段。模块1、模块2通过软件方法，实现链路状态并行检测的能力；模块4实现了倒换操作优先执行的状态机，内部还是串行运转得到每个保护组的倒换决策，运转状态机的耗时可以忽略，修改PTN转发芯片的表项通过DMA批量修改的方式实现并行化。如此实现N对APS保护50 ms保护倒换性能的要求难度降低，基本解除了与N的直接关联关系，达到近似O(1)的效果。T2_并行+T4_优先切换满足38.4 ms即可，采用倒换操作优先执行方案，可较容易满足该要求。

50 ms =T1+T2_并行+T4_优先切换

4 实验验证

选择1:1保护组进行保护倒换性能的实验验证。因1:1保护的机制为选择一条链路，进行被保护业务的收发，在备用链路不承载背景业务的情况下，可只关心发送方向上的业务切换，采用支持批量修改保护组相关表项的支持DMA(直接内存读取)的PTN转发芯片，验证常规保护倒换方案与倒换操作优先执行方案的性能。保护倒换性能采用报文生成仪器，通过“丢包个数”/“恒定发包速率”方法间接计算获得。精确的保护倒换操作执行的时间，可通过读取系统采用CPU的高精度时钟的时间记录的差值获得。当采用主频1 GHz，总线频率为400 MHz的PPC系列的CPU，通过PCI-E 1X接口连接PTN转发芯片，故障检测采用PTN转发芯片(或FPGA)实现，实验系统的硬件连接架构参见图4。线性保护的基础切换操作可通过修改PTN转发芯片中的主备链路切换点实现。

图4 PTN设备系统架构

采用并行方式实现CCM的故障检测，为防止频繁上报中断，针对故障采用延迟一个CCM报文发送周期进行倒换的方式，保证通过一个中断将所有故障链路统一上报。CCM中断的上报时间在[2.5, 3.5]个CCM报文发送周期之内，在收到CCM超时消息之后，再延迟一个额外的CCM报文发送周期获得故障触发的所有链路故障信息，再触发中断上报CPU，便于进行并行切换处理。

故障检测均采用相同的硬件并行检测机制实现，按标准的3.5个CCM报文发送周期超时计算；故障通告采用相同的模拟并行实现方案，获得全部链路故障信息之后，统一上报。配置PTN转发芯片都采用相同的DMA方式，模拟并行操作实现。进行实验验证，在保护组对数N取值1、32、512、1 024情况下，得到的保护倒换性能见表3。

常规切换方案CCM故障检测时间为12 ms，倒换操作优先切换方案故障检测时间为14.8 ms；采用CPU的高精度时钟测试获得，故障通告耗时0.2 ms，常规方案运转一次状态机的耗时为0.1 ms左右，一个保护组倒换操作耗时0.4 ms，采用DMA方式批量修改PTN转发芯片N个硬件表项的耗时为2～3 ms。根据表3中测试结果分析，常规保护倒换方案的保护倒换性能仍与N相关，倒换优先方案的保护倒换性能近似为O(1)，N对线性保护组时的性能得到显著提高。

表3 保护组性能测试结果

5 电力通信网络中的应用实例

为验证PTN网络承载电力通信业务的保护性能，在某电网公司组建了承载集抄业务、办公自动化和视频监控业务的配网PTN综合通信试验网络，见图5。试验网络针对县域的配电网络，各乡镇的PTN设备直接接入OLT，OLT设备连接承载具体电力通信业务的低压接入网络[23]。OLT设备原通过SDH设备构造的环网，将电力通信业务汇聚到具体业务的服务器；采用前述方案实现线性保护的设备搭建的PTN网络可复用原有SDH网络的光纤资源，保护已有光纤通路的投资。试验主要测试确认，改用PTN设备承载电力通信业务后，原有的视频监控业务、集抄业务、办公自动化业务在通信链路故障或节点故障时的承载效果。

图5 配网PTN综合通信试验网络

PTN设备B-F均配置到PTN设备A的3个LSP1:1保护组，共有15个LSP1:1保护组；每个保护组均保护该站点与PTN设备A之间的双向通信业务，链路检测方式采用3.3 ms的CCM检测方式；该场景下PTN设备A与PTN设备B之间的链路承载了15个LSP1:1保护组的业务，测试该段链路发生故障时、PTN设备B节点故障时，对实际承载业务的影响。

在A-B链路故障时，线性保护组无缝切换到B-C-D-E-F-A链路，承载业务无感知；在B节点故障时，线性保护组无缝切换到C-D-E-F-A链路，除设备B接入的业务外，其他节点业务均无感知。使用测试仪表进行测试，确认链路故障和节点故障时，业务中断时间均在16 ms左右；PTN试验网络的时延抖动性能优异，满足所承载电力通信业务的性能要求。测试结果证明，基于LSP1:1保护的PTN业务具有与传统SDH连接相同的生存性，保护组的对数与保护组上承载的业务量对保护组的保护倒换性能的影响可基本忽略。

6 总结

信息通信平台为智能电网的实现提供了重要的支撑，要求具有组网灵活、高效率和高可靠性等特点。针对PTN网络线性保护特性，提出的倒换操作优先执行方案，通过理论分析和实验验证，N对线性保护组同时切换的保护倒换性能基本达到了O(1)的数量级，可提供更快的故障恢复能力、支持更多的保护组对数同时切换满足PTN网络50 ms的性能要求。在现有电力通信网络中的应用实例表明，采用该线性保护机制的设备组建的分组传送通信系统，较好的支持所承载电网业务的保护特性，可有效保证智能电网PTN通信系统的带宽和可靠性。

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PTN Linear Protection Mechanisms Research for Smart Grid

Xu Xiumin1, Liu Xin2，Cao Zhanfeng1, Yin Hongling1

(1.China Power Information Technology of Beijing, Beijing 100192, China; 2.State Grid Information & Telecommunication Group Co.Ltd.， Beijing 100031, China)

Power communication develop to IP-oriented direction, with the needs of information and digital in smart grid, which prompt PTN technology gradually been applied. G.8131 PTN linear protection technology defined by ITU-T can be used to protect the business carried by grid communication. Switching operation first scheme was proposed, based on study of the linear protection realization mechanism, to shorten the link failure recovery time of N groups of linear protection. Based on theoretical analysis and experimental verification, the performance of N groups of linear protection switching simultaneously is closely approximate to O(1)，which can satisfy the 50 ms failure recovery time of linear protection and be better guarantee the survivability of smart grid communication system.

smart grid;electricity communication system;PTN linear protection switching; 50 ms; switching operation first

2016-05-19；

2016-07-26。

徐秀敏(1986-)，女，硕士，工程师，黑龙江人，主要从事电力信息化、大数据方向的研究。

1671-4598(2016)12-0122-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.035

TP929.1

A