光传输网(OTN)技术在省级电力传输网中的应用

2013-08-09梁婧秦淼

电力建设 2013年3期

梁婧，秦淼

(宜昌供电公司信息通信公司，湖北省宜昌市 443000)

0 引言

随着建设坚强智能电网的深化，信息化应用的需求日益增长，电力通信系统带宽扩容的建设步伐进一步加快。电力市场的各类信息应用系统已进入建设或实用阶段，这些系统的应用范围广，实时性与可靠性要求高，对带宽的要求也越来越高。目前仅依靠现有的以同步数字体系(synchronous digital hierarchy，SDH)技术为基础的主干传输网，显然已无法满足我国电力的发展要求。

如何提高通信系统的性能，增加系统带宽，以满足不断增长的业务需求成为电力光传输网的焦点。目前最有效的解决方法就是建成利用波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)技术的全光网络。波分复用技术是利用已经敷设好的光纤，将复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用(即频率复用)的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明，使单根光纤的传输容量在高速率时分复用(time division multiplexing，TDM)的基础上成倍地增加。它是一种在光域上的复用技术，形成一个光层的网络即“全光网”，这将是光通信的最高阶段。用一个纯粹的“全光网”消除光、电转换的瓶颈将是未来的趋势，它可有效解决通信网络传输能力不足的问题，具有广阔的发展前景。同时，它还可融合SDH丰富的管理特性以及电交叉矩阵，支持复杂组网，网络扩展能力强。支持自动交换光网络 (Automatic Switched Optical Network，ASON)智能特性，是下一代传输网的发展方向。

1 光传输网技术概述

1.1 波分复用(WDM)技术

WDM是20世纪90年代以来发展较迅速的一种传输技术，它利用丰富的波长资源，极大地提高系统的传输容量。WDM在20世纪90年代中期后走向成熟并投入商用，目前的商用以16～40波的2.5 Gb/s或10 Gb/s为主，160波的10 Gb/s逐渐开始商用，并向超长距离和超高密度方向发展。

WDM传输系统的发送端，采用合波器将待传输的多个光载波信号进行复接，而在接收端采用分波器分离出不同波长的光信号，实现在1根纤芯中传输多个光载波。目前 WDM可以分为:粗波分复用(coarse wavelength division multiplexer，CWDM)，通道间隔＜50 GHz;密集波分复用 (dense wavelength division multiplexer，DWDM)，通道间隔≤100 GHz;超密集波分复用(super dense wavelength division multiplexer，SDWDM)，通道间隔≤25 GHz。

WDM系统虽然凭借光纤天然的带宽优势和多波长通道技术提供了海量带宽，但是目前点对点的WDM系统无法满足组网的需求，也缺乏有效的全网业务监控和维护管理手段，不同厂商WDM系统由于在业务适配、线路处理等方面的不一致，只能采用业务口进行互通，既增加成本，又不利于“端到端”管理。

1.2 光传送网(OTN)

早在1998年，ITU-T就已经提出了光传送网(optical transport network，OTN)的概念，并在随后的几年内逐渐完成了OTN相关技术的标准化工作。OTN将解决SDH基于VC12/VC4的交叉颗粒偏小、调度较复杂、不适应大颗粒业务传送需求的问题，也解决了传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力、组网能力弱、保护能力弱、系统故障定位困难等问题。OTN包括光层和电层的完整体系结构，对于各层网络都有相应的管理监控机制，光层和电层都具有网络生存性机制。其思想来源于SDH/SONET(映射、复用、灵活交叉、嵌入式开销、级联、保护)，把SDH/SONET的可运营、可管理能力应用到WDM系统中，同时具备了SDH/SONET灵活可靠和WDM容量大的优势。SONET/SDH定位于话音业务的传送，提供低阶、高阶(155 Mb/s)2种级别交叉。当线路速率提高到10 Gb/s/40 Gb/s，IP等业务将大量涌现，交换速率仍然不变，硬件成本和管理成本增加，连续级联虽然能解决一些问题，但管理困难，同时T级别的交叉容量较难实现。OTN体制消除了交叉速率上的限制，可随着线路速率的增加而增加，也可通过反向复用来适应线路速率的变化，即各个部分可分别设计、独立发展，可扩展性好，几十T级别的交换容量较易实现，成本低，易于管理。SDH/SONET系统由于采用同步复用方式，要求全网同步，而OTN采用异步映射、异步复用机制，不需要系统全网同步，消除了由于同步带来的限制，可以简化系统设计，降低实现成本，同时也可节省时钟同步设备的建设成本。

同时，传统WDM设备使用TMUX方式将子速率业务直接复用到波道上只能点到点地传送，无法兼顾波道带宽高利用率和端到端的灵活调度，而OTN设备具备和SDH类似的特性，支持子速率业务的映射、复用和交叉连接，两方面均可得到满足。

1.3 OTN的特征

OTN综合了SONET/SDH的优点和DWDM的带宽可扩展性。从功能上看，就是在光域内实现业务信号的传送、复用、路由选择、监控，并保证其性能指标和生存性。它同SDH传送网一样，满足传送网的通用模型，遵循一般传送网组织原理、功能结构的建模和信息的定义，采用了相似的描述方式。

与SDH传送网技术相比，OTN有以下特点:

(1)因为OTN是按照信号的波长来进行信号处理，因此它对所传送数字信号的传输速率、数据格式及调制方式完全透明，这意味着光传送网不仅可以透明传送今天已经广泛使用的SDH、IP、以太网、帧中继(FR)和ATM信号等，而且也完全可以透明传送今后使用的新的数字业务信号。

(2)因为OTN采用了DWDM传输技术，因此，不仅实现了超大容量的传输，更重要的是使光传送网具有极强的可扩充性，这使光传送网可以不断地根据业务发展情况，进行网络扩容。

(3)因为OTN采用了光交叉技术，因此，光传送网具有极强的重新配置及保护、恢复特性。光传送网可以进行波长级、波长组级和光纤级灵活重组，特别是在波长级可以提供“端到端”的波长业务。此外，光传送网的恢复时间可以降低到100 ms量级。

(4)因为OTN简化了网络层次和结构，大量使用了光无源器件，进而简化了网络管理和规划难度，提高了网络的可靠性，进而大幅度降低了网络建设和运营维护的成本。

(5)因为OTN主要在光域内传送和处理信号，因而消除了电子瓶颈。

综上所述，OTN技术兼有传统SDH/SONET和WDM的优势，同时又保持了对它们的兼容能力。在光层，OTN的实现与现有WDM没有本质区别，因此实现上没有太大的成本代价;在电层，OTN使用异步的映射和复用，使得关键的交叉内核可采用最经济的空分交叉技术。经过多年的发展，OTN技术较成熟，接口OTN化的SDH/SONET/WDM设备也已取得大量应用，OTN化的ASON设备也已在运营商层面开始部署。随着IP化浪潮的逐步来临，OTN将成为构建灵活的宽带传送网络的首选技术。

2 OTN技术在省级电力传输网中的应用

以湖北省电力网为例，目前湖北省骨干2.5 Gb/s/10 Gb/s主干传输网络存在容量瓶颈，设备扩容潜力小。根据湖北电力带宽预测数据，鄂西部分基础流量约116.4 Gb/s，鄂东部分基础流量约61.5 Gb/s。

湖北省主干2.5 Gb/s传输网鄂中环容量为2.5 Gb/s，使用超过84.1%;鄂西环容量为2.5Gb/s，使用超过91.6%;鄂东1环容量为622 Mb/s，使用超过83.4%;鄂东2环容量为622 Mb/s，使用超过86.4%。目前，省主干2.5 Gb/s传输网剩余带宽资源已严重不足，无法再提供超过1个时隙的155 Mb/s带宽，只能提供零散的2 Mb/s带宽资源。

湖北省主干10 Gb/s传输网鄂西环网2×10 Gb/s环断面最大已用83×155 Mb/s，使用超过64.8%;鄂东环2×2.5 Gb/s环断面最大已用32×155 Mb/s，使用率达到100%。目前鄂东环带宽资源十分紧张，已经面临无资源可用的局面，将限制新业务的开展。

湖北省骨干传输网需建设的是大容量、基于WDM网络技术的电力宽带传输网，以满足电网发展对传输网带宽化、智能化、IP化的新要求。根据流量预测，湖北电力宽带传输网主要解决容量问题，首选以WDM技术为支撑的OTN系统。将IP业务架构在OTN上，新建的OTN网络与现有SDH网络采用相互独立关系，承载不同类型的业务，原则上SDH网络仅用于承载小颗粒业务(155 Mb/s及以下)，而OTN网用于承载大颗粒业务(155 Mb/s及以上)。

2.1 网络总体架构

本工程利用现有光缆纤芯资源和已有通信机房、通信电源等资源，构建一个大容量骨干传输网。综合考虑需求预测和已有网络关系，拟建设OTN网络与现有网络总体架构如图1所示。

图1 湖北省电力传输网总体架构图Fig.1 Overall architecture diagram of power transmission grid in Hubei Province

如图1所示，已有主干SDH传输网1和2主要承担继电保护、自动化、调度数据网、数据通信网和调度电话等业务，保证TDM业务的安全可靠性。新建的OTN网络主要承担数据通信网大颗粒GE/10 GE、调度数据网155 Mb/s、经SDH汇聚后的155 Mb/s/622 Mb/s/2.5 Gb/s等业务。当网络正常时，IP业务、大颗粒TDM业务主要承载于OTN平台，满足大容量需求;当OTN网络单点或单链路故障时，OTN网络可通过自愈功能实现业务倒换;当OTN网络双点或双链路故障时，OTN网络可通过ASON功能，实现业务倒换;当OTN网络双点以上或双链路以上故障时，OTN网络保护失效，数据通信网重要业务可利用主干SDH传输网2传送，多网联合可抵御多重故障，大大提高网络传输能力和网络可靠性。

2.2 网络建设方案

根据湖北省电网“十二五”期间的业务需求，本工程采用OTN技术建设湖北电力宽带传输网络，系统容量为40×10 Gb/s。每个地市公司至省公司2个10 Gb/s波，每个地市公司至荆州备调1个10 Gb/s波，湖北省公司至荆州备调2个10 Gb/s波。神农架林区业务通过省主干10 Gb/s光纤传输网汇聚到襄阳公司后，和襄阳公司的业务共用波长资源分别至湖北省公司和备调;黄龙滩电厂业务直接接入十堰公司后，和十堰公司的业务共用波长资源分别至湖北省公司和备调。

整个工程涵盖省公司、14个地市公司、超高压公司、黄龙滩电厂和枢纽500kV/220 kV通信站点。考虑到500kV/220 kV线路OPGW光缆可靠性高，骨干环网光缆路由尽量选择OPGW光缆，使骨干环网处于相对稳定的运行状态。各地市公司、超高压公司位于城区，出城光缆多为普通光缆，可靠性不如OPGW，因此采用2点接入骨干环网。由于省公司是核心节点，则采用多路由接入骨干环网上的多个节点，网络拓扑如图2所示。

图2 湖北省电力宽带传输网拓扑方案Fig.2 Topology scheme of power broadband transmission network in Hubei Province

方案中，整个网络建设依托500kV和220 kV线路光缆建设OTN主干网络，OTN主干网络采用“田”字形结构。地市公司、备调均2点接入主干OTN环网;省公司配置2套设备，每套设备均采用3条路由接入主干OTN环网。因神农架和黄龙滩电厂业务量较小，暂不考虑设置OTN设备，直接利用SDH链路接入。神农架通过襄阳公司接入，黄龙滩电厂通过十堰公司接入。方案一共有42个站点，其中OTN站点37个，OLA线放站4个，SDH站点1个。

2.3 地市公司接入方案

以宜昌公司为例，其接入OTN主干网方案如图3所示。

图3 宜昌公司接入方案Fig.3 Access scheme of Yichang Company

宜昌公司配置1套OTN设备，以2点接入OTN网络。虽然是单套设备接入OTN网络，但目前宜昌还配置有2套省干SDH设备，未来还会在各地区第2汇聚节点接入省干网络，因此可靠性也能够得到保证。光缆路由如表1所示。

OTN的运行、维护、管理与SDH相似。对于维护来说，分体式设计OTN大大减少了单板的种类，单路由器端口升级时只需更换支路侧端口，线路侧不需改变，可节约投资。OTN支持丰富的告警检测，提供专门的开销支持误码性能倒换，具备了提供多种保护方式的良好基础，提供类比SDH网络的保护能力。设备新增的电交叉板，可对业务设置类似于SDH的SNCP保护，同时OTN支持ASON智能保护。面向IP化设计的波分，业务可灵活调度，IP化适应性高，为以后的升级留足了空间。

表1 宜昌光缆接入路由表Tab.1 Routing table of cable access in Yichang

省骨干网OTN传送平台建成后，给全省电力系统的数据传输带来了以下优势:

(1)极大缓解了SDH光纤传输网络的业务压力，OTN建成后，数据通信等网络的大颗粒业务将从SDH光纤传输网调整到OTN，能够大大减轻SDH网络的业务压力，为其他系统的实施留出空间。

(2)进一步提高湖北省电力光纤传输网的可靠性。虽然目前湖北省已建成主干2.5 Gb/s和10 Gb/s 2个省级骨干网络，可靠性有了一定保障，但随着电网建设的增速，500kV和220 kV网架频繁改动，造成了省级骨干网络随时面临开环运行的局面。虽然SDH环网具备自愈的功能，但是频繁开环运行会对运行业务带来极大的安全隐患。OTN网络系统建成后，有利于OTN大容量传输和ASON功能，能够方便地将SDH网络中某段开环的业务导通，从逻辑上恢复SDH的环网业务，从而减小电网一次网架改动对主干SDH光纤网络的影响，降低光纤传输网络运行的安全隐患。

(3)OTN的建成有利于湖北省电力网各级光纤传输网的业务互通，为“大运行”提供了便利。目前，湖北省电力光纤传输网各网络相对独立，业务没有互通。随着“大运行”的实施，要求光纤传输网络“扁平化”，220、110 kV站的业务要求能够直接传送至省公司，按照目前的网络层次划分和网络结构实现上述功能非常复杂，需要多点跳接。OTN建成后，在各地区公司能够预留多种接口，分别和省主干2.5 Gb/s光纤环网、省主干10 Gb/s光纤环网、220 kV双网覆盖网络和地区光纤传输网的设备对接，实现各级网络在OTN上的汇接，不仅实现了各级网络之间的业务互通，还能够为地区业务传送至省公司提供通道，为“大运行”的实施创造条件。