四纤自愈环技术在电力通信网中应用的研究.docx
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四纤自愈环技术在电力通信网中应用的研究
华北电力大学硕士学位论文
摘
要
电力通信网主要承载继电保护、调度数据、营销自动化、电能量采集、生产M
IS等重要信息。
随着电力系统的快速发展和电网数字化、信息化建设步伐的加快，
电力系统通信需要传输的信息量也在快速增长，对电力通信网的要求也越来越高。
由于唐山电力通信网在建设初期多为链状网络结构，网络的安全性、可靠性和灵活
性较差，缺乏电路的自动恢复功能，对电力生产、经营等造成一定影响。
本文在对SDH自愈环保护技术的基本原理和国内外研究与应用现状进行分析
的基础上，结合唐山地区现有电力通信网络的状况，分析了四纤自愈环技术相对于
其它自愈环方式的优势和不足及采用四纤自愈环技术进行改造的必要性和可行性。
结合唐山地区电力通信业务的进一步需求和现有网络资源状况，设计了基于四纤自
愈环的唐山地区电力通信网组网方案和继电保护通道路由方式，并重点对自愈环传
输时延参数进行了理论分析和计算。
完成了基于四纤自愈环的唐山电力通信网方案
的实施与误码、抖动、时延等系统性能指标的测试和分析工作。
测试结果表明，设
计的网络完全能够满足电力系统调度数据、营销自动化、电能量采集、生产MIS等
重要业务的需求，也能满足继电保护通道对延时收发一致的要求。
基于四纤自愈环的电力通信网具有生存性高，网络恢复时间短，业务容量大，
业务疏导能力强等优点，能够满足电力系统业务的需求，具有应用和推广价值。
关键词：
光纤通信；自愈环保护；继电保护通道；通道时延；电力通信网
-I-
华北电力大学硕士学位论文
Abstract
Theelectricpowercommunicationnetworksmainlytransmittherelayprotection,
dispatchingdata,marketingautomation,electricenergyacquisition,MISandother
information.Withtherapiddevelopmentofpowersystemsandthedigitalizationand
informatizationofgrid,theamountofinformationneedtobetransmittedandthe
requirementsofpowercommunicationnetworksaregrowingfast.Intheearlystage
ofTangshanpowercommunicationnetworks’construction,thenetworksmostlyare
chainconfiguration,sothesecurity,reliability,flexibilityandtheauto-recovery
circuitareinfficient,whichaffectthepowerproductionandmanagement.
Thepaperisbasedonthefundamentalprinciplesandofthedomesticandforeign
researchandapplicationsituationofSDHself-healingringprotection.Itnotonly
analyzedtheadvantagesanddisadvantagesoffour-fiberself-healingringscompared
withothermethods,butalsoresearchedthenecessityandfeasibilityofthe
transformationoffourfiberself-healingringtechnologycombinedwiththeexisting
statusofTangshanelectricpowercommunicationnetworks.Consideredwiththe
furtherdemandforpowercommunicationservicesandtheexistingnetworkresources,
theelectricpowercommunicationnetworkprogramsandprotectionchannelrouting
whichbasedonthefour-fiberringaredesigned,andfocusedonthetheoretical
analysisandcalculationofself-healingringtransmissiondelayparameters.The
implementationofTangshanpowercommunicationnetworkprogramsiscompleted,
andthesystemperformancearetestedandanalyzed,suchasbiterrorrates,jitter,
delay,etc.Testresultsshowthatdesignednetworkscanfullymeetthedemandsofthe
relayprotection,dispatchingdata,marketingautomation,electricenergyacquisition,
MISandotherinformationofthepowersystem,andcanalsosatisfythespecial
requirementsofrelayprotectionchannel,thatisthetransmissiondelaytimein
sendingandreceivingisequal.
Thepowercommunicationsnetworkswhichbasedonfour-fiberself-healing
ringshavetheadvantagesofhighsurvivability,shortnetworkrecoverytime,large
bandcapacityandstrongtrafficgroomingcapability.Itcansatisfythedemandofthe
powersystems’servicesandhasthevalueofapplicationandextension.
Keywords:
Opticalfibercommunication;self-healingringprotection;Relay
protectionchannel;Channeldelay;Electricpowercommunicationnetworks
-II-
华北电力大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：
此处所提交的硕士学位论文《四纤自愈环技术在电力通信网
中的应用研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立
进行研究工作所取得的成果。
据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已
发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已
在文中以明确方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签名：
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华北电力大学硕士学位论文使用授权书
《四纤自愈环技术在电力通信网中的应用研究》系本人在华北电力大学攻
读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果归华北电
力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。
本人完全了解华北
电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机
构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有
关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。
本人授权华北电力大学，可以采用
影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。
本学位论文属于（请在以上相应方框内打“√”）：
保密□，在
不保密□
年解密后适用本授权书
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华北电力大学硕士学位论文
第1章绪论
1.1课题的背景和意义
电力系统通信为适应电力系统高速发展的需要，要求在原有光传输系统通信
网络的基础上，建设自身的新型通信网络，最终形成一个覆盖面广、技术先进、
可靠性高的电力系统现代光传输通信网，以确保电力系统安全、可靠运行，提高
企业的运营效率和管理水平，为祖国的现代化建设提供强大的电力支持。
二十一世纪，是知识经济和信息化的时代，信息化程度成为一个国家现代化
水平和综合国力的重要标志。
建设电力光传输系统通信网不仅可为电力信息产业
发展提供基础通信平台，也可提高电力数据通信的占有率和竞争能力，为参与国
内和国际竞争提供完备的技术支持。
随着电力系统快速发展，电力系统通信信息流量猛增，数据、多媒体业务以
几何数量级增长，尤其是Intranet网的发展更为迅猛，计算机的普及，办公自动
化、商务活动信息化和多媒体（会议电视、办公桌面系统、视频信息点播、WW
W服务系统等）需求的日益增多，未来的电力通信网将是以数据为主导业务，其
对通信网络在带宽、网络可靠性、网络安全性、网络智能、网络灵活性、网络延
扩性等各个方面都有更高的要求。
今天的电力业务已从单一的话音、专线接入方
式发展为多媒体、多业务的接入方式，不同地区、不同业务对网络带宽的要求有
很大差别，从每秒几千比特到每秒几十兆比特不等，而且不同应用对网络服务质
量的延时、可靠性保证等有不同要求，能根据上述要求构建电力系统在单一或多
个接入介质上按需求灵活地分配带宽、指定优先级的新型通信平台，以便在网络
中以不同的方式进行处理而满足各方面的需求。
面对这样丰富多彩的应用需求，
传统的以语音业务为主，以时分复用技术为基础的通信网络已无法适应新一代数
据应用的需求，通信网络从话音网、话音交换和话音服务转为数据网、数据交换
和数据服务的新一代通信网势在必行。
而且随着电力通信的快速发展，电力系统
的光传输网络的保护能力已不能保证继电保护信号、安全自动装置的安全传输，
原有的通信网已不能适应电力通信业务容量的发展。
因此建立一个保护能力强大
的高速率现代通信光传输网将是电力系统新一代通信网络发展的必然方向。
光纤自愈环保护技术为实现网络承载业务提供了全方位的自动保护，使网络
的可靠性大大提高。
光纤自愈环网络不需要人为的干预就能在较短时间内从故障
中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络发生了中断。
然而在PDH（Plesi
ochronusDigitalHierarchy，准同步数字体系）环境下，由于PDH体制不灵活的
网络结构和有限的网元智能与管理功能，自愈环功能未能得到广泛应用。
只有当
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华北电力大学硕士学位论文
SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字序列）引入后，由于其灵活的复用
结构，嵌入控制通路的应用和智能分插复用器的结合，才使自愈环结构快速地发
展起来，成为一种改进传输网灵活性和生存性的新型网络结构形式。
可以预见，
自愈环光纤网络将得到广泛应用，在以SDH为基础的新一代传输网中扮演越来
越重要的角色。
1.2课题的研究现状
随着社会的不断进步，人们对信息的依赖性越来越强，网络传送的信息容量
也急剧增长。
一方面，通信网络既要满足不断增长的服务要求，又要提供日益多
样化的业务，通信网络的中断和故障已不仅仅是不方便的问题，而可能是影响整
个社会，甚至是使整个社会陷入瘫痪的事件；另一方面，随着技术的进步和社会
的需求增加，传输线路的速率也越来越高，通信网尤其是大容量高速通信网络的
中断将造成巨大的影响和损失，通信网络的可靠性和生存性问题日益受到人们的
关注，而SDH自愈环技术在优化网络结构，提高网络生存性方面提供了一种很
好的技术[1]。
SDH网络的主要优点之一，是可以利用不同的基本网络结构，使整个传输
网具有应付网络故障的能力，提高网络运行的可靠性。
SDH网络主要依靠保护
和恢复这两种互不相同的作用机制，以保证通信业务在发生故障情况下的维持。
保护通常是指利用预留的网络容量，为失效的业务提供备用通道，以便快速恢复
受影响的业务。
这是一种静态的网络保护方式，不需要网管进行干预。
基于保护
技术的网络结构形式有线性网络和环形网络两种，其中SDH环形网络因为具有
比较完善的保护功能和灵活的组网方式，生存性和自愈能力强，又称为自愈环或
自愈网[2-5]。
网络恢复通常是指利用网络本身的冗余容量，根据一定的算法，为
受故障影响的业务重新分配到达目的地的路由。
这是一个动态的过程，必须有网
管的参与，一般用于数字交叉连接设备（DXC）上。
自愈环技术利用多路由的网络
拓扑方式，提高了网络的生存能力和适应能力，降低了倒换路由时所需的备用设
备成本，因而得到广泛应用。
由于电力系统通信业务要求信号中断和恢复的时间
短、生存能力强、可靠性高等，使得在电力系统通信网中，光纤自愈环环技术得
到了较为广泛的应用，其中二纤自愈环环应用较多，而四纤自愈环网应用相对较
少[6-9]。
基于SDH技术的光纤通信网在经过二十多年发展，技术已经非常成熟，不
论是公网还是专网其传输网基本上都是SDH的。
近年来，随着OPGW在电力系
统中的大量运用，以SDH设备为主导组成的电力传输网正在迅速发展。
SDH的
网络自愈功能使其成为可靠性和生存性非常理想的传送网技术，随着通信网的发
展，必然得到广泛应用。
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由于采用自愈环的SDH光纤网络的网络结构具有可靠性高、业务恢复时间
短、中继距离长、迂回路由配置灵活、性价比高等优点，使得通信系统在设备发
生故障或光缆遭到外力破坏的时候，能表现出良好的自我恢复能力。
因此，在电
力系统中SDH光纤传输网优先选用自愈环网结构，对基于SDH光纤自愈环网传
输纵联保护信号的研究具有十分重要的现实意义。
文献[10][11]论述了采用SDH光纤自愈环网传输继电保护信号在理论上是可
行的，这一点也为国内外广大学者和专家所证实。
实际上，国内输电线路的纵联
保护采用复用通道也证明了对于复用保护通道，在路由相同时，通道两个方向的
延时一样，可以满足线路纵差、纵联保护的要求。
但是，基于SDH的光纤自愈
网一般采用环状网络结构，在提高网络的生存性，缩短网络故障时业务失效时间
的同时，也使得环上两个节点之间的收发信息可能经过二个不同方向的路由，使
得收发信息的延时不一样。
自愈环技术的提出主要是为了能够缩短故障时业务恢
复的时间，一般的语音、视频、数据等业务并不关心通道双向延时是否一致，这
一点与电力系统中继电保护（尤其是输电线路电流纵差保护）的信息传输要求不
同。
因此，采用自愈环网作为线路主保护通道时，能否满足继电保护，尤其是输
电线路电流纵差保护对通道双向延时一致性要求是关键的问题。
在国内外的许多
文献中，提到了自愈环网采用双向通道倒换环可以保证光缆被外力切断时通道的
延时要求，可以满足会议电视等实时业务对通道延时的高要求。
但是，当采用
SDH光纤自愈环网作为线路纵差保护通道时，碰到了一系列问题，如：
差动保
护装置显示的通道延时同理论的估算值不一致；装置显示差流值较实际差流值偏
大，并且随着负荷的变化而变化等。
目前电力系统通信网都是一个个相对独立的通信网，光纤设备之间各自独
立，使设备之间无法实现强大的保护机制；同时，由于设备没有成网，所以单独
的设备上网管必须提供路由通道，增加了上网管的复杂和安全性；松散的拓扑为
有效管理传输网和充分利用传输网的容量造成了无法解决的障碍，传输网的容量
已不能满足电力通信发展的需要。
为提高电力通信网的可靠性、灵活性，确保电
网安全可靠运行，建设电力自愈环光纤网络是非常必要的。
本文主要是针对四纤
自愈环技术在电力通信网中的应用进行研究。
1.3电力主干光纤网四纤环改造的必要性
SDH环网的自愈功能，可有效地防止因线路设备故障及线路切改而导致的
业务中断，可极大地提高线路的可用率和可靠性，增强网络的安全性。
SDH环
网从已具备的光缆条件来看，随着电网中主干光纤网和ADSS光缆的建设，光纤
已经全面覆盖了省供电公司、供电分公司、500kV和220kV变电站。
每个变电
站至少有两条光缆出口，网络初步呈现环形的布局。
从纤芯资源来看，电力系统
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光纤主干网一般按照24芯的标准建设，资源相对比较充足。
从设备配置来看，
每个2.5G的节点均按照1+1光口配置。
因此，构建安全、可靠的四纤复用段保
护环网的条件已经基本具备。
在电力通信传输网中，除了传统的语音业务之外，还有变电站站点之间、省
到市之间的继电保护、自动化、调度数据、电力营销、MIS等重要业务。
这些业
务与电网的安全生产和经营管理密切相关，在运行期间不能中断，其中有的业务
对传输时延和误码率等指标也有很高要求。
因此，和通信运营商注重建设成本不
同的是，电力通信专网更加注重的是网络的可靠性，也就是说，可靠性是电力通
信网络规划建设的第一要素。
继电保护业务是电力系统通信中最重要的业务之一，继电保护通道的稳定运
行是保证继电保护信息稳定传输的关键[12]，而自愈环技术的引入为保证继电保
护通道的稳定运行提供了技术支持，目前应用的自愈环主要有二纤环和四纤环两
种。
在电力通信网络应用中，SDH二纤环与四纤环相比,存在如下一些缺点：
（1）由于四纤自愈环具有区段倒换功能，而二纤环只有环倒换功能，因此在
单纤或双纤故障时二纤环执行倒换的时间较长；
（2）在SDH设备的板卡发生故障时，四纤自愈环仍然能够执行区段倒换和环
倒换功能，而二纤环由于无法执行倒换功能，会导致业务中断，可靠性比较差；
（3）根据二纤复用段保护环倒换原理，2.5G二纤复用段保护环的前8个VC4
承载业务信息，而后8个VC4起保护作用。
从目前电力通信网业务的带宽和发
展来看，两纤环已经不能满足需要。
而对于2.5G的四纤复用段保护环，16个
VC4可以全部用来传输业务数据，从容量、倒换方式、可靠性等各方面都优于
两纤环，既能满足电力通信网高可靠性要求，又能满足电力系统所有业务对通道
的技术参数要求，是当前电力主干光纤网建设的必然选择。
四纤复用段保护环虽然既支持环倒换，也支持跨距段倒换，某些多个故障情
况可以完全得到保护。
但对于接入网集中型的业务量分布来说，这种跨距段的保
护显示不出其优越性。
从成本上来看，四纤环能提供较二纤环高的业务容量，适用于业务容量足够
大的情况。
但对于接入网应用环境，由于处于网络的边缘，业务容量低，因此简
单的二纤环的应用更显得经济。
1.4本文的研究内容和组织结构
与运营商网络注重成本和效益的观点不同，电力系统的通信传输网更加注重
网络的可靠性。
通信传输网在电力系统中有着重要的地位和作用，因为它不仅承
载了传输传统的语音业务，还承载了各个变电站之间、省公司到市公司之间的继
电保护、自动化、调度数据等业务信息。
在电网运行期间，这些信息的传输不能
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中断，并且继电保护等信息对时延、误码率等指标的要求较高。
本课题旨在对四纤自愈环技术在电力通信网中的应用的可行性进行分析。
主
要内容和组织结构分为以下几个层次：
（1）首先对SDH的自愈网原理进行分析和比较，对不同自愈方式的容量、倒
换方式、可靠性以及承载业务对通道的要求进行分析，判断四纤双向复用段倒换
环能否满足电力通信业务对网络的要求。
（2）在对四纤双向复用段倒换环进行分析的基础上，对唐山地区的电力网络
现状进行调研和分析，对骨干通信网需求进行分析和预测，采用四纤自愈环技术
对唐山地区的电力通信网进行改造设计，优化了网络结构。
（3）对继电保护通道中的纵联保护进行研究和探索，分析纵联保护对传输通
道的要求，着重对继电保护通道的时延特性和误码性能进行分析，以便考察通信
的通道能否满足继电保护信号的传输要求。
（4）对整个系统的相关指标和技术性能进行了测试。
在电力通信网中构建四
纤自愈环网络，对SDH设备的平均发送光功率、接收机灵敏度、抖动和漂移、
传输时延和线路倒换进行测试。
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第2章SDH自愈网原理
当今社会的信息高度发达，这就要求通信网能传输各种各样的电信业务。
通
信网传输、交换、处理的信息量在不断的增大，因此，通信网络的安全性和生存
性也显得越来越重要。
自愈环的概念由此而生，特别是一种称为自愈环的结构倍
受青睐，SDH自愈环保护就是提高安全性和生存性的手段之一。
PDH体制由于其具有固有僵硬的结构和有限的网元智能，不能将自愈环结
构广泛的应用起来。
自愈环结构蓬勃地发展则是在SDH体制引入之后，它是一
种改进传输网灵活性和生存性的新型网络结构。
目前，SDH自愈环在中继网和
接入网中已经获得了广泛的应用。
2.1SDH网络结构
以前我国的多数通信传输设备是基于PDH（PlesiochronousDigitalHierarchy，
准同步数字序列）技术。
由于没有通用性的光接口规范标准，导致各生产厂商开
发生产的专用光接口无法互通，只有通过光/电转换成标准电接口才能互通；PDH
系统除了几个低速率等级的信号采用同步复用外，其他多数等级的信号采用异步
复用，硬件复杂，缺乏灵活性，并且达不到完全同步。
随着光纤通信技术的发展，
SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字序列）实现了真正意义上的数字信
号同步传输，提高了网络的灵活性，简化了网络结构，提高了传输质量，统一了
接口标准，还有自愈能力强等显著优点。
SDH光纤通信已经成为通信传输网的
主要传输方式，越来越受到电力系统的关注。
在经过二十年来的发展，采用SDH技术的光纤通信网已非常成熟，不论是
公网还是专网，其传输网基本上都是基于SDH的。
在电力系统，随着OPGW的
大量运用，以SDH设备为基础构成的电力传输网得到快速发展。
传统的PHD网
络结构是点对点的拓朴，而SDH网络的基本拓朴有链型、星型、树型、环型、
网孔型等[7]。
升级会员 