PTN对电力系统线路保护业务的承载性能探讨

Presentation on theme: "PTN对电力系统线路保护业务的承载性能探讨"— Presentation transcript:

1 PTN对电力系统线路保护业务的承载性能探讨

2 汇报目录 1 项目背景 管理策划 组织方式 研究过程 主要结论 前景展望 1 2 3 4 5

3 1、项目背景及意义 课题背景 PTN分组传送网 运行情况良好 网络运行情况稳定，主要用于传送数据类业务。
主要业务：调度数据网第二平面、变电站图像监控、行政视频会议、应急指挥、营销、办公信息自动化(MIS)、配网用电、调度软交换等。 PTN技术特点及发展 PTN是基于分组、面向连接的多业务统一传送技术。随着PTN国际标准的确定，通信设备厂商PTN生产线均统一到了MPLS-TP体制。PTN恰逢其时地提高了电力通信网对智能电网业务的传送能力。 PTN在山东电力 2010年，山东院完成《山东电力集团2011年数据承载网可行性研究报告》，顺利通过国网北京经研院的评审。山东省公司开始在全省各地市统一部署独立于SDH外的PTN分组传送网。 TDM尤其是保护业务有争议 PTN利用端到端伪线仿真兼顾了传统的TDM业务。在电力系统TDM业务中，线路保护业务对通道的要求最严格。PTN是否可传线路保护业务，仍缺乏科学的分析和合理的统计，业内存有较大争议。 E1/STM-N IMA E1/ATM STM-N FE/GE/10GE GE/10GE Packets 交换核心 控制平面 数据平面 时钟/时间同步 （以太网时钟同步、1588时间同步） TDM PWE3 ATM PWE3 ETH PWE3 更低的TCO OAM 支持已有以及 未来分组业务 面向连接的分组核心 Packet Transport Network 端到端管理 同步定时 国内HSE情况

4 ？ 1、项目背景及意义 SDH/MSTP网络 PTN网络 研究出发点 项目出发点：
分析评估PTN对线路保护等TDM业务的承载能力，做出科学客观的结论。 对PTN规划设计和运行方式提出建议。 ？ 4 TDM业务 IP分组业务

5 1、项目背景及意义 项目意义 提升规划设计单位的层次 给电力通信行业明确的答复 提升山东院对PTN相关 技术掌握
规划设计层面与理论研究、设备研发、运行维护等共同组成完整的产业链。 提升规划设计层次，成为业务需求带动科研与设备研发和的核心和纽带。 给电力通信行业明确的答复 为PTN设计、运行提供切实可靠的数据依据。 对“PTN网络是否适合传送线路保护业务”等存在争议的问题给业界一个明确的答复。 提升山东院对PTN相关 技术掌握 山东院最早参与电网PTN规划设计，积累了经验。 一直在跟踪分组交换标准的演进，已发表多篇论文。 为业主单位提供差异化服务，打造企业能力品牌。

6 汇报目录 1 项目背景 管理策划 组织方式 完成内容 主要结论 前景展望 1 2 3 4 5

7 2、组织方式 联合了国网山东省电力公司、青岛供电公司、山东大学、华为公司、和记黄埔奥普泰通信有限公司、南京南瑞继电保护电气有限公司等6家单位协同开展工作。 国网北京经济技术研究院的领导专家高度重视本项目的研究，并推进了本项目测试的进展，在此表示衷心的感谢！

8 2、组织方式 计算机仿真 实验室测试 青岛公司测试 研发改进 8
利用Opnet网络仿真工具，搭建分组交换网络传送模型，重点实现SAToP类型的PWE3仿真，分析其传送性能。 实验室测试 在继保厂家的实验室中进行，灵活配置，不受干扰，保证PTN网络对线路保护业务承载能力的可能性和安全性。 青岛公司测试 在青岛供电公司线路实际运行情况下测试，验证成果的普适性。分为青岛局端测试和变电站测试两部分进行。 针对PTN存在的问题，提出可行改进方案。已申请国家发明专利1项。并正在进行进一步研究。 研发改进 项目内容 2012年 2013年 预期成果 1季度 2季度 3季度 4季度 理论分析 明确原理，理清思路 计算机仿真 仿真平台、技术报告 实验室测试 实验室测试记录报告 线路测试 线路测试记录报告 研发改进 发明专利 总结整理 结题报告，论文 8

9 汇报目录 1 项目背景 管理策划 组织方式 完成内容 主要结论 前景展望 1 2 3 4 5

10 3、完成内容 PTN 理论分析 在分组交换网络上承载TDM业务称为电路仿真 CES(Circuit Emulation Service)
MPLS1 CE1 CE2 LSP Tunnel PTN PW PE2 UNI NNI PE1 E1 RFC Requirements of Pseudo-Wire Emulation Edge-to-Edhe(PWE3) RFC 3985 PWE3 Aichitecture RFC 4197 Requirements for Edge-to-Edge Emulation of Time Division Multiplexed(TDM) Circuits over Packet Switching Networks。 CES内涵： 在分组交换网上建立“隧道”。 将TDM业务封装成数据包透传。 PTN网络必须保证端到端的TDM业务质量Qos（误码、时钟恢复、定时抖动、时延等）。 TDM设备不关心传送网是否为TDM网络。

11 3、完成内容 SDH PTN 理论分析 FE/GE/10GE STM-N OTN WDM TDM ATM FR Tunnel PW 10
高阶通道层 (HO-VC) 低阶通道层 (LO-VC) 再生段层 (RS) 复用段层 (MS) VP层(LSP/Tunnel) VC层 (PW) 物理媒介层 (Fiber /Copper) 段层 (以太网/SDH) 为一个或多个客户层业务提供更大的传送网通路（即LSP），在LSP中将一条或多条PW封装到与该LSP对应的MPLS隧道中，并提供MPLS隧道的监控。 等效于MPLS的隧道层（Tunnel），而Tunnel＋LSP唯一标识相同源宿的标签交换路径 为客户层业务提供端到端的传送网通道，将业务净荷适配、封装到最贴近业务的PW中，并提供PW的监控。 等效于MPLS的PWE3协议的伪线层（PW） 段层的物理连接链路承载在物理媒介层上，物理媒介层实现对比特流的传送。 可以是光媒介或电媒介，例如光纤、铜缆甚至无线等 为一个或多个传送网通路提供信息完整性传递的物理连接链路，并对链路质量进行监控。 例如以太网、SDH、OTH、波长通道等物理连接链路 业务净荷 TDM 以太网、TDM、ATM SDH PTN FE/GE/10GE STM-N OTN WDM TDM ATM FR Tunnel PW 10 PW 14 PW 15

12 3、完成内容 理论分析 非结构化仿真，透传TDM业务 SAToP （RFC 4553） PTN对E1的仿真模式
CESoPSN （RFC 5086, RFC 5687） TDM-E1/STM-N TDM-E1 PTN BTS BSC E1 Unframe payload E1 unframe payload VC ID Tunnel ID E1 Unframe payload 1 对于非结构化 TDM E1,采用透明传送的方式保持E1的完整性 Services Aggregating Multiple E1 aggregated to a PW 2 BTS 对于结构化 TDM E1, 支持空闲时隙压缩以节约带宽资源

13 3、完成内容 理论分析 对E1业务的承载过程 TDM 帧周期为125us， 报文装载时间步长一般为125us，对应32 Byte=256 bit信息量。 先缓存起来，消除抖动后再发 Jitter buffer 断断续续的报文 连续均匀的TDM帧 连续均匀的TDM帧 …… …… PTN PTN UNI NNI NNI UNI

14 3、完成内容 源端封包时延 影响因素：TDM业务封包长度 32Byte：125us 64Byte：250us 128Byte：500us
理论分析 E1业务时延构成分析 源端封包时延 对于E1业务，信源8000幁/秒 每幁时间长度为0.125ms 信息量32×8=256bit 每N个幁封为一个包，则源端封包时间为：N×0.125ms。 影响因素：TDM业务封包长度 32Byte：125us 64Byte：250us 128Byte：500us 256Byte：1000us TDM业务封包切片越大，时延越大。切片越小，带宽利用率越小。 一旦封包长度固定，源端封包时延为固定值（常量）。

15 3、完成内容 排队时延：数据包在队列中等待传输的时间。 影响因素 网络流量（利用率） 流量越大，时延越大。
理论分析 E1业务时延构成分析 排队时延：数据包在队列中等待传输的时间。 16 Mb/s Voice (COS = EF) 20 Mb/s Video(COS = AF4) Data (COS = BE) 40 Mb/s Video (COS = AF4) 用户带宽整体 用户不同业务之间 2 Mb/s UNI Port 用户1 VLAN1 CIR=16Mb/s EIR=38Mb/s 用户2 VLAN2 CIR=36Mb/s EIR=62Mb/s 输出队列 high medium normal low 流分类 影响因素 网络流量（利用率） 流量越大，时延越大。 业务优先级 业务优先级越高，时延越小。 设备对业务队列的调度算法。 排队时延为随机变量。

16 3、完成内容 数据块长度（比特） 发送时延 = 传输速率（比特/秒） 光口发送时延 影响因素 数据包长度 光口速率
理论分析 E1业务时延构成分析 1000Base-TX/X 10GBase-R 64： us 128： us 256： us 512： us 1024： us 1518： us 64： us 128： us 256： us 512： us 1024：0.8192us 1518：1.6384us 光口发送时延 影响因素 数据包长度 光口速率 一旦封包长度固定，光口发送速率固定，发送时延为固定值。 GE和10GE光口对时延的影响只是由us级降低到0.1us级，影响不大。 发送时延 = 数据块长度（比特） 传输速率（比特/秒）

17 3、完成内容 光纤长度（米） 传播时延 = 光信号在光纤中的传播速率（米/秒） 光纤传播时延 影响因素 光纤长度 光纤折射率
理论分析 E1业务时延构成分析 光纤传播时延 影响因素 光纤长度 光纤折射率 一旦光纤长度确定，传播时延为固定值。 典型光纤时延取值为5us/km。 光纤长度（米） 传播时延 = 光信号在光纤中的传播速率（米/秒）

18 3、完成内容 存储转发处理时延 数据包在转发存储器内的等待时间。 影响因素 交换矩阵转发速率。 理论分析 E1业务时延构成分析 管理平面
控制平面 管理平面 E1/STM-N 数据平面 TDM PWE3 Packets 交换核心 E1/STM-N IMA E1/ATM STM-N ATM PWE3 GE/10GE FE/GE/10GE ETH PWE3 时钟/时间同步 （以太网时钟同步、1588时间同步）

19 3、完成内容 宿端解封装及抖动缓冲时延(PDV) 设置要考虑的因素 网络抖动 对整个时延的影响 理论分析 E1业务时延构成分析
根据接收到的报文的到达时间，数据在不同的时刻进入抖动缓冲器；数据会以恒定的TDM速率离开缓冲区，从而能够输出一致稳定的TDM数据流，送给用户设备。 设置要考虑的因素 网络抖动 对整个时延的影响 抖动缓存容量是一个性能折衷的考虑， 大容量的抖动缓存可以吸收网络中变化较大的报文传输间隔抖动，但TDM 业务数据流重建时引入较大的延迟 。

20 3、完成内容 计算机仿真 Opnet 仿真开发过程 OPNET仿真设备组件 定义统计数据 仿真结果分析 运行仿真

21 3、完成内容 设备模型 计算机仿真 设计状态处理函数 State Processing (Consists of Proto-C) Node
(Consists of Process) 设计设备的协议栈，其中某个(某些)协议进程是自行设计的 Network (Consists of Device) Process (Consists of State Machine) 设计协议的状态转移模型 设备模型

22 3、完成内容 计算机仿真 ip_dispatch, ip_rte_central_cpu, mpls_mgr,
OSI 参考模型 OPNET Model Application App_demand traffic_engine Presentation Session Tpal Transport UDP(PW) Network IP_encap, IP/MPLS ip_dispatch, ip_rte_central_cpu, mpls_mgr, ip_output_iface, oms_basetraf_src Data Link Physical

23 3、完成内容 3个业务：E1 PW，低优先级IP背景业务，E1背景业务 8个LER，7个LSR，1条LSP 链路速度1Gbps(GE)
计算机仿真 3个业务：E1 PW，低优先级IP背景业务，E1背景业务 8个LER，7个LSR，1条LSP 链路速度1Gbps(GE)

24 3、完成内容 仿真条件 计算机仿真 E1 PW业务：切片长度为64字节，PDV关闭 IP背景业务：包长500字节，流量为0.2Gbps
E1背景业务：100条E1 PW，切片长度为64字节 仿真时间：1小时 光纤传播时延、封包时延比例最大

25 3、完成内容 统计学规律 计算机仿真 时延的概率密度函数多处尖峰，是由排队造成的，各个尖峰时间间隔为整数个服务时间。 时延统计概率密度
时延统计累计概率

26 3、完成内容 背景流量对CES业务的影响 计算机仿真 增加背景流量：低优先级包长500字节，流量从0.2Gbps~1Gbps。
横坐标为时间，纵坐标为时间，纵坐标为概率。 =0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 Gbps =0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 Gbps E1业务封装切片32 Byte E1业务封装切片256 Byte 背景流量大小对CES时延有微弱的影响，在us数量级，且是“依概率”的。

27 3、完成内容 2013年5月9日至14日，由本项目团队牵头，在南京南瑞继电保护电气有限公司实验室进行了5天测试。 实验室测试
PTN设备之间通过GE光纤线路进行连接，PTN设备和继电保护设备之间通过E1接口连接，电路仿真协议为SAToP，时钟采用网同步。

28 3、完成内容 实验室测试 测试关注因素 测试方法 E1业务封装长度
通过网管改变E1业务的封装的大小，直到E1持续1分钟无误码，通过PDH测试NE1->NE2 E1单向时延的大小以及NE2->NE1的时延大小并记录。 抖动时延缓冲器(PDV)长度 从最小PDV开始设置，直到E1持续1分钟无误码，通过PDH测试NE1->NE2 E1单向时延的大小以及NE2->NE1的时延大小并记录。 以太网背景流量 通过数据网络分析仪在NE1、NE2发送以太网业务背景流量到（包长为64和1518间隔序列，优先级均为0） 业务优先级 仪表向UNI端口发送以太网报文背景流，网管分别设定报文优先级优于、等于、低于E1业务。 线路倒换影响 拔掉LSP保护主用路径光纤，业务倒换到备用路径，通过PDH测试NE1->NE2 E1单向时延的大小以及NE2->NE1的时延大小并记录。

29 3、完成内容 实验室测试 50%以太网报文背景流，报文优先级高于E1业务，GE光路 点对点通道时延在1ms以内。
通道时延对称性良 好，正反向时延差 <10us。 通过设定合适的封 装长度和PDV大小， 可将时延控制在1ms 以内甚至是0.5ms内。 以太网背景流对E1 业务时延无显著影响。 进行了1+1和1:1线 性保护倒换，数据表 明对E1通道时延无显 著影响。

30 3、完成内容 青岛供电公司测试 2013年9月10日至17日，项目团队联合青岛供电公司、奥普泰公司、华为公司等单位共同开展了青岛电力PTN网络E1通道性能测试。在青岛供电公司28层通信机房、220kV市中变电站、220kV午山变电站等站点进行了测试。 最长线路12个节点，光缆439km 青岛公司机房有2台核心层PTN设备，除了可以进行时延大小的测试，还可以进行时延对称性的测试。

31 3、完成内容 测试数据中也观察到通道时延存在一定不对称性，在0.5ms数量级。 青岛供电公司测试 青岛供电公司机房测试结果
在12节点和439km光缆场景下，当切片=64字节，PDV=500us时，通道时延3ms。 如果按玻璃光纤中的光速测算，439km的光纤传播时延就已达到2.2ms，12个节点PTN设备引起的时延只有0.8ms左右。 即便是切片长度设置到256字节，PDV设置到4000us时，通道时延只有5.5ms左右。 测试数据中也观察到通道时延存在一定不对称性，在0.5ms数量级。

32 3、完成内容 时延抖动性能远优于 ITU G.823对接口抖动的要求 运行PTN网络的抖动性能满足国际标准对E1接口的要求 青岛供电公司测试
青岛供电公司华为网络测试数据 节点个数 B1（UIpp） B2（UIpp） 4 0.052 0.042 8 0.057 0.047 12 0.058 0.048 运行PTN网络的抖动性能满足国际标准对E1接口的要求

33 3、完成内容 青岛供电公司测试 在220kV午山站对E1业务做环回接线。 市中—黄埠—宜川—午山（光缆总长度72km）

34 3、完成内容 青岛供电公司测试 时延（ms） 220kV市中变电站机房7节点测试结果
在7节点150km光缆的场景下，PTN传输时延小于4ms,性能满足线路保护设备12ms时延的要求。 如果设置切片长度为64字节，PDV=500us，最大时延只有1.86ms左右，相比线路保护对通道12ms的时延要求具有85%的余量。

35 3、完成内容 青岛供电公司测试 为保证在运行网络的安全稳定，不宜增加背景流量对华为网络进行压力测试。故利用奥普泰对照组重点进行压力测试。利用网络分析仪产生不同的网络负载，测试PTN对E1业务的传输性能。 背景流包长设置 背景流优先级设置

36 3、完成内容 青岛供电公司测试 背景流量达到总带宽的97%及以上时，E1业务出现误码，无法正常传输。

37 3、完成内容 华为网络E1业务时延不对称原因分析 缆线长度？ 测试方法？ 测试仪表？ 网管设置？ 设备本身？ 青岛供电公司测试
一、青岛公司的2台PTN设备的2M板卡型号不一致，分别为D75和D75E。由于板卡芯片处理性能差异，直接导致了信道的不对称。 二、华为PTN的Jitter Buffer未在网管上设为自动清空，对信道测试数据也有一定影响。 2013年12月20日，我们和华为公司测试人员在青岛供电公司又进行了一次PTN信道的测试。本次测试使用相同的2M接入板，并设定Jitter Buffer自动清空。测试数据显示，信道时延差异在0.1ms以内，不对称问题得以解决。

38 汇报目录 1 项目背景 管理策划 组织方式 完成内容 主要结论 前景展望 1 2 3 4 5

39 4、主要结论 1、 PTN 承载E1业务的时延构成 时延名称 主要产生原因 数据类型 数量级 影响因素 源端封包时延 E1业务切片封装
固定量 N*0.25ms 设定的切片大小 排队时延 业务在发送中等待 随机变量 10us 业务优先级、背景流量、优先级、包长、调度算法 发送时延 数据包经过光口发送 1us 光口速率，数据包长度 存储转发时延 数据包经设备存储转发 交换矩阵转发速率 光纤传播时延 光信号在光纤中传播 光缆长度决定 光纤长度，折射率 解封及缓冲时延 Jitter Buffer ms Jitter Buffer容量设定 节点2 节点N 节点1 接口 解码 标签 封装 交换 接口 编码 接口 解码 标签 封装 交换 去SATOP 伪线 封装 PDV 抖动 缓冲 SATOP 伪线 封装 标签 封装 交换 接口 编码 M*125us 10~70us us us 10~70us us us 10~70us ns ms

40 4、主要结论 1 最主要的两个因素 2、 PTN 承载E1业务的时延影响因素 E1 封装切片长度 对时延敏感业务，应尽量减小封装切片长度。
Jitter Buffer缓冲区大小 在克服时延抖动的前提下尽量减小PDV缓冲长度。 其他因素及结论 线路接口速率对时延影响有限，即使从GE提高到10GE，只有us级影响。 网络背景流量、业务优先级对E1业务时延无显著影响。 高优先级的背景流在网络拥塞情况下才会对E1业务造成影响。 PTN网络1+1和1:1线性保护倒换对E1时延无显著影响。 PTN设备能较好满足E1接口的抖动要求。

41 4、主要结论 PTN对线路保护业务承载能力的综合评估 2、 线路保护类型 时延大小要求 时延对称性要求 纵联距离保护 <5ms
点对点通道时延 数字通道总时延 纵联距离保护 <5ms <12ms 无要求 纵联差动保护 时延应对称 引自“GB/T 继电保护和安全自动装置技术规程” PTN设备时延大小测算值 节点类型 时延数量级 影响因素 收发两端节点 1ms 封装切片长度，PDV缓冲大小 每个中间转发节点 60us以内 核心交换速率，队列调度算法 按光纤光速2×108m/s计算，在1000km的光缆长度内，除了收发两端节点，中间串联80个PTN节点依然满足12ms的线路保护对时延大小的要求。

42 理论 实验 4、主要结论 PTN具备传送纵联距离保护（主保护II） 的能力。
3、 可行的组网方案 理论 实验 PTN具备传送纵联距离保护（主保护II） 的能力。 1套SDH+1套PTN可以胜任传送50km以上线路的距离+差动保护。 PTN 对其他TDM的业务承载能力可参照本研究的方法和数据评估

43 汇报目录 1 项目背景 管理策划 组织方式 完成内容 主要结论 前景展望 5 1 2 3 4

44 5、前景展望 后续工作 PTN应走进电力通信设计标准 推进PTN在四级通信网的延伸 PTN网络传输E1业务 的对称性依然需要改进。
标准名称 标准编号 实施日期 分组传送网（PTN）总体技术要求 YD/T 分组传送网（PTN）设备技术要求 YD/T 分组传送网（PTN）设备测试方法 YD/T 分组传送网（PTN）网络管理技术要求 第1部分：基本原则 YD/T 第2部分：NMS系统功能 YD/T 第3部分：EMS-NMS接口功能 YD/T 第4部分：EMS-NMS接口通用信息模型 YD/T PTN应走进电力通信设计标准 推进PTN在四级通信网的延伸 PTN网络传输E1业务 的对称性依然需要改进。 利用PTN对时钟的传送能力 如有机会可在线路检修时将线路保护 业务真正承载于PTN网络之上测试。 跟踪PTN环网自愈保护的国际标准制定， 分析测试自愈保护对业务的影响。

45 谢谢！