智能電網(wǎng)的PTN線性保護機制研究

徐秀敏, 劉 欣，曹占峰，尹洪苓

(1.北京中電普華信息技術有限公司，北京 100192; 2.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司，北京 100031)

智能電網(wǎng)的PTN線性保護機制研究

徐秀敏1, 劉 欣2，曹占峰1，尹洪苓1

(1.北京中電普華信息技術有限公司，北京 100192; 2.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司，北京 100031)

智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化的發(fā)展需求，促使電力通信向IP化的方向發(fā)展，使得適合IP業(yè)務的分組傳送網(wǎng)絡技術PTN逐步得到了應用；ITU-T定義的G.8131 PTN線性保護技術可用來保護電網(wǎng)通信業(yè)務；為縮短鏈路故障時N對線性保護同時切換的業(yè)務恢復時間，對線性保護實現(xiàn)機制進行研究，提出了倒換操作優(yōu)先執(zhí)行的方案；通過理論分析和實驗驗證，鏈路故障時N對保護組同時倒換的性能近似O(1)，較好地滿足了線性保護50 ms故障恢復性能，可更好的保障智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)的生存性。

智能電網(wǎng)；電力通信系統(tǒng)；PTN線性保護；50 ms；倒換操作優(yōu)先執(zhí)行

0 引言

智能電網(wǎng)的 “信息化、數(shù)字化、自動化、互動化” 特征，促使電力信息通信業(yè)務朝著IP化、寬帶化、業(yè)務多元化的方向發(fā)展[1-3]。為滿足管理信息業(yè)務的高帶寬需求，山東、江蘇、河北等地已試點采用適合IP業(yè)務的分組傳送網(wǎng)絡技術PTN建設智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信傳輸網(wǎng)[4-5]。使用PTN承載全部電力通信業(yè)務，在可行性、生存性、安全性、標準化等方面需進一步研究和論證，探討PTN網(wǎng)絡的保護倒換機制，提高PTN網(wǎng)絡的故障恢復與業(yè)務保護能力，使其達到與SDH網(wǎng)絡一致的生存性能力具有必要性。PTN網(wǎng)絡的保護倒換機制分為：線性保護倒換和環(huán)網(wǎng)保護倒換兩種。環(huán)網(wǎng)保護倒換草案眾多，目前未形成統(tǒng)一標準。因線性保護倒換具有簡單、易操作、便于網(wǎng)管等優(yōu)點，標準化進程較快，在PTN網(wǎng)絡中應用較為廣泛。

ITU要求SDH網(wǎng)絡保護組在50 ms內(nèi)完成承載業(yè)務的切換[6]，同時切換滿足的50 ms性能的線性保護對數(shù)N直接對應著設備的通信保障能力。電網(wǎng)通信系統(tǒng)對通信可靠性要求更高，更需要保證N對保護組同時切換滿足小于50 ms的業(yè)務恢復時間。為提高PTN網(wǎng)絡的可靠性，ITU-T針對PTN線性保護定義了G.8131標準，通過在備用鏈路上預留資源實現(xiàn)主用鏈路故障時的業(yè)務快速切換，方便網(wǎng)絡管理者高效快捷地管理網(wǎng)絡。

G.8131未對N對保護組如何實現(xiàn)50 ms切換作出說明和建議，已發(fā)表文獻中也未有相關的分析，文章就N對保護組如何實現(xiàn)小于50 ms的快速保護切換展開研究。針對響應鏈路故障的進行保護切換的場景，將G.8131狀態(tài)機的簡化，提出了倒換操作優(yōu)先執(zhí)行線性保護切換方案，以期在滿足50 ms可靠性要求的前提下擴大保護組個數(shù)N的規(guī)格，提高PTN設備的線性保護能力，使電力通信PTN網(wǎng)絡具有更快速的業(yè)務保護與故障恢復能力，增強智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 智能電網(wǎng)PTN通信系統(tǒng)與線性保護

1.1 電網(wǎng)PTN通信系統(tǒng)

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，大顆粒IP業(yè)務在電力通信業(yè)務中的比重逐步加大，業(yè)務傳輸所需的帶寬將迅速增長。智能電網(wǎng)融合了電力技術、自動化技術以及信息通信技術，具有高效率、高生存性、可靈活組網(wǎng)特點的通信系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的必要支撐。電力通信網(wǎng)承載的電網(wǎng)調(diào)度自動化、配電自動化、集抄業(yè)務和辦公自動化等業(yè)務，對通信的可靠性、保護控制信息傳送的快速性和準確性具有極嚴格的要求，是保證智能電網(wǎng)的安全高效穩(wěn)定運行的基礎[7-9]。

PTN技術在繼承了SDH良好網(wǎng)絡擴展性、豐富操作維護能力(OAM)、快速的保護倒換機制、利用網(wǎng)管系統(tǒng)可視化建立網(wǎng)絡連接等優(yōu)點的同時，還具有如下適應IP數(shù)據(jù)業(yè)務的特性：分組交換、帶寬統(tǒng)計復用、采用面向連接的標簽交換、區(qū)分服務的QoS機制、靈活動態(tài)的控制面等，相較SDH網(wǎng)絡PTN網(wǎng)絡在傳輸IP數(shù)據(jù)業(yè)務效率更高。PTN網(wǎng)絡提供了設備級、業(yè)務級、網(wǎng)絡級全方位的保護，保證接入的語音、數(shù)據(jù)、視頻等各類業(yè)務獨立高質(zhì)量傳送[10]。

電力調(diào)度網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、信息內(nèi)外網(wǎng)、智能電網(wǎng)等電力通信業(yè)務，需依賴獨立、安全、堅強的傳輸平臺，以保障電網(wǎng)電力保護、自動化、信息等各領域的安全穩(wěn)定運行[7-11]。目前智能電網(wǎng)主要采用SDH/MSTP承載管理大區(qū)和生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務，可靠性、安全性、標準化程度均得到驗證和確認。PTN技術標準化尚未完成，在承載電網(wǎng)生產(chǎn)控制業(yè)務的時延和可靠性上、承載電力各安全分區(qū)業(yè)務的隔離效果上待研究和確認。在試點采用PTN組建的電力通信傳輸網(wǎng)的電力公司，僅采用PTN承載了信息內(nèi)網(wǎng)、視頻會議、圖像監(jiān)控、行政電話等管理大區(qū)業(yè)務，生產(chǎn)控制大區(qū)業(yè)務仍采用SDH網(wǎng)絡進行承載[5,7,9,11-17]。隨著電力通信系統(tǒng)中IP數(shù)據(jù)業(yè)務迅速增加，探討PTN在電力通信網(wǎng)應用中的可靠性技術問題是必要和有意義的。

1.2 線性保護技術

線性保護是一種專用的端到端保護結(jié)構(gòu)，可用于環(huán)網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)等網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，以保護可靠性要求較高的通信業(yè)務。在線性保護切換機制中，對工作資源都預先分配好固定的備用路徑和可保證的帶寬資源，在工作實體發(fā)生故障時，通過切換到備用實體實現(xiàn)業(yè)務快速自愈。G.8131定義的保護技術簡單快速，以一種可預測的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡資源切換，更易于在網(wǎng)絡的管理層面有效地規(guī)劃網(wǎng)絡和獲取網(wǎng)絡的活動狀態(tài)，實現(xiàn)高效穩(wěn)定可靠的運營。G.8131給出了線性保護的狀態(tài)機定義和實現(xiàn)邏輯，定義了1+1和1:1兩種保護方式，1+1保護方式采用雙發(fā)選優(yōu)收的保護機制，1:1保護方式采用選擇合適的保護或工作鏈路傳輸?shù)臋C制，業(yè)務的雙向切換采用APS(Automatic Protection Switching，自動保護倒換)協(xié)議進行保證[6,18]。

線性保護的具體應用場景見圖1，主用鏈路和備用鏈路均包含一臺或多臺網(wǎng)絡中間設備，也可以是跨越一個獨立的網(wǎng)絡，在設備 A和設備 B之間建立線性保護組以保護兩端的通信業(yè)務；主用鏈路的鏈路質(zhì)量優(yōu)于備用鏈路，業(yè)務正常情況下在主用鏈路上傳輸，主用鏈路發(fā)生故障后業(yè)務迅速切換至備用鏈路進行傳輸，以提高網(wǎng)絡的可靠性。1:1保護默認選擇主用鏈路進行業(yè)務發(fā)送和接收，1+1保護在主用和備用鏈路上都進行業(yè)務發(fā)送，默認選擇主用鏈路進行業(yè)務的接收；采用CCM(連續(xù)性檢測消息)報文來進行主用和備用鏈路狀態(tài)的檢查，協(xié)商兩端狀態(tài)的APS協(xié)議固定在備用鏈路上進行傳輸。CCM可進行全鏈路的故障檢測，可支持3.3 ms、10 ms、100 ms、1 s、10 s、1 min、10 min 7種 CCM報文發(fā)送周期，各發(fā)送周期對應著不同的應用領域；在實際使用時，為保證線性保護50 ms的切換性能，要求使用3.3 ms間隔的CCM報文進行鏈路狀態(tài)的檢測[19-20]。

PTN網(wǎng)絡對保護倒換的性能要求為，N對保護組在50 ms內(nèi)完成業(yè)務的保護倒換[21]。根據(jù)工信部的《分組傳送網(wǎng)(PTN)設備測試方法》[22]，在CCM檢測報文的周期為3.3 ms時，所有被保護業(yè)務的保護倒換時間均小于50 ms，接入層設備要求滿足32對保護組同時切換的性能為50 ms、匯聚層設備要求512對保護組同時切換的性能為50 ms，核心層設備要求1 024對保護組同時切換滿足50 ms。PTN網(wǎng)絡的接入、匯聚、核心層網(wǎng)絡分別對應電力接入網(wǎng)、城配網(wǎng)、核心網(wǎng)。電力通信網(wǎng)絡作為可靠性和安全性要求更高的網(wǎng)絡，需達到更高的保護倒換性能——單對保護倒換更快，支持更多對數(shù)的保護組在50 ms內(nèi)同時完成保護倒換。G.8131未對N對保護組如何滿足50 ms的保護切換性能進行闡述，公開發(fā)表的文獻中也未有對該專題的研究，故研究快速的保護倒換機制具有重要意義。

圖1 PTN線性保護典型應用場景

2 線性保護倒換操作優(yōu)先執(zhí)行機制

對保護倒換的處理流程進行闡述，并采用軟硬件協(xié)同設計的思想對功能實現(xiàn)方式進行劃分，得到常規(guī)保護倒換實現(xiàn)流程。通過優(yōu)化保護切換流程和簡化線性保護狀態(tài)機，得到了倒換操作優(yōu)先執(zhí)行的切換方案，在保證切換操作正確性的前提下，縮短單對保護組切換耗時、優(yōu)化N對保護組同時切換的性能。

2.1 常規(guī)線性保護倒換處理流程

線性保護倒換處理流程見圖2，根據(jù)軟硬件協(xié)同處理的思想分為硬件處理邏輯和軟件處理邏輯兩部分，硬件處理邏輯包括故障檢測硬件和PTN轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)硬件，軟件處理邏輯包括故障接收處理/線性保護狀態(tài)機處理/保護倒換決策執(zhí)行。故障檢測硬件模塊監(jiān)控和檢測鏈路狀態(tài)，檢測到故障后以中斷的方式通知故障接收處理模塊，將收到的故障消息進行轉(zhuǎn)化和整理告知到線性保護狀態(tài)機處理模塊，根據(jù)保護組狀態(tài)和收到的故障消息運轉(zhuǎn)狀態(tài)機產(chǎn)生倒換決策，保護倒換決策執(zhí)行模塊將倒換決策轉(zhuǎn)化為具體的硬件配置，并配置到實現(xiàn)PTN轉(zhuǎn)發(fā)功能的硬件中完成保護倒換。采用支持并行檢測機制的PTN芯片，模塊1故障檢測硬件檢測N條鏈路的耗時基本恒定，為G.8113標準定義的3.5倍的CCM報文發(fā)送周期，則需優(yōu)化2/3/4/54個模塊的處理流程，以提高保護倒換的性能。

圖2 線性保護常規(guī)倒換處理流程

模塊3需實現(xiàn)的基本功能有：根據(jù)輸入運轉(zhuǎn)狀態(tài)機得到倒換決策、將倒換決策告知模塊4、收發(fā)交互APS報文、在狀態(tài)變化時以3.3 ms的間隔連發(fā)3個APS報文、上報狀態(tài)變化和倒換狀態(tài)的告警等[19]。模塊3中在狀態(tài)變化時連續(xù)發(fā)送3個APS報文耗時10 ms，上報保護倒換的告警也需要ms級別的耗時；為優(yōu)化保護倒換的性能，新建一個低優(yōu)先級任務采用異步的方式進行實現(xiàn)發(fā)送APS和上報告警。在模塊5中，通常有兩種實現(xiàn)PTN保護倒換操作的方法。方法一，針對被保護的業(yè)務僅預先建立好主用通路，在發(fā)生路徑切換時，刪除主用通路，建立備用通路；方法二，預先建立好主備用通路，在發(fā)生路徑切換時，直接將業(yè)務切換到備用路徑。方法一，刪除再重建通路耗時較長，在快速倒換時通常不使用該方法。方法二，主備用路徑都預先建立好，切換時僅需將業(yè)務連接到備用鏈路上承載即可，切換操作簡潔快速。目前PTN設備中方法二較為常用，在PTN轉(zhuǎn)發(fā)芯片中預先建立好轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務所需的主用鏈路和備用鏈路對應的硬件表項，采用修改切換點的方法選擇主用或備用通道。

2.2 倒換操作優(yōu)先執(zhí)行方案

在常規(guī)倒換方案中，模塊3采用異步的線性保護任務實現(xiàn)，通過實驗測試實時嵌入式操作系統(tǒng)任務切換的耗時在0.2～0.4 ms之間，串行保護組超200余對時成為50 ms性能需求的重要瓶頸。從保護倒換性能優(yōu)化的角度出發(fā)，模塊3的根本作用為運轉(zhuǎn)狀態(tài)機獲得倒換決策并通知模塊4；因線性保護的實現(xiàn)需遵從G.8131的標準，模塊3的各個基本功能必須存在；G.8131定義的狀態(tài)機有16個狀態(tài)，30種輸入，狀態(tài)機實現(xiàn)較為復雜；考慮在處理流程中將模塊3“短路”的方法，模塊3不參與快速保護倒換的流程，只作為異步的線性保護狀態(tài)正確性保證手段，并負責與對端設備按照G.8131標準進行互通，保護倒換的處理流程的模塊2和模塊4都在同一任務中完成。

模塊2檢測到故障消息后，直接通知到模塊4，并通過消息隊列將故障信息異步告知模塊3。在模塊4“倒換決策執(zhí)行模塊”中，增加根據(jù)本地上報的鏈路故障信息迅速做出正確切換動作的邏輯，可根據(jù)收到的故障消息獨立做出倒換決策。模塊4執(zhí)行完成倒換操作后，收到模塊3通過接口C重復下發(fā)的倒換決策，不再重復切換。相較常規(guī)倒換方案，增加了接口E，用于模塊2收到故障消息后通知模塊4；接口B也更改為消息發(fā)送方式。保護倒換操作的優(yōu)先執(zhí)行方案見圖3。

圖3 保護倒換操作優(yōu)先執(zhí)行方案流程

因保護倒換的性能主要關注于鏈路故障時的業(yè)務恢復性能，G.8131和G.8031協(xié)議中響應P_F(備用鏈路故障)、W_F(主用鏈路故障)的狀態(tài)機見表1。通過狀態(tài)合并，將狀態(tài)NR-W/NR-P/FS/MS/WTR合并為優(yōu)先切換使能，將LO和SF-P狀態(tài)合并為優(yōu)先切換禁止，退出該狀態(tài)作為切換使能，得到實現(xiàn)優(yōu)先切換邏輯的狀態(tài)機見表2。倒換操作優(yōu)先執(zhí)行方案的核心為，在模塊4中增加了根據(jù)鏈路故障狀態(tài)做出倒換決策的優(yōu)先切換狀態(tài)機，可以通過響應鏈路故障中斷，根據(jù)快速切換狀態(tài)機得到倒換決策，同時也響應模塊3根據(jù)完整狀態(tài)機得到的倒換決策。在倒換操作優(yōu)先執(zhí)行中，模塊3還負責向模塊4發(fā)送優(yōu)先切換使能和優(yōu)先切換禁止邏輯。

表1 協(xié)議中響應鏈路故障的狀態(tài)機

表2 簡化倒換決策狀態(tài)機

3 N對線性保護優(yōu)先倒換方案

同時切換滿足50 ms性能的保護組對數(shù)對應著PTN設備的保護能力，影響著PTN網(wǎng)絡的可靠性和生存性。電力通信網(wǎng)絡中PTN設備對業(yè)務可靠性要求更高，需優(yōu)化PTN保護倒換的性能、提高同時切換滿足50 ms的保護組對數(shù)N的規(guī)格。就N對保護組同時切換的性能進行分析，針對常規(guī)方案和倒換操作優(yōu)先方案分別進行理論論證。依據(jù)得到的保護倒換處理流程，分模塊分析N對保護組同時倒換的耗時，在同一任務中進行的模塊間消息收發(fā)的耗時忽略。定義保護倒換各個階段的耗時如下：

保護組采用CCM故障檢測耗時[19]：T1=3.3ms*3.5=11.6 ms；

鏈路故障處理耗時：T2；

運轉(zhuǎn)狀態(tài)機得到倒換決策耗時：T3；

倒換決策執(zhí)行+PTN轉(zhuǎn)發(fā)芯片設置耗時：T4。

3.1 N對線性保護理想并行切換方案

N對保護組同時發(fā)生保護倒換，傳統(tǒng)的處理方法是N對保護組串行執(zhí)行保護倒換操作。如果一對保護組的耗時為O(1)，則N對保護組的耗時為O(N)。在N較大時，該機制難以實現(xiàn)N對保護組同時倒換滿足50 ms性能要求。N對保護組的同時切換的性能O(N)與N有直接關系，理想的優(yōu)化結(jié)果是排除N的影響，N對保護組同時切換的性能與1對保護組的性能都為O(1)。串行倒換的方法較難實現(xiàn)N對保護組同時倒換滿足50 ms，考慮將串行操作改為并行處理保護倒換的思想。模塊1到模塊5均引入并行處理實現(xiàn)，具體功能描述如下。

模塊1：故障檢測硬件模塊，支持并行故障檢測能力，上報一次中斷，可將所有故障鏈路均告知CPU；

模塊2：故障接收處理模塊，可批量處理收到的故障消息，并將所有鏈路故障通過并行接口一次通知到模塊3；

模塊3：線性保護狀態(tài)機處理模塊，可批量處理收到所有鏈路故障消息，并行運轉(zhuǎn)狀態(tài)機，并下發(fā)一個包含所有保護對倒換策略的倒換接口；

模塊4：倒換決策執(zhí)行模塊，收到并行倒換接口，轉(zhuǎn)換成具體保護表項的倒換配置，采用DMA的接口一次完成所有保護表項的配置；

模塊5：PTN轉(zhuǎn)發(fā)硬件模塊，支持保護組的并行配置，可支持DMA讀寫的方式，批量讀取和配置保護組表項；

采用并行處理機制，實現(xiàn)N對APS保護50 ms保護倒換性能的要求的難度降低，根據(jù)下面的等式，T2_并行 +T3_并行 +T4_并行滿足38.4 ms即可，從根本上消除了N的限制，達到了近似O(1)的數(shù)量級。因模塊3線性保護的狀態(tài)機處理邏輯較為復雜，單核CPU無法實現(xiàn)N對保護的并行處理。

50 ms =T1+T2_并行 +T3_并行 +T4_并行

3.2 N對線性保護并行實施方案

在單CPU的處理系統(tǒng)中，難以實現(xiàn)真正的并行，常規(guī)采用串行并行化的處理方式實現(xiàn)并行執(zhí)行。各模塊的內(nèi)部通過采用具體的實現(xiàn)方法，達到近似并行的效果；模塊間的消息收發(fā)仍為串行實現(xiàn)。

3.2.1 常規(guī)方案并行切換

按照G.8131協(xié)議實現(xiàn)標準狀態(tài)機的常規(guī)保護倒換方案，引入并行的處理機制之后，可以在模塊2的故障處理中，一次將所有的故障均上報完全，耗時T2_并行；單CPU實現(xiàn)的T3只能采用串行的實現(xiàn)方法，N個保護組共運轉(zhuǎn)N次狀態(tài)機；T4配置硬件的操作可以考慮采用DMA的方式，批量配置硬件標量，實現(xiàn)硬件操作的模擬并行。在滿足50 ms性能要求的前提下，支持同時切換滿足50 ms的保護組對數(shù)為N，得到下面的等式：

50 ms =T1+T2_并行 +N*T3+T4_并行

進行逆向分析，如果要實現(xiàn)N對APS滿足50 ms保護倒換性能，不考慮鏈路故障處理耗時T2_并行和配置轉(zhuǎn)發(fā)芯片耗時T4_并行(該時間在實際應用中不能忽略)，在N取值512時，T3最大為0.037 5 ms，即運轉(zhuǎn)狀態(tài)機得到倒換決策并下發(fā)時間要求小于0.037 5 ms，對CPU處理能力的要求較高。

3.2.2 優(yōu)先倒換方案并行切換

倒換操作優(yōu)先的方案，在響應鏈路故障的處理過程中，省去了運轉(zhuǎn)復雜狀態(tài)機和任務切換的耗時。為實現(xiàn)N對保護組同時倒換滿足50 ms，對倒換操作優(yōu)先方案進行分析論證。

本方案在快速倒換流程中關注保護倒換性能，在模塊4中通過倒換操作優(yōu)先狀態(tài)機即可得到倒換決策；模塊3中復雜的狀態(tài)機異步實現(xiàn)，用來滿足G.8131協(xié)議的要求和鏈路閃斷時的最終狀態(tài)正確性保證手段。模塊1、模塊2通過軟件方法，實現(xiàn)鏈路狀態(tài)并行檢測的能力；模塊4實現(xiàn)了倒換操作優(yōu)先執(zhí)行的狀態(tài)機，內(nèi)部還是串行運轉(zhuǎn)得到每個保護組的倒換決策，運轉(zhuǎn)狀態(tài)機的耗時可以忽略，修改PTN轉(zhuǎn)發(fā)芯片的表項通過DMA批量修改的方式實現(xiàn)并行化。如此實現(xiàn)N對APS保護50 ms保護倒換性能的要求難度降低，基本解除了與N的直接關聯(lián)關系，達到近似O(1)的效果。T2_并行+T4_優(yōu)先切換滿足38.4 ms即可，采用倒換操作優(yōu)先執(zhí)行方案，可較容易滿足該要求。

50 ms =T1+T2_并行+T4_優(yōu)先切換

4 實驗驗證

選擇1:1保護組進行保護倒換性能的實驗驗證。因1:1保護的機制為選擇一條鏈路，進行被保護業(yè)務的收發(fā)，在備用鏈路不承載背景業(yè)務的情況下，可只關心發(fā)送方向上的業(yè)務切換，采用支持批量修改保護組相關表項的支持DMA(直接內(nèi)存讀取)的PTN轉(zhuǎn)發(fā)芯片，驗證常規(guī)保護倒換方案與倒換操作優(yōu)先執(zhí)行方案的性能。保護倒換性能采用報文生成儀器，通過“丟包個數(shù)”/“恒定發(fā)包速率”方法間接計算獲得。精確的保護倒換操作執(zhí)行的時間，可通過讀取系統(tǒng)采用CPU的高精度時鐘的時間記錄的差值獲得。當采用主頻1 GHz，總線頻率為400 MHz的PPC系列的CPU，通過PCI-E 1X接口連接PTN轉(zhuǎn)發(fā)芯片，故障檢測采用PTN轉(zhuǎn)發(fā)芯片(或FPGA)實現(xiàn)，實驗系統(tǒng)的硬件連接架構(gòu)參見圖4。線性保護的基礎切換操作可通過修改PTN轉(zhuǎn)發(fā)芯片中的主備鏈路切換點實現(xiàn)。

圖4 PTN設備系統(tǒng)架構(gòu)

采用并行方式實現(xiàn)CCM的故障檢測，為防止頻繁上報中斷，針對故障采用延遲一個CCM報文發(fā)送周期進行倒換的方式，保證通過一個中斷將所有故障鏈路統(tǒng)一上報。CCM中斷的上報時間在[2.5, 3.5]個CCM報文發(fā)送周期之內(nèi)，在收到CCM超時消息之后，再延遲一個額外的CCM報文發(fā)送周期獲得故障觸發(fā)的所有鏈路故障信息，再觸發(fā)中斷上報CPU，便于進行并行切換處理。

故障檢測均采用相同的硬件并行檢測機制實現(xiàn)，按標準的3.5個CCM報文發(fā)送周期超時計算；故障通告采用相同的模擬并行實現(xiàn)方案，獲得全部鏈路故障信息之后，統(tǒng)一上報。配置PTN轉(zhuǎn)發(fā)芯片都采用相同的DMA方式，模擬并行操作實現(xiàn)。進行實驗驗證，在保護組對數(shù)N取值1、32、512、1 024情況下，得到的保護倒換性能見表3。

常規(guī)切換方案CCM故障檢測時間為12 ms，倒換操作優(yōu)先切換方案故障檢測時間為14.8 ms；采用CPU的高精度時鐘測試獲得，故障通告耗時0.2 ms，常規(guī)方案運轉(zhuǎn)一次狀態(tài)機的耗時為0.1 ms左右，一個保護組倒換操作耗時0.4 ms，采用DMA方式批量修改PTN轉(zhuǎn)發(fā)芯片N個硬件表項的耗時為2～3 ms。根據(jù)表3中測試結(jié)果分析，常規(guī)保護倒換方案的保護倒換性能仍與N相關，倒換優(yōu)先方案的保護倒換性能近似為O(1)，N對線性保護組時的性能得到顯著提高。

表3 保護組性能測試結(jié)果

5 電力通信網(wǎng)絡中的應用實例

為驗證PTN網(wǎng)絡承載電力通信業(yè)務的保護性能，在某電網(wǎng)公司組建了承載集抄業(yè)務、辦公自動化和視頻監(jiān)控業(yè)務的配網(wǎng)PTN綜合通信試驗網(wǎng)絡，見圖5。試驗網(wǎng)絡針對縣域的配電網(wǎng)絡，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的PTN設備直接接入OLT，OLT設備連接承載具體電力通信業(yè)務的低壓接入網(wǎng)絡[23]。OLT設備原通過SDH設備構(gòu)造的環(huán)網(wǎng)，將電力通信業(yè)務匯聚到具體業(yè)務的服務器；采用前述方案實現(xiàn)線性保護的設備搭建的PTN網(wǎng)絡可復用原有SDH網(wǎng)絡的光纖資源，保護已有光纖通路的投資。試驗主要測試確認，改用PTN設備承載電力通信業(yè)務后，原有的視頻監(jiān)控業(yè)務、集抄業(yè)務、辦公自動化業(yè)務在通信鏈路故障或節(jié)點故障時的承載效果。

圖5 配網(wǎng)PTN綜合通信試驗網(wǎng)絡

PTN設備B-F均配置到PTN設備A的3個LSP1:1保護組，共有15個LSP1:1保護組；每個保護組均保護該站點與PTN設備A之間的雙向通信業(yè)務，鏈路檢測方式采用3.3 ms的CCM檢測方式；該場景下PTN設備A與PTN設備B之間的鏈路承載了15個LSP1:1保護組的業(yè)務，測試該段鏈路發(fā)生故障時、PTN設備B節(jié)點故障時，對實際承載業(yè)務的影響。

在A-B鏈路故障時，線性保護組無縫切換到B-C-D-E-F-A鏈路，承載業(yè)務無感知；在B節(jié)點故障時，線性保護組無縫切換到C-D-E-F-A鏈路，除設備B接入的業(yè)務外，其他節(jié)點業(yè)務均無感知。使用測試儀表進行測試，確認鏈路故障和節(jié)點故障時，業(yè)務中斷時間均在16 ms左右；PTN試驗網(wǎng)絡的時延抖動性能優(yōu)異，滿足所承載電力通信業(yè)務的性能要求。測試結(jié)果證明，基于LSP1:1保護的PTN業(yè)務具有與傳統(tǒng)SDH連接相同的生存性，保護組的對數(shù)與保護組上承載的業(yè)務量對保護組的保護倒換性能的影響可基本忽略。

6 總結(jié)

信息通信平臺為智能電網(wǎng)的實現(xiàn)提供了重要的支撐，要求具有組網(wǎng)靈活、高效率和高可靠性等特點。針對PTN網(wǎng)絡線性保護特性，提出的倒換操作優(yōu)先執(zhí)行方案，通過理論分析和實驗驗證，N對線性保護組同時切換的保護倒換性能基本達到了O(1)的數(shù)量級，可提供更快的故障恢復能力、支持更多的保護組對數(shù)同時切換滿足PTN網(wǎng)絡50 ms的性能要求。在現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡中的應用實例表明，采用該線性保護機制的設備組建的分組傳送通信系統(tǒng)，較好的支持所承載電網(wǎng)業(yè)務的保護特性，可有效保證智能電網(wǎng)PTN通信系統(tǒng)的帶寬和可靠性。

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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，碩士，工程師，黑龍江人，主要從事電力信息化、大數(shù)據(jù)方向的研究。

1671-4598(2016)12-0122-05

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

TP929.1

A