區域電網PTN組網方案研究

鄭運召　張義　翟浩沖　李鶴　孔曉民

摘要：基于區域電網業務需求，考慮電力通信系統的現狀和發展規劃，提出了基于電力PTN網絡的環型組網方案和星型組網方案，分析了環型組網方案和星型組網方案的優缺點。電力PTN網絡可以實現不同業務類別在網絡上的虛通路端到端安全傳送，并能夠在設備端口上提供平衡，為區域保護業務的承載提供通信保障。

關鍵詞：PTN 環形組網 星型組網

中圖分類號：TN915.853 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0102-02

1 引言

智能電網的建設目標使得傳統電力業務朝著全網信息數字化、通信平臺網絡化，信息共享標準化，應用功能互動化，運維檢修高效化等特征發展，從而實現能量智能調節，設備可控在控，信息共享互動，服務便捷優質。

變電站內數據及報文方式均遵循IEC61850標準，并基于此進行IP化傳送，因此通信系統必須面向IP優化傳送，同時能夠對關鍵報文信息進行全程跟蹤。也就是說，保護范疇區域化和一體化智能控制對通信設備提出“自動化”特征的功能需求，通信網絡建設需要基于業務應用需求而建，考慮到電力通信系統的現狀和發展規劃，提出了基于電力PTN網絡的通信方案。

2 需求分析

2.1 業務數據分析

智能電網保護對常見業務SV、GOOSE、MMS等的安全性、可靠性要求：1）SV要求傳送時延相對固定，抖動小于10微秒，即具有同步性；2）GOOSE下行的控制命令要求傳送具有絕對的可靠性，傳送過程“零丟包”；3）傳輸時延固定可調，不但保證信息傳送的實時性還可實現“硬同步”，達到對每個信息的傳送“精確可控”；4）優化“非IP化承載”技術達到物理隔離等級的安全性。

每個站點數據流明細如表1所示。總流量約210Mbps。

2.2 區域電網組網原則

為各變電站傳送信息到調度中心提供可靠的網絡通道，區域電網組網應滿足以下原則：

（1）關鍵業務數據不中斷：網絡設計考慮關鍵設備和關鍵鏈路的冗余；網絡具有電信級故障自愈能力。

（2）業務系統隔離和互訪：實現業務系統安全隔離和受控互訪；實現業務系統內部細分子系統的相互隔離；抵御來自外界的威脅與攻擊；終端合法接入業務系統。

（3）關鍵業務系統（WAMS）的QOS保證：端到端的QOS部署需要整網規劃和設計；需要業務的服務質量分級策略。

（4）降低管理和維護成本：實現對網絡流量的精細化統計和分析，減小網絡故障風險，為網絡優化提供科學的量化依據；面向IP優化，適應IP業務的突發特性，提供彈性的帶寬通道，更加的經濟效益和傳送效果；實現安全接入、告警協調聯動。

（5）流量優化：根據網絡的流量和流向合理配置電路及其帶寬。網絡流量分布均勻，各電路帶寬得到較充分的利用，不存在帶寬瓶頸。適度考慮在“N-1”的情況下網絡的流量。

3 網絡總體方案

3.1 環形網絡組網方案

由于網絡龐大，采用分層組網方式，分為接入層、匯聚層和骨干層三層結構。中心站設立兩臺PTN設備，以防中心節點單點故障發生，由于每個接入點均有兩條到中心節點的不同路由通道互為備份，所以網絡模式為單網運行。整個網絡的總的帶寬需求為100*210M=21Gbps。

環網優勢：節省光纖資源，多余帶寬或未來可升級帶寬開展分布式業務（如果需要）。網絡可靠性較高，提供物理中斷冗余度。

環網劣勢：傳送時延根據環上節點相對其他組網方式略為增加。

每個接入節點的帶寬為210Mbps，PTN線路口為2.5Gbps。有效數據承載為2000Mbps.在保證帶寬及通道可靠保護的情況下，最多可接入不大于（2000/210即）9個節點。考慮到接入匯聚點的單節點故障影響，采用雙匯聚點組網。

雙聯匯聚節點采用容量分擔的話，匯聚層每個接入環最大接入點數為9個節點，每個節點上傳的為210M/2=105Mbps。所以網絡正常時，匯聚點的容量為M*n*105=2*8*105=1780Mbps，網絡故障時最大為 2*8*210M=3360Mbps。在這種方式時，匯聚環網采用了網絡保護，環網帶寬為10G，最大支持10G/1780M=5個匯聚節點。

雙聯匯聚節點采用主備容量的話，匯聚層最大接入點數為9個，每個節點上傳的為210M。所以匯聚點的容量為M*n*210，本方案最大為 2*8*210M=3360Mbps。網絡正常時為3360Mbps，網絡故障時為1780Mbps。在這種方式時，匯聚層環網總帶寬為10G*2=20Gbps，最多可支持20/3.36=5個匯聚節點。

本方案設計匯聚層網絡節點為4個站點，滿足設計要求。每個骨干節點的上行帶寬為4*9*210M=7560Mbps。3個骨干變電站到中心的總帶寬則為22680Mbps。所以骨干網絡總帶寬考慮30Gbps容量，有效傳送帶寬為24Gbps，滿足傳送需求。鑒于骨干節點的重要性，采用冗余星形組網方式。如圖1所示。

3.2 冗余星形網絡組網方案

星形組網方式理論上可接入的節點數量是不受限制，接入越多，匯聚設備的上行帶寬就越高。對于星形網的要求是匯聚節點的設備交叉容量能夠滿足接入網和線路總帶寬的需求。由于每個節點上傳容量是210Mbps，所以星形接入時線路帶寬為1Gbps，有效傳送達800Mbps。

采用冗余星形組網如圖2所示，每個匯聚節點對應的接入點數越多，需要的匯聚節點數量就越少，但是對匯聚節點的設備要求就越高，對接入點設備的要求降低，對光纖資源的需求就越高。反之，接入點數少，匯聚節點的數量就多，設備容量要求降低，但是對匯聚層總體的帶寬需求不變，光纖資源需求降低。

冗余星形網的優勢：線路帶寬容量非常富足，可以提供更佳的傳送質量。克服了單星形網的網絡可靠性低的問題。

冗余星形網絡的劣勢：光纖資源數倍增加，匯聚節點端口數量與節點數量呈4倍數增加。對匯聚節點的設備規格要求更高，尤其是槽位空間。

每個接入節點的帶寬為210Mbps，PTN線路口為1Gbps。有效數據承載為800Mbps匯聚層線路帶寬為10Gbps，有效數據承載帶寬為8Gbps，所以在保證帶寬及通道可靠保護的情況下，最多可接入不大于（8000/210-1即）37個節點。實際上這37個節點可分別接不同的匯聚點。

考慮到接入匯聚點的單節點故障影響，采用雙匯聚點組網。匯聚層網絡為環網結構，數據為分擔保護時，則環路帶寬為10Gbps，為主備保護時，環路帶寬則可達20Gbps。每個匯聚環最大可接入38個節點的業務容量，通過匯聚節點分擔。具體不做確定，原則是以就近接入考慮。條件允許采用均當數據容量方式。

4 結語

面對區域集中保護與綜合智能控制管理系統業務IP化區域傳送要求，其通信網絡實現方式有多種，但最適合的只有一種。電力PTN網絡可以實現不同業務類別在網絡上的虛通路端到端安全傳送，并能夠在設備端口上提供平衡。同時，PTN網絡通過可視化的維護方式，可更好地將IP網絡傳統的被動運維向主動運維去演進，將“軟”管道和維護指標圖形化呈現出來，有預見性地維護承載網絡，為區域保護業務的承載提供更有保障的支持。同時由于采用端到端的OAM管理，充分降低故障定位時間，并提高準確性，更有效地進行根源故障分析和業務影響分析，使得貼近用戶進行運維，以用戶為中心的方式更加充分地實現。

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