智能电网IP化的分组传送网（PTN）建设

摘要：作为智能电网“中枢神经”的通信网建设将面临IP化的挑战，本文将着重论述电力传输网从MSTP向PTN的平滑演进，从而实现智能电网建设中基于分组业务为主的多业务承载。 　　1. 智能电网背景 　　2009年5月21日，国家电网公司首次向社会公布了“智能电网”的发展计划，并初步披露了其三阶段建设时间表，并将于2020年全面建成统一的“坚强智能电网”。   图1 国家电网三阶段推进智能电网建设 　　智能电网就是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能化电网。涵盖所有电压等级，由发电、输电、变电、配电、用电、调度等环节有机组成。整个建设中，“统一”是前提，“坚强”是基础，“智能”是关键。最终实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，具有坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放和友好互动内涵的现代电网[4]。，图2为国家电网智能电网内涵。   图2 国家电网智能电网内涵 　　2. 电力网络通信系统的现状与智能电网需求分析 　　电力通信作为行业性的专用通信网，是随电力系统的发展需要而逐步形成和发展的。它主要用来缓解公网发展缓慢而造成的通信能力不足并填补公网难以满足一些电力部门特殊通信需求的矛盾，以保证电力专业化生产正常高效地进行。 　　当前，电力通信网是由光纤、微波及卫星电路构成主干线，各支路充分利用电力线载波、特种光缆等电力系统特有的通信方式，并采用明线、电缆、无线等多种通信手段及程控交换机、调度总机等设备组成的多用户、多功能的综合通信网。 　　从智能电网的通信支撑需求来看，电力传送网需求的主要特征是： 　　2.1 越来越高的宽带业务要求 　　要求电力通信不仅包括传统的业务，如：自动号、行政电话、调度电话、远动数据、热线电话、计算机MIS业务、数据、图象等，还需要各种多媒体宽带业务，如：高速上网、视频点播、专用数据网等等,所有这些宽带业务对通信网的带宽的要求也越来越大。 　　2.2 越来越高的调度网络传输要求 　　传统电力通信系统主要用于电力系统内部的信息交换，窄带和独立通信的TDM技术限制了网络的发展。作为基础平台，网络是电力系统信息技术应用的关键因素，并且已经成为电力系统信息化的主要组成部份。大多数电力生产信息、管理信息及调度信息均可通过电力通信及调度网络传输。并且，理想的网络基础设施不仅可以给电力生产和管理提供优势，而且可以为电力行业通过互联网业务来增加收入提供商机。因此，电力行业需要良好的通信网络。 　　2.3 严格的多业务QoS能力要求 　　电力通信的业务可划分为关键运行业务和事务管理业务两大类。关键运行业务包括远动信号、数据采集与监视控制系统、能量管理系统、继电保护信号和调度电话等,事务管理业务包括行政电话、会议电话和会议电视、管理信息数据等。不同的电力通信业务，要求也不同。关键运行业务信息量不大。但对通信的实时性、准确性和可靠性要求很高；事务管理性业务则是业务种类多、变化快、通信流量大。   图3 电力业务分类及相关采用技术 　　所以，面向坚强智能电网的电力传输网络一方面需要继承传统SDH/MSTP传输网络的电信级传输能力，另一方面也要具备电力业务日益IP化、宽带化的发展趋势。目前，智能电网在接入侧正在进行配网自动化、基于EPON的远程抄表以及电力智能小区建设，电力综合传送网需要面向电力智能化、IP化的传输网络建设。 　　3. 电力城域传送网的优化与演进 　　3.1 从MSTP到PTN的演进 　　作为传送技术与数据通信技术融合（某种意义上的妥协），MSTP传送技术及设备在传送网向分组传送（交换）方向前进了一步。MSTP中通过使用GFP封装、VC虚级联、LCAS（链路容量调整）等关键技术，对新业务提供延伸的接口。引入MSTP以后，对于现有的IP城域网和ATM网，MSTP可以为其提供接入和汇聚，扩大以太网业务与ATM业务的覆盖范围，确保各网络协调发展和相互配合，因而MSTP上通过数据接口功能的增加，实现了对现有数据业务的有效补充，保护了现有投资。 　　但是MSTP传送技术及设备也碰到一些制约因素（障碍）。首先，利用MSTP实现各类业务网在汇聚层和接入层的合网建设，必然会带来如何进行网络和业务管理等问题，因此在引入MSTP的同时，还要注意适当重组业务流程和网络管理流程，以适应业务综合和网络融合的趋势。其次是MSTP处理颗粒（接口速度）的不匹配：MSTP以2Mbit/s速率及其虚级链来转送以太网业务，就如同拿一把尺子来称苹果的重量一样不太合适。事实上，MSTP的内核是通过VC-12或者VC-4的交叉粒度来完成以太网的分组传送的。面向群路侧的处理对象是VC-4，不清楚也不能适应VC-4内包的传送。对于以太网而言，包长是变化的，流量是突发的。传统的SDH传送网对于基于分组化的业务和新的业务提供方式，存在着诸如业务指配处理复杂，带宽效率低，成本高，网络扩展性差等缺点。由于MSTP交换平台的核心结构为交叉式电路方式的时隙交换，所以MSTP不能有效利用分组业务的统计复用特性。 　　针对以上IP化演进需求，各大公司和相关科研机构，分别展开了很多的研究，并提出了各种解决方案。作为最终结果，PTN是业界经过多年的讨论后逐步得到认可的下一代传送平台，如图所示。   图4 电力城域传送网演进路线 　　作为一种主流的PTN技术方案，ITU-T在IETF的MPLS基础上，取其面向连接的子集，结合了传统SDH传输网络的OAM和保护等方面的特点，提出了T-MPLS的概念，并且完成了G.8110、G.8110.1、Y.1711、Y1720等建议,逐步对T-MPLS的数据平面、OAM和保护等功能进行标准化。此后，IETF与ITU-T成立了联合工作组，又在二者以前的工作基础上进行MPLS-TP的标准化定义工作。基于T-MPLS/MPLS-TP网络来实现端到端的伪线连接可以统一承载包括TDM、ATM、以太等多种业务，并且实现统一的业务管理和区分的QoS保障；同时又很好的实现了传送网络带宽资源的动态共享分配，极大的提高了链路带宽的利用率；T-MPLS/MPLS-TP网络还提供了有效的网络管理、维护和保护方案。 　　3.2 基于PTN的电信级以太网 　　基于T-MPLS/MPLS-TP PTN技术构建电力城域专网，能够真正实现电信级以太网（CE）定义的所有分组传送特征，包括： 　　– 业务隔离：真正实现专网间二层隔离，保证数据的安全性。 　　– 带宽保证：得到所付费用相应的保证带宽。 　　– 业务保护：继承SDH网络电信级理念，倒换时间保证小于50ms。 　　– 高效率：实现二层共享，同一个大客户所租用的带宽可以给集团内各分支机构共享。集团内部仍可以划分VLAN。并可以基于VLAN设置多生成树，提高分组业务带宽利用率。 　　– 与MPLS VPN结合，提供城域和广域专网的有机结合； 　　– 面向分组传送，提高数据处理能力。 　　3.3 PTN是MSTP网络升级的合理选择 　　全球范围内大部分现有的光传输网已经到了升级换代的时候，正在开始大规模的产品换代。PTN继承了MSTP的电信级传输精髓，能够实现所有MSTP网络的业务传送功能。作为下一代电信级多业务传送平台， PTN具备面向分组化传送优化的扩展能力，具备更高的时钟同步能力，具备更高的绿色环保能力:   图4 电力采用PTN建设的驱动力 　　因此，无论从电力系统面向智能电网的业务传送需求演进来看，还是从城域网技术面向IP化的演进来看，电力传送网络从MSTP向PTN演进都是必然的选择。需要指出的是，电力传输网的建设应该是一个平滑演进的过程：目前MSTP技术应用非常普及，所以作为一个新技术的PTN 还将在一段时间内和MSTP共存发展，PTN在初期可以作为MSTP互补应用来引入市场，发挥其分组业务的天然承载，支持时间同步等特点更好满足未来业务的需求，及时引入并布局PTN，直至PTN演进为电力城域传输建设的主要建设方案。 　　4. 电力传输对PTN网络的要求   图4 电力城域传送网典型组网图 　　以上是一个典型的基于PTN的电力传输网架构。与SDH网络模型类似，整个网络按照调度所-变电站-供电所分为核心层-汇聚层-接入层。根据电力系统综合业务承载需求，要求建设的PTN网络应支持TDM、ATM、以太等多种业务的综合承载，实现变电站、调度所、配电所、电力营业厅、智能抄表、电力智能大厦、电力智能小区等多种业务的接入；业务在网络中应采用通道/PW、路径/LSP的方式传送，以保证网络流量可规划，保证业务QoS、时延、抖动等指标。随着业务规模的扩大，路径、通道数量在不断增加，网络应保证所有的路径/通道保护倒换时间小于50ms，同时要求PTN网络应能实现频率、时间同步功能，满足基站同步需求。最后，从网络管理角度，电力PTN网络应采用电信级网管TMN实现图形界面方式管理，提高运维效率，降低运维技术门槛，网管应实现网络拓扑、业务端到端配置/查询、端到端路径/通道的告警和性能监控/管理。 　　具体地，调度所的传送设备业务能力要求包括： 　　– PTN设备的交换容量应满足电力系统传输工程和建设要求； 　　– PTN设备的包转发率在最小帧长（64B）时根据设备交换容量满足电力系统传输工程和建设要求； 　　– PTN设备应支持很强的组网能力，支持各种拓扑组网能力：支持环形、环带链、环相交、环相切、MESH组网能力； 　　– PTN设备应支持10GE、GE规模组网能力。 　　变电站设备业务能力要求包括： 　　– PTN设备的交换容量应满足电力系统传输工程和建设要求； 　　– PTN设备应支持很强的组网能力，支持各种拓扑组网能力：支持环形、环带链、环相交、环相切、MESH组网能力； 　　– PTN设备应支持10GE、GE规模组网能力； 　　– PTN设备应支持E1落地能力； 　　– PTN设备应支持电源、交叉、主控、时钟单元1＋1热备份，满足设备可靠性要求。 　　供电所设备业务能力要求包括： 　　– PTN设备的交换容量应满足电力系统传输工程和建设要求； 　　– PTN设备应支持很强的组网能力，支持各种拓扑组网能力：支持环形、环带链、环相交、环相切、MESH组网能力； 　　– PTN设备应支持GE组网能力； 　　– PTN设备板卡应该采用热插拔方式，包括主/子板卡、电源、风扇； 　　– PTN设备应支持FE业务，应支持E1业务，应支持不同业务处理板混插，提高插槽的通用性和灵活性等等。 　　5. UT斯达康电力PTN解决方案 　　在传输技术的发展过程中，UT斯达康作为最早涉足PTN系统产品市场化的宽带和传输解决方案专家，对传输网络建设有着深刻的理解，并凭借专业的解决方案规划设计能力，在系列化产品支撑基础上推出了全面的电力传输解决方案，实现了语音、数据、视频、CATV、基站等多业务承载。UT斯达康的PTN在全球得到了广泛应用。 　　针对智能电网IP化趋势，UT斯达康在全面考虑业务多样、安全可靠、灵活组网、管理维护、成本控制等诸多因素前提下，为电力量身打造了基于PTN技术的电力分组传送解决方案，实现了电力传送由SDH、MSTP向PTN技术的融合演进。NetRing TN系列设备提供对电力以太业务、E1业务、STM-1 TDM与ATM业务的统一承载，实现高性价比的面向智能电网IP化的分组传送网。在整个解决方案中，TN703/TN705可用于电力城域传送网的接入层，TN705/TN725可用于电力城域传送网的汇聚层，TN725/TN735可用于电力城域传送网的核心层。 　　UT斯达康TN系列PTN设备早于2009年在山东的德州电力、枣庄电力得到了规模应用，近万端PTN设备的现网运行经验将有助于电力城域网建设演进，根植于中国的UT斯达康非常希望能在智能电网建设中贡献自己的一份绵薄之力。 　　6. 总结 　　作为承载电网关键运行业务、事物管理业务以及面向未来智能化演进的数据业务等智能电网整体架构的基础和核心之一，电力城域传送网的建设正在成为整个智能电网建设工作的一个重点。需要特别指出的是，从网络和业务演示来看，在调度中心到各变电站、各变电站到供电所必定会存在较大的城域汇聚层，更适合采用基于PTN的下一代城域传送网来实现智能电网业务的承载，以实现电网通信系统建设与智能电网的同步发展，为智能电网的安全、稳定、经济运行提供面向未来的通信基础平台。