1、PTN 为智能电网提供理想的信息通信平台（发表于电力系统通信2010 年第 X 期）贾小铁，雷学义，吴云峰，李伟华(国网信息通信有限公司，北京 100761)摘 要：智能 电网是电力、自动化和信息通信三大技术 的综合，统一、高效、灵活和高生存性的通信平台是智能电网的必要支撑。首先根据 电力系统 通信的特点， 简要分析了建立基于分组的统一通信平台的必要性；其次介绍了作为 IP 网络发展趋势的 PTN 的历史和特点；然后介绍了 PTN 在电力系统内外，主要是中国移 动和信息通信有限公司的 应用情况，特 别对PTN 的实时通信支持能力和时间同步能力给予了关注；最后，对使用 PTN 建立统一分组电力通
2、信网提出了期望。关键词：智能电网；信息通信平台；PTN；时间同步中图分类号：TN929.110 引言作为发展低碳经济的一个重要载体和有效途径，智能电网在2010年首次被写入政府工作报告，标志着智能电网得到了党和国家的高度重视，并有可能上升为国家战略。从智能电网“信息化、自动化、互动化”的特征中，不难看出信息通信在智能电网中所处的重要地位,信息通信技术(ICT, Information and Communication Technology)的进步及其与电力基础设施的集成，使电力系统实现智能化成为可能。进入21世纪的现代化电网已经从传统的、结构简单的、狭义的电力系统演化为新型的、结构复杂的、交
3、互式的广义电力系统，这个系统由电力系统(EPS, Electric Power System)主体、信息通信系统(ICS, Information Communication Systrm)、监测控制系统 (MCS, Monitoring and Control System)三大系统融合而成（简称3S系统） 1。而为了给ICS提供强有力的支撑，一个统一、高效、灵活和高生存性的通信平台必不可少。1 电力通信需求分析IP化浪潮不仅席卷了公共通信网络，也已波及到了电力通信系统，根据向家坝上海800kV特高压直流输电工程配套光纤通信工程初步设计资料的统计， “电力应用正在由基于话音通信为主而逐步转变
4、为基于数据通信为主。数据通信的业务量已超过总带宽需求的80%。在各种数据业务中，IP协议占据了主导地位，一些传统的业务，如调度自动化，正在逐步摒弃沿用多年的专用规约，而改为采用IP协议，和建立在IP之上的国际标准规约” 2。甚至出现了这样的情况：设计时为保护通道预留的是2M接口，而实际到货的保护装置却是以太网接口。另外，由于国际电工委员会(IEC, International Electro technical Commission)颁布的IEC 61850基于以太网的标准，使用TCP/IP的标准通信，随着智能电网的发展，电网通信中基于IP的业务量比例还会进一步上升。事实上，由于数据业务的增长
5、所带来的对带宽的需求远比我们想象的大。另外，电力系统中的业务多种多样，包括：1. 话音业务。如调度电话、会议电话、生产管理电话等。2. 数据业务。如线路继电保护和电网安全自动装置数据、调度自动化数据、电力市场数据、管理信息系统和办公自动化系统信息数据等。3. 视频业务。如会议电视、工业视频等。4. 多媒体业务。如信息检索、电子邮件、可视图文、多媒体会议等 2。其中有质量和可靠性以及时延要求非常高的实时业务及保障业务，也有普通的数据业务，有连续的恒定比特流的业务，也存在大量的突发性业务，各种业务在时延、带宽、可靠性等方面均有不同的要求。对于不同以及新的业务，我们不应该用增加新网络的办法来解决问题
6、，网络融合已是网络发展的必然趋势，2010年1月国务院常务会议决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合，2010年两会期间工业和信息化部部长李毅中在接受采访时更是透露，三网融合试点方案最快将于今年4月底确定、5月份获批，显而易见，统一的融合网络的价值远高于若干独立网络的“叠加” 。电力通信的以上两个特点，使得建立一个统一的基于分组的传送平台成为必然的要求。2 PTN 介绍业务驱动是技术发展的原动力，业务的IP化必然要求传送网络的IP化，即要求传送网络由电路交叉核心向分组交换核心的转换，利用分组交换核心实现分组业务的高效传送，同时又必须提供电信级的QOS、OAM和保护等特性，而传统的SDH
7、/MSTP和以太网都不能同时满足这两方面的需求。为了应对网络IP化的趋势，传送网开始向分组化演进，在2005年开始提出了分组传送网(PTN, Packet Transport Network)的概念，到目前为止，T-MPLS(Transport MPLS)/MPLS-TP(Transport Profile for MPLS)已成为PTN的主流技术。T-MPLS技术标准最初由ITU-T于2005年5月开始开发，到2007年底已发布和制定了T-MPLS框架、网络接口、设备功能、线性保护和环网保护、OAM等系列标准。2007年，IETF出于MPLS利益之争以及兼容性问题，开始阻挠ITU-T通过T-
8、MPLS相关标准。2008年2月，ITU-T同意和IETF成立联合工作组（JWT， Joint Work Term）来共同讨论T-MPLS和MPLS标准的融合问题。2008年24月间，JWT相关专家深入研讨了T-MPLS和MPLS技术在数据转发、OAM、网络保护、网络管理和控制平面五个方面的差异，并于2008年4月18日得出正式结论：推荐T-MPLS和MPLS技术进行融合，扩展现有MPLS技术为MPLS-TP，由JWT共同开发MPLS-TP标准，并保证T-MPLS标准与MPLS-TP一致 3。PTN技术是IP/MPLS、以太网和传送网三种技术相结合的产物。它顺应了网络的IP化、智能化、宽带化、
9、扁平化的发展趋势：以分组业务为核心、增加独立的控制面、以提高传送效率的方式拓展有效带宽、支持统一的全业务提供；保持了适应数据业务的特性：分组交换、统计复用、采用面向连接的标签交换、分组QoS机制、灵活动态的控制面等；又继承了SDH传送网的传统优势：丰富的操作维护(OAM)、良好的同步性能、完善的保护倒换和恢复、强大的网络管理等；并且，由于其是针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，所以具有更低的总体使用成本(TCO， Total Cost of Ownership) 4。2009年7月，工业与信息化部批准PTN成为新的电信设备入网类型。3 PTN 的特点3.1 全业务承载能力PTN
10、采用的通用分组交换内核，不仅提供了对数据业务的适应性，还通过采用端到端伪线仿真(PWE3， Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge)技术提供了对原有电路型服务的后向兼容性，使得它在满足数据业务需求的同时，还可以支持传统的电路型业务。同时，PTN使用区分服务（DiffServ）+流量工程的QoS机制，实现了端到端的QoS，提供了对各种类型业务的支持能力。3.2 生存性PTN的生存性是分组传送网的另一个主要特征，主要由基于传送平面的保护倒换技术和基于控制平面的恢复技术来实现。基于传送平面的保护技术有路径保护、环网保护；基于控制平面的恢复是指在控制平面的参与下，在错误发
11、生后重新计算保护路径，或在错误发生前预计算保护路径。PTN的保护倒换机制能够实现与SDH相同的小于50ms的保护效果。3.3 同步2002年11月，IEEE发布1588v1标准（IEEE Std 1588 TM-2002） ，2004年5月IEEE 1588v1标准被IEC采用为IEC 61588，2008年7月，IEEE发布1588v2标准（IEEE Std 1588 TM-2008） ，2009年2月，IEEE 1588v2标准被IEC采用为IEC 61588 Edition 2.0。PTN通过采用IEEE1588v2和同步以太网技术解决网络中的时间同步和频率同步问题。IEEE1588v2
12、可以很好地支持时间同步，独立于物理层，通过在报文中加入时间标签来传递同步信息，因此除了频率同步它还可以传递时间信息。同步以太网技术可以很好的支持频率同步，通过以太网物理层实现同步，实现方式类似于传统的SDH网络。4 电力系统内外应用情况4.1 运营商应用情况中国移动从2007年前后开始关注PTN技术，2008年7月至2009年5月对PTN进行了三个阶段的测试：第一阶段是在实验室进行的多种技术形态解决方案的分析对比测试，第二阶段是在多个省实验网组织进行的大规模模拟真实网络环境的性能测试和技术可行性分析，第三阶段是现网测试，结合TD-SCDMA网络组建端到端传送承载网络，对业务性能和设备接口进行互
13、通性测试和评估。2009年6月中国移动开始向地方公司征集PTN建设意见。2009年10月，在经历了实验室、模拟业务加载和现网测试三个阶段之后，中国移动正式发布了PTN集采技术标书，率先拉开了PTN国内规模商用的序幕。2010年底中国移动完成了首轮约5万套的PTN设备集采。2010年初中国移动集团下发相关文件，明确提出限制新建传统的SDH系统，在传输网建设和3G业务承载方面优先采用新的PTN系统。2010年中国移动的主要挑战是PTN的部署和应用，比如，在实际部署中，PTN承载网如何区别业务防止拥塞，如何正确告警，如何维护好PTN网络，如何规划PTN网络中的网管，如何测量评估，把握网络状态等。中国
14、电信和中国联通也很关注PTN，已在部分省份进行测试或准备测试。4.2 系统内应用情况国网信息通信有限公司从2008年前后开始关注PTN，当年年底提交了一份名为分组传送网(PTN)信息通信基础承载网络融合演进的发展趋势的调研报告，并在当年的中国电机工程学会电力通信专业委员会议上作了关于PTN的专题报告。2009年，PTN被列为国家电网公司科学技术项目新一代电力信息通信（ICT）网络模式前期研究中的一个子课题进行研究。2009年，国网信息通信有限公司第一个使用PTN设备的项目-国网北京光环网和数据网扩容改造工程（简称“两网扩建工程” ）完成招标，并于2010年1月完成厂验工作，目前已进入安装调试阶
15、段。另外，2009年山东电力集团公司在地市到县数据承载网项目中也使用了PTN设备。5 PTN 应用于电力通信的构想5.1 全业务承载由于PTN所具备的端到端伪线仿真技术和区分服务（DiffServ）+流量工程QoS机制，对于不同类型的业务可以采用不同的方式来满足其需求，区分服务对业务的优先级进行分类，保证了在网络的转发节点上高优先级的业务能够得到优先转发，流量工程则保证了业务数据在线路上的带宽，从而实现针对每一业务流的QoS保证。例如：对于传统的语音业务，可以采用端到端伪线仿真技术提供支持；对于线路继电保护和安全自动装置数据业务，可以通过设置高优先级和预先分配足够带宽来保证其时延；对于故障录波
16、数据、故障测距等信息，可以通过设置适当优先级和预先分配合理带宽来提供服务；而对于无特殊需求的一般性业务，则只需为其设置较低优先级和适当带宽。网络规划时，需考虑承诺信息速率（CIR, Committed Information Rate）业务能够得到完全保护，这样可以使平时的带宽利用率达到最大化，而出故障时CIR业务又可以得到充分保护。作为PTN网络应用的第一步，两网扩建工程主要用来承载实时性要求不高的数据业务，不承载时延敏感的保护等业务，也不提供时间同步业务。但根据厂验测试结果，E1/STM-1电路仿真业务的抖动和误码性能均能满足要求，同时，在100%背景流量下，E1业务时延小于12ms，线性
17、保护和环网保护倒换时延均在50ms以内。5.2 时间同步由于TD-CDMA是同步系统，TD-SCDMA基站普遍采用美国GPS系统实现时间同步，出于施工、成本及系统安全的考虑，从2008年3月开始，中国移动启动了“GPS替代方案”技术创新工作。一方面利用我国自主发射的北斗卫星作为时间信号源，一方面通过有线传输网络传送精确时间同步信号，最终从时间信号的来源和传输两个方面相结合，彻底摆脱对GPS的依赖。2009年4月，浙江移动率先在余杭城域网中实现了PTN承载的1588v2地面时间传递部署，2009年10月提出OTN(Optical Transport Network, 光传送网)PTN端到端158
18、8V2时钟组网方案，2010年1月完成城域网中OTN+PTN承载1588V2时间同步的现网部署，并成功完成现网测试。根据测试报告，20小时测试结果为-363+206 ns，加80%背景流量17小时测试结果为-281+394 ns 5，不仅优于TD-CDMA的1.5us要求，也优于IEC 61850最高级别T5 6的1us要求。目前，变电站内已广泛使用GPS系统对时，为站内需授时的设备（如测控装置、保护装置等）提供时间基准，即电力系统同样存在着对GPS的依赖。2010年国家电网公司发布的330kV750kV智能变电站设计规范规定：“间隔层和过程层设备宜采用IRIG-B、1pps对时方式，条件具备
19、时也可采用IEC61588网络对时” ，而PTN的1588V2（即IEC61588 Edition 2.0）则恰好提供了这种时间同步功能。5.3 在通信网络中的位置由于PTN所能提供的最大速率网络侧接口只有10GE接口，其优势体现在小颗粒业务的灵活接入、汇聚收敛和统计复用上，若以其组建骨干层以上网络则可能无法满足当前业务带宽高速增长的需求，因此，运营商一般将PTN定位于汇聚层。结合OTN的超大带宽提供能力和PON( Passive Optical Network, 无源光网络)的无源和低成本等优势，PTN可与由OTN设备组建的具备超大带宽传送能力的骨干层网络和由PON设备组建的侧重于密集型普通
20、用户接入的接入层网络共同构成传送网的主体。应用于电力通信，考虑到业务IP化、承载统一化和网络扁平化，可以由OTN组建网省级甚至到地市的网状网络，利用其大带宽提供能力和快速恢复能力组建高生存性的骨干网，由PTN组建地市和县级或到变电站的网络，提供全业务的汇聚或接入网络，而由PON组建配电和入户网络，提供密集的多点接入能力。从另一个角度来讲，对于输电网，OTN适合作为骨干层，而PTN可以作为汇聚层和接入层；对于配电网，PTN可以作为骨干层和汇聚层，而用PON作为接入层。当然，如果没有带宽的大容量需要，也可以将PTN作为输电网的骨干层。6 结语PTN技术的逐渐成熟和设备的规模部署表明，以PTN为主流
21、的智能传送平台已获得通信运营商认可，PTN逐步取代现有MSTP网络已成大势所趋。如何借鉴通信运营商研究成果，加强PTN试验网建设，研究解决电力通信发展中的问题，让信息通信技术的发展更好地服务智能电网，应该成为我们当前的一个课题。参考文献：1 丁道齐 复杂大电网安全性分析智能电网的概念与实现 2010.022 南电力设计院 向家坝上海800kV 特高压直流输电工程配套光纤通信工程初步设计 第一卷 通信系统总说明中 2009.033 刘建明 新一代电力信息通信（ICT）网络模式前期研究 2008.114 朱 京等 分组传送网(PTN)信息通信基础承载网络融合演进变革的发展趋势 2008.045 中
22、国移动浙江公司 PTN 技术在杭州城域传输网的应用 20096 IEC. IEC 61850: Communication networks and systems in substations S. 2004.贾小铁(1955)，男，山西人，高级工程师，从事 电力系统通信技术及管理工作。雷学义(1980)，男，河南人，工程师，从事 电力系统通信相关工作。吴云峰(1966)，男，河北人，高级工程师，从事 电力系统通信运行及建设管理工作。李伟华(1981)，男，湖北人，工程师，从事 电力系统通信相关工作。PTN Provides an Ideal Information and Communic
23、ation Platform for Smart GridJIA xiao-tie, LEI xue-yi, WU yun-feng, LI wei-hua(State Grid Information Second, this paper introduces the history and characteristics of PTN, which is the development tendency of IP network; Then this paper introduces PTNs application inside and outside the electric power industry, mainly China Mobile and State Grid Information Finally, this paper proposes an expectation of using PTN to establish a unified packet-based electric power communication network.Key words: Smart Grid; information and communication platform; PTN; time synchronization
