PTN技术在智能电网中应用浅析
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【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，越来越多的新的电力操控技术已经融入电力行业中去了。本文将着重论述电力传输网由以往传统的MsTP向ptn的平滑过渡，以及在PTN技术标准发展中几个关键问题进行分析，其中包括端到端的服务质量Qos实现机制，网络分层等技术、三层功能的引入和数据平面换回功能的探讨。
【关键词】电力通信；PTN技术
【中图分类号】TN915.853 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）09-0108-02
一、智能电网发展的背景
2009年5月21日，国家电网公司首次向社会了“智能电网”的发展计划，并喊出“建设世界一流电网”以及“转变电网的发展方式”等口号，并伴随着各种措施和方案相继出台。
二、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：
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.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。
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。
三、电力城域传送网的优化与演进
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一12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。
四、PIN相关技术问题分析
1.PTN网络中的QoS技术
QoS是指网络通信过程中，允许用户业务在丢包率、延迟、抖动和带宽等方面获得可预期的服务水平。PTN设备的QoS功能包括流分类、标记、速率限制、带宽保证、流量整形、调度策略等。PTN网络中业务的QoS主要由基于MPLS的流量工程（TE）和区分服务（DiffServ）两种机制来实现，目标是实现面向业务的端到端的QoS保障能力。
2.PTN网络分层结构
IETFRFC5654
MPLS-TP分为传送业务层、传送通道层和段层。其中传送业务层可以是PW或业务LSP，类似于同步数字体系（SDH）网络中的VC一12。PW用于提供时分复用（TDM）、以太网和异步传输模式（ATM）等仿真业务；业务LSP用于提供IP和MPLS等网络层业务。传送通道层是指LSP层，类似于SDH网络中的VC-4。段层用于在两个相邻MPLS-TP节点之间汇聚传送业务层或传送通道层的信息。段层可以是采用MPLS-TP技术实现，也可以采用其他技术来实现，如采用同步数字体系/以太网/光传送网（SDH/ETH/OTN）。PTN通过采用多层网络的架构，可以实现与同步数字体系/光传送网类似的可扩展性。
目前的PTN设备是通过PW支持各种仿真业务，还不支持通过业务LSP支持IP/MPLS业务。对于IP/MPLS业务，采用以太网PW仿真实现，优点是业务的透明性好，缺点是传送效率较低（需要传送以太网帧头），对于较短的数据包尤其明显。
目前的PTN设备只支持单段伪线（SS-PW），即PW和LSP的源宿点重合。SS-PW无法实现多个LSP所承载的PW的汇聚，从而对PTN设备的LSP容量提出了很高的要求。另外只能采用端到端的LSP保护，无法应对多点故障。而通过引入多段伪线（MS-PW），则可以克服SS-PW存在的上述问题，提高PTN网络的可扩展性。IETF已经将MS-PW列为MPLS-TP的可选项。
3.PTN对L3功能和业务的支持
目前的PTN主要定位于提供二层（IJ2）的业务，包括E1/ATM仿真业务、E-Line/E-LAN/E-Tree以太网业务等。PTN的主要应用场景是移动网络的回传，包括目前的3G网络，以及未来的长期演进（LTE）。PTN可以很好地满足现有3G网络回传的承载需求，但是否能够满足LTE的需求人们还心存疑虑。
由于LTE阶段出现了基站之间的互联需求（X2接口），以及基站到服务网关（SGW）的多归属需求，因此与3G对承载网的需求将有所不同。针对上述需求，目前有两种主要的解决方案。一种是建议采用端到端的路由器组网方案；一种是采用L3+L2的组网方案，即核心层采用L3技术组网，接入汇聚层采用IJ2技术组网。由于端到端的路由器方案在网络扩展性、可管理性和可控性方面存在问题，因此L3+L2的组网方案得到更多的认可和支持。该方案中的核心层可以采用路由器组网，也可以通过在PTN中引入L3功能来实现。下面主要对后一种方式进行讨论。
L3功能主要包括IP路由和转发功能，以及L3MPLSVPN和L3组播功能。由于IP流量和组播存在流量带宽和路由的不确定性，因此很难提供严格的QoS保障能力。如果在PTN中引入这两种业务，为了避免对原有IJ2业务的影响，只能将这两种业务设置为最低等级的业务。而L3MPLS虚拟专用网（VPN）由于是基于MPLS实现，因此可以采用前面提到的基于MPLS的流量工程和区分服务机制来保障业务的服务质量。同时还可以在MPLSVPN中支持L3组播，同样可以保证服务质量。
综上所述，对于需要提供有质量保证的L3业务，建议在PTN中以L3MPLSVPN的方式提供。而对服务质量没有要求的L3业务，可以直接采用IP路由和转发功能来实现。
4.数据平面环回功能
现有的PTN设备只支持OAM的环回功能（LB）。通过OAMLB可以验证源、宿维护端点问的双向连通性，以检测节点问及节点内部故障，但是并不能对故障进行准确的定位。与SDH类似，目前提出的PTN的数据平面环回包括远端环回（入口环回）、近端环回（出口环回）和光纤环回（客户环回）3种方式。除了进行故障定位，光纤环回还可以进行单端业务性能测试，如双向时延、丢包率和吞吐量测试，以方便进行现网测试。
由于分组传送网已经支持OAM的远端和近端环回，可以实现与数据平面的远端和近端环回类似的功能。因此本文认为应首先实现光纤环回功能，以便能够实现准确的故障定位和单端测试。是否需要支持数据平面的远端和近端环回功能还需要进一步研究。目前IETF和ITU-T正在对数据平面环回功能的标准化进行讨论。
五、结束语
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。