光纤SDH自愈环网的组建

光纤SDH自愈环网的组建
北极星电力网技术频道作者:3 2007-12-21 13:39:23 (阅2840次)
关键词: 光纤SDH
摘要：针对海南洋浦开发区炼化厂、金海浆纸厂等大项目建设后电网的发展变化情况，该文提出对用电大户的电网调度通信网络的解决方案，建设光纤SDH自愈环通信网。

关键词：光纤通信网络；SDH传输系统；光纤自愈环网随着海南电网及用电专户的迅速发展，电网的安全、经济、稳定运行对通信的依赖和要求越来越高，电力系统的市场化运营和现代化管理也对电力系统通信的可靠性、容量提出了更高的要求。

随着洋浦开发区的发展，已形成了一个以用户220kV站点及电厂组成的电网结构。

各个站点需要向调度端传送相应的遥测、遥信、电量等远动信息，调度端也需要下发一路调度电话到这些站点，SDH光纤通信自愈环网能满足这些要求，能给话音信号、远动信号以及继电保护提供传输通道。

同时该网络也具有1 1保护功能，提高了网络通信的可靠、安全性。

保证了电网安全、经济、稳定、可靠的运行，保障了电力生产、继电保护、电网调度自动化的通信需要。

所以在该地区组建SDH光纤自愈环网代表着正确的发展方向。

1洋浦开发区用电大户及通信网络在洋浦开发区，洋浦电厂是海南省最大的气电发电厂，装机总容量为2×140MW 2×80MW；中海油公司的炼化厂是年产值过百亿的工厂，占全海南GDP总产值的七分之一，该厂是海南电网最大的用电专户，变压器本期设计总容量为2×150MVA；而金海浆纸厂则是全亚州最大的浆纸厂，变压器本期设计容量为1×80MVA，它的自备发电厂正在考虑并网方案设计，总装机容量为420MW，部分机组已投运，部分机组正在建设中。

炼化厂及浆纸厂这两个工厂都是省内极其重要的工厂，是海南电网的用电大户，建设了专门的220kV用户变电站来进行供电，对用电的要求非常的高；洋浦电厂作为海南省内最大的气电发电厂，接入海南220kV电网主网架，也是对海南电网的极其重要的一个电厂，原有的通信通道只是单通道，没有形成一个网络。

如何解决它们的生产调度通信网络，保证电网的安全、经济、稳定运行，给用户提供高质量的服务成了摆在面前的问题。

2用户电力通信方式选择近年来，计算机技术和通信技术的结合，开创了信息时代的新纪元。

无线通信、光纤通信、交换和路由等新技术和新设备层出不穷，创建了通信技术新时代。

光纤通信由于其容量大、保密性好、不易受电磁干扰等优点，被广泛应用于电力系统通信中，在要求越来越高的电力系统通信里发挥着重要的作用。

光纤通信以光导纤维为传输媒质、光波为载波的光纤信道，具有损耗低、频带宽、高速、安全等诸多其他通信方式所不具备的优点。

海南电网以往的通信方式多采用了载波通信、扩频通信等通信方式，随着电网改造和建设，旧电网更新，新电网大量建立，电力调度显得更为重要，因此对电力通信提出了更高的要求，以前的载波通信等通信方式已很难满足更高的通信要求。

而鉴于洋浦电厂、炼化厂、浆纸厂及其自备发电厂即将并网，采用光纤通信方式，是非常必要的。

3用户通信网络组网方案3.1光纤通信传输制式光纤大容量数字传输目前大都采用同步分时复用（TDM）技术，随着以微
处理器支持智能网络单元的出现，高速大容量光纤传输技术和高度灵活、便于管理控制的智能网络技术的有机结合，形成了较为完善的传输体制——同步数字系列（SDH）。

SDH传输系统的特点：采用世界上统一的标准传输速率等级。

最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520Mbit/s。

SDH各网元的光接口有严格的标准规范，有利于建立统一的通信网络。

在帧结构中安排了丰富的开销比特，便于网络的运行、维护和管理。

采用数字同步复用技术，简化了复接分接的实现设备，十分简便。

采用数字交叉连接设备DXC可以对各端口速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，提高了网络的灵活性及对各种业务变化的适应能力。

综上所述，采用SDH的传输制式，能充分满足近期与远期用户变电站调度通信的要求。

3.2光纤通信组网方式环形网是一种有很强自愈能力的网络拓扑结构，具体分为两纤单向通道保护环、两纤单向复用段保护环、两纤双向通道保护环、四纤双向复用段保护环等。

其中两纤单向通道保护环倒换时间最短，倒换原理简单，适合于电力系统通信使用。

选择155M的SDH传输平台 PCM的组成光纤自愈环网的方式，使用两纤单向通道保护环结构，称为PP环。

采用“双发选收”的方式，在时隙插入时，通道业务信号同时馈入工作通道和保护通道。

分出时，同时收到保护通道和工作通道上的两个道信号，按信号的优劣来选择一路作为分路信号，实现快速倒换。

当工作通道出现问题时自动倒换到保护通道上。

采用这种方式提高了网络通信的实时性、可靠性及安全性，很适合电力系统使用，用户通信网采用155Mbit/s光纤通信PP自愈环网的方式。

4用户通信网络建设方案设计建设光纤通信系统，应根据通信的实际需求。

作为设计建设项目，应考虑到技术性能、安全可靠指标和经济、社会效益等多方面因素优化网络设计。

光纤通信网站点选择。

形成环网必须有三个以上的站点。

根据各站点的重要性，结合现有的电网通信网络及设备状况，站点选取洋浦电厂、炼化厂220kV站、金海浆纸厂220kV站、洛基220kV站四个站点。

根据其地理位置，建设构成洋浦电厂-炼化厂-浆纸厂-洛基站-洋浦电厂的一个环网。

光纤通信网光缆路由的选择。

在洋洛I 回线上已架设了一根OPGW光缆，后期配套的线路工程洋洛III线中，根据通信、保护的实际需要及今后3～5年内的发展预测，也全线架设一根24芯的OPGW光缆，中间经过浆纸厂、炼化厂两个点，形成了洋浦地区的光缆环状结构，为组成光自愈环网创造了很好的条件。

在这两根光缆中可选取2芯光纤作为本期光纤通信网的主要路由，另预留2芯作为本网络的一个备用光纤路由。

它的组网方案如图1所示，形成了一个4个点的光环网，在洛基侧接入环岛24芯主干光缆往调度端传送。

设备配置与应用。

设备选用Tallabs公司的6320系列传输系统，提供各种接口，具备成环及多方向传输的能力，具有扩展功能，能满足本期调度通信的需求及将来发展的要求。

根据业务量实际情况，一般调度通信用的4个2Mbit/s，保护用的2个
2Mbit/s，加上一些备用的2Mbit/s，实际业务量也只不过十几个2Mbit/s，所以配置155Mbit/s 的容量，共有63个2Mbit/s，可充分满足本期及近期发展的需求。

设备配置AC1系列产品，配置155Mbit/s的光接口，形成155Mbit/s的光传输速率，由光接口上所插接的光纤往各方向传输。

由于洋浦电厂离洛基距离较远，而离炼化厂较近，所以洋浦电厂原有配置的是一套长距155Mbit/s的ADM光口模块，本期新增一块短距LI光口模块。

而炼化厂配的则是短距的ADM双光口模块对应洋浦电厂和浆纸厂。

浆纸厂配的是一套短距ADM光口模块对应炼化厂和一套长距LI光口模块对应洛基方向。

洛基站已有一套Tallabs公司的光纤通信设备直传调度端，本期在原有设备上新增一155Mbit/s长距光口对应浆纸厂。

配置的ADM模块带有21
个2Mbit/s，这样保证预留足够的2Mbit/s接口，为继电保护提供复用保护通道，以及其他业务传输需要的通道。

预留对应儋州地调方向的2Mbit/s通道，将来发展需要时可以进行扩展。

图1 组网方案图配备PCM接入设备，各站点话音、远动等信号通过PCM设备接入到SDH光传输系统，并由光传输系统传到网内相应站点。

每站各配8路的FXO、FXS、4线E/M等各类话路接口单元，充分满足各站点的远动自动化、话音业务话路传输。

配置一套统一的网管系统（包括软、硬件），由中调进行统一管理。

每个站点均有2个传输方向，提高了网络的可靠性，保证了业务能够自由倒换。

当一根光缆被切断时仍可实现保护，保障通信业务向环形网络的另一个方向进行传输。

整个网络的设备配置真正体现了自愈环功能，可靠性高，维护方便，适应业务发展的需要，为进一步发展的电力系统的市场化运营和现代化管理提供了保障。

本网络在洛基侧的设备可以通过Tallabs公司原有的设备组成的网络传往调度端，将来条件成熟2.5Gbit/s环网完成建设时，也可以使用背靠背连接方式接入这个由2.5Gbit/s的设备组成的环网传往调度端。

有两条以上通往调度端的通信路由，实现了洋浦地区自愈环网与调度端之间的1 1保护。

它的配置应用情况如图2所示。

5结束语炼化厂正在建设，即将投产，金海浆纸厂自备发电厂并网方案设计也正在考虑之中，根据调度运行管理规定，这些站点需要向调度端传送相应的遥测、遥信、电量等远动信息，调度端也需要下发一路调度电话到这些站点。

新建成的SDH光纤通信自愈环网能满足这些要求，能给话音信号、远动信号以及继电保护提供传输通道。

同时该网络也具有1 1保护功能，倒换时间短（10ms），提高了网络通信的可靠、安全性。

保证了电网安全、经济、稳定、可靠的运行，保障了电力生产及继电保护、电网调度自动化的通信需要。

新建成的SDH光纤通信自愈环网除具有大容量性以及多业务性外，还将具有良好的扩展性、灵活性、互联互通性。

它通过智能PCM设备，传输时隙分配的话音、数据、图像、继电保护、MIS信息。

将来也可以在其上开展DDN业务和ATM业务。

有对外提供通信服务的能力并留有发展余地，代表电网通信发展的方向，满足电网发展的需求。

图2 155Mbit/s网络的设备配置及应用
SDH 网状网自愈
苏驷希，冀胜华，张惠民
（北京邮电大学101 信箱，北京100876）
摘要：本文讨论了SDH 网状网的自愈.由于交叉连接系统交叉连接时间的缓慢，SDH 网状网不能在整体上达
到2 秒的恢复时限.优先级恢复保证对高优先级通道达到2 秒的恢复时限.设想的恢复体系包括两个阶段：对高优先
级通道的分布式虚倒换和对低优先级通道的分布式自愈；高优先级通道能在 2 秒或更短的时间内恢复，低优先级通道
的恢复需要数秒.为了实现上述恢复体系，提出了一种多路由带宽分配方法和一种消息传播机制，这两种方法在网络
正常时使用.
关键词： 光纤数字同步系列；自愈；保护倒换；数字交叉连接系统
中图分类号： TN915.11 文献标识码： A 文章编号： 0372-2112（2000）04-0036-04 Self-healing of SDH Mesh Network
SU Si-xi ，JI Sheng-hua ，ZHANG Hui-min
（Beijing Uniuersity of Posts and Telecommunications P . 0. Box101 Beijing 100876，China ） Abstract ： Seif-Heaiing of SDH mesh network is discussed. Because of siow cross connection time of current DCS ，restoration of
mesh network cannot accompiish 2 seconds objective compieteiy. Priority restoration is used in order to meet 2s bound for high priority
path. Proposed restoration mechanism is composed of two phases ：distributed virtuai protection switching for high priority path and distributed path seif-heaiing for iow priority path. High priority path can be restored within 2s or iess and iow priority path can be restored
by severai seconds.In order to reaiize such restoration mechanism ，a muiti-route bandwidth aiiocation method and a message broadcasting method are proposed. These two methods are used in normai conditions.
Key words ： SDH ；seif-heaiing ；protection switching ；digitai cross-connect system
! 引言 S D H 是电信传输网的主要组成方式，网络生存性技术是 S D H 网络发展的重要前提. 自愈（S e i f -H e a i i n g ）是 G r o v e r ［1］
在
1987 提出的概念.基本原理是网络网元具备发现故障并能找 到替代路由，在一定时限内重新建立通信的能力.电信传输网
干ɡàn 线xi àn 网w ǎn ɡ的de 结ji é构ɡòu 为w éi 网w ǎn ɡ状zhu àn ɡ网w ǎn ɡ，网w ǎn ɡ络lu ò元yu án 素s ù由y óu 光ɡu ān ɡ纤qi àn 传chu án 输sh ū系x ì统t ǒn ɡ和h é交ji āo 叉ch ā连li án
接系统 D C （S D i g i t a i c r o s s -c o n n e c t s y s t e m ）组成.当有网络故障发 生时，D C S 端点应用分布式控制机制和空闲信道恢复故障通 道.D C S 的性能对网络的自愈有着决定性的影响［2］ ，许多因素 影响分布式 D C S 自愈的速度，主要因素有下面 2 点：（1）C P U 处理消息的时间（；2）交叉连接时间.目前 D C S 设备完成每次 交叉连接的时间对自愈来说较大，根据 B e i i c o r e ［3］ 的技术要 求，每个交叉连接能在 1 秒内完成就认为是可以接受的.即使 假设在 100 毫秒内完成每次连接，由于交叉连接是串行执行 的，要对数十个 S T M -1 完成交叉连接调整就需要数秒.交叉连 接的时间是 S D H 分布式 D C S 自愈的最重要瓶颈. C P U 的处理 时间是另外一个重要的问题.在通道层自愈恢复时，同时有许 多对端点启动自愈恢复进程，由于这些进程在 D C S 端点之间 传递消息，通道层自愈时将有大量的消息需要处理.对于通道
层自愈，满溢（F i o o d i n g）方式传递消息绝对不行，因为随着网络规模的增大，消息数目的增加是指数级的.在文［4］中，详细分析了网络故障对主要几种电信业务的不同影响：通过分析上述电信业务对网络故障引起的中断时间的敏感性，将目标恢复时间分为5个时限，即（1）0<t<50m s，（2）50m s<t< 200ms（；3）200ms < t < 2s，（4）2s < t < 10s，（5）10s < t < 5min.根据文［2］中的结论，由于S D H的D C S交叉连接时间的缓慢，不论采用何种方法在整体上达到2秒的恢复时限是不可能的. 本文提出的方法希望能够克服D C S交叉连接时间的缓慢和通道层自愈中产生的大量自愈消息.提出的自愈机制采用优先级恢复，对高优先级通道用分布式虚倒换方法恢复；对低优先级通道用分布式选择性路由通道层自愈方法恢复.为实现上述自愈方法，在网络无故障时，应用多路由带宽分配算法决定逻辑网和应用消息树传递网络消息，从而在网络故障时能快速恢复故障. 收稿日期：1998-12-01；修订日期：1999-06-10 基金项目：国家自然科学基金（No.69472034）资助课题；电子科技大学宽带光纤传输与通信系统技术国家重点实验室开放课题资助第4期2000年4月电子学报A C T A E L E C T R O N I C A S I N I C A V o i.28N o. 4
A p r i i20002多路由带宽分配
2.1多路由带宽分配带宽分配问题是指，如果网络的拓扑结构和链路容量知道，并且知道网络各个端点对的业务量，即业务量矩阵，如何安排业务量的路由和容量，也就是如何组成逻辑网.许多带宽分配办法是应用集中式算法［5］，用多商品流方法去求解，目标是使总费用最小. 用一个4端的全连接网络对多路由带宽分配做一些说明.图l是一个4端的全连接网，每边的容量为l4，任两个端之间的业务量为8. 图l多路由带宽分配在图（l a）中，任两个端点之间的业务量是直达的，每边的工作容量为8，空闲容量为6；在图l（6）中，任两个端点之间的业务量是分为三个路由来实现的（如端点U和1的业务，直达的业务量为4，另有两个经一次转接的路由，分别承担 2 个业务量），每边的工作容量为l2，空闲容量为2.虽然物理网络和链路容量一样，网络的业务量矩阵一致，但这两种安排耗用的链路容量是不一样的，图l（6）方法比图l（a）方法需要更多的链路容量.这是因为在图l（6）方法中，有部分业务量没有被安排在最短路由上；但是图l（6）方法较图l（a）方法
有更强的网络生存性.例如边（U，1）被切断时，在图l（a）中，端点U和1的逻辑连接被中断；在图l（6）中，端点U和1之间的逻辑连接仍有4个单位，另有4个端点对的逻辑连接减少2个单位.如果网络完全没有故障恢复手段，在图（l6）中，端点U和1之间的逻辑连接受到故障的影响，但仍有通信能力，至少可以保证高优先级通道的通信.下面提出的多路由带宽分配算法将尽可能缩小链路容量的耗用，这种多路由带宽分配为将来的网络故障恢复做好了准备.
2.2多路由带宽分配算法带宽分配问题：如何为网络的业务量矩阵做出多路由安排，总费用较小？S D P算法［7］在网络中找到从某源端点到某宿端点的一对路径，并且这对路径的费用之和为最小；S D P算法有边分离形式或端分离形式.下面将S D P算法推广到M S D P算法.用简单连接图G表示S D H的D C S网状网，每边（i，j）的单位费用为i i j，容量为c i j；网络的业务量分布或业务量矩阵已知.下面给出边（端）分离的m S D P算法，这个算法是对一对端点，在网络中找到m条路径，它们是边分离或端分离的，同时它们的费用之和为最小. 定理1m-S D P 1 对每边（U，1），设容量为l（这个容量和链路容量c i j没有关联，只是为了应用最小费用流方法），应用最小费用流方法求从源端S到宿端t的流量为m的最小费用流，相应的路径为边分离的m S D P的解. 证明因为每边的容量为整数l，那么从源端S到宿端t 有流量为m的解就一定有整数解；从而，某条边上如果有流量它就是l，这样一条单位流量的路径就是一条从源端S到宿端t的一条路径，而最小费用流问题的解保证了这m条路径的费用和为最小.另外，每条边的容量为l也保证了路径的边不会相交. 定理2m-S D P 2 将图G每个端点1分裂成两个端点1l和12，并且设边（1l，12）的费用为0，边（1l，12）的容量为l；原图G的边（1，w）成为（12，w l）和（w2，1l），费用不变，容量为.应用最小费用流方法求从源端S2到宿端t l的流量为m的最小费用流，相应的路径为端分离的m S D P的解. 证明因为每边的容量为整数，那么从源端S2到宿端t l 有流量为m的解就有整数解.从而，边（1l，12）上如果有流量它就是l，这样一条单位流量的路径就是一条从源端S2到宿端t l的一条路径，而最小费用流问题的解保证了这m条路径的费用和为最小.另外，边（1l，12）的容量为l也保证了路径的端分离. 每边的费用表明了光纤传输系统的费用，端的费用并没
有考虑.为描述端的转接费用，每条边定义第二种费用，这种费用每边都是l.应用双权问题解法［6］，能够得到更加实用的算法.由于传输系统的费用是主要费用，故边费用是主要费用，端费用（第二种边费用，每边都是l）是相对次要的费用. 定理3将在每边有上述两种权的情况下，找到从源端S到宿端t的m条边分离（或端分离）路径. 定理3m-S D P 3 网络G的每边（U，1）有费用i U1和l，通过t方法［6］将问题变换为单费用问题，迭代找到从源端S到宿端t的m条边（端分离）分离路径，并且它们关于费用l之和小于预定上界，而关于费用i的和为最小. 证明参见文［6］. 为了实现分布式带宽分配，每个网络端点都需要存储网络的拓扑结构和链路容量，并且能够了解网络的变化情况.在文［8］中提出了消息树，网络端点沿消息树传递消息更新各端点的知识.当某些端点对应用分布式带宽分配算法得到一些通道和路由安排时，这些通道的两端通过第一类消息传播树将这些网络变化消息传播出去，使网络的各个端点都得到网络的变化消息，更新自己的数据库；当某些通道撤消时，通道的两端也通过第一类消息传播树将这些网络变化消息传播出去，使网络的各个端点都得到网络的变化消息，更新自己的数据库.m S D P算法强调带宽分配的多路由，并在这基础上尽可能节约费用，同时为分布式虚倒换做好准备. 3S D H网状网恢复为了节约D C S的交叉连接时间，M a c g r e g o r［9］在链路层自愈中采用了一种办法提高自愈速度，这种办法是在网络的空闲容量中，预先根据一定规则将空闲通道交叉连接起来，组成2 电子学报2000 年一定的结构，如一些圈等.当网络故障发生时，故障链路的两端负责恢复受损的链路；假如这两个端点在某一个圈上，那么，根据这个圈上的空闲容量的大小，受损链路的两端迅速将部分受损通道倒换到圈上.由于这部分通道的恢复没有在中间D C S端点上执行交叉连接，因此恢复时间很快，完全能够达到第三恢复时限；余下没有恢复的通道用实时分布式链路层自愈来恢复，可能的恢复时限为第四时限.这个方法能够使部分通道在2秒的时限内完成恢复，较一般链路层恢复有了一定提高，但由于整个恢复是基于链路级的，故链路的两端无法将优先级高的通道倒换到预先计划好的圈上.另外，网络业务量分布变化时，需要重新设计空闲容量的预置结构.这种重新设计较困难.下面的虚保护倒换在多路由带宽分配和消息树的基础上，对高优先级通道进行倒换恢复，不需要执行通道中间端点的交叉连接.恢复时间能达到第三恢复时限或2秒.
3.1虚保护倒换图2虚倒换原理为了简单，假设网络的通道只有两个优先级，并且网络任意一对端点的逻辑连接都有边分离或端分离的物理连接!一般来说，优先级高的通道占总通道的比例较小!图2表明了虚倒换原理!网络中的端点"和#的逻辑连接有三个不同端分离物理路由1，2和3实现!表1表明了在网络故障前、故障发生时和虚倒换完成后各个路由上通道分布情况! 表1虚倒换原理故障类型路由3有故障路由3有故障，将高优先级通道倒换到路由 1 总通道数高优先级通道路由3上发生故障时高优先级通道倒换后总通道数高优先级高通道数高优先级"和#逻辑连接103626 3 物理路由131313 2 物理路由231313 1 物理路由3410000 当网络故障发生时，由于物理路由3上故障导致"和# 逻辑连接有四个通道受损，其中一个为高优先级通道!虚倒换将物理路由3上的高优先级通道倒换到路由1上（倒换到路由2也可以），强制将物理路由1上一个低优先级通道拆除，将路由3的高优先级通道倒换到这个低优先级通道上!由于这两个通道的倒换只在通道首末两端进行，和中间D C S端点没有关系，同时没有一般自愈协议的交互式消息传递过程，因此完全可以在第2或第3时限内完成对路由3上的高优先级通道的恢复!在虚倒换完成后，网络的分布式通道层自愈面临的恢复任务是路由1的一个通道和路由3的3个通道，它们都是低优先级的通道!这时分布式通道层自愈恢复的任务和虚倒换前是完全一样的，都需要恢复端点"和#之间的4个通道! 由于每个物理路由上低优先级通道数目较高优先级通道多，虚倒换是容易进行和安排的!虚倒换对高优先级通道提供了很高的保护，如图2中端点"和#之间有三个端分离的物理路由，当网络同时发生两个端故障时（只要不是端点" 和#），虚倒换仍然可以保证恢复端点"和#之间的高优先级通道!当网络故障发生时，受影响的通道可能很多，由于多路由带宽分配算法保证逻辑连接路由多样性，虚倒换可以在不同端点对之间并行进行，彼此不会有任何影响，不会发生在通。