高 強，尹永飛

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PTN技術(shù)傳輸繼電保護業(yè)務(wù)若干問題的研究

高 強，尹永飛

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系, 河北 保定 071003)

隨著PTN技術(shù)在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用，其傳輸繼電保護業(yè)務(wù)的可行性需要深入研究。通過分析PTN的兩種主流技術(shù)PBT(Provider Backbone Transport)和T-MPLS(Transport MPLS)的特點，從通道備用方式、時延、TDM仿真以及交換等多個方面論述了其傳輸繼電保護業(yè)務(wù)的可行性。首先從接口速率、時延、誤碼、通道四個方面分析繼電保護業(yè)務(wù)對性能指標(biāo)的要求。結(jié)合相關(guān)時延公式，重點研究傳輸繼電保護業(yè)務(wù)的發(fā)送/接收時延和轉(zhuǎn)發(fā)交換時延，在技術(shù)選擇、路由配置等方面給出了建議。從可靠性的角度研究線性保護倒換方式的選擇，并給出了建議方案。

PTN；繼電保護；性能指標(biāo)；T-MPLS；PBT

0 引言

電力通信網(wǎng)作為行業(yè)內(nèi)的專用通信網(wǎng)，需要傳送大量的電力生產(chǎn)、管理和調(diào)度信息。隨著國家電網(wǎng)三集五大體系建設(shè)和構(gòu)建統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的全面展開，電力業(yè)務(wù)IP化、寬帶化的發(fā)展趨勢日益明顯，傳統(tǒng)的同步數(shù)字傳輸(SDH)體系已不能滿足IP業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)化、扁平化的發(fā)展需求[1-3]。因此，各地方電網(wǎng)紛紛推出PTN組網(wǎng)方案，對電力通信網(wǎng)進(jìn)行改造。

PTN擁有全業(yè)務(wù)承載等諸多優(yōu)勢，文獻(xiàn)[4]指出，電力通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢是逐步由SDH/MSTP向SDH與PTN混合組網(wǎng)演進(jìn)，并最終形成PTN獨立組網(wǎng)；文獻(xiàn)[5]指出PTN可以實現(xiàn)針對每一業(yè)務(wù)流的QoS保證，包括傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)、線路繼電保護和安全自動裝置數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。目前PTN技術(shù)在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用仍然較為局限，在承載Ⅰ、Ⅱ區(qū)業(yè)務(wù)方面的研究很少[6]，特別是在對實時性要求較高的繼電保護領(lǐng)域，還沒有得到單獨應(yīng)用，主管部門暫不允許PTN傳輸繼電保護業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)[7]針對PTN的應(yīng)用進(jìn)行了分析，實際測試了時延的大小，對于PTN支持繼電保護業(yè)務(wù)的若干問題，如協(xié)議、TDM仿真實現(xiàn)、時延和通道保護等問題還需要深入研究。

本文結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析繼電保護對性能指標(biāo)的各項要求。根據(jù)各項性能指標(biāo)，并結(jié)合PTN的具體技術(shù)特點，從通道備用方式、時延、TDM仿真方法以及交換等多個方面對PTN傳輸繼電保護業(yè)務(wù)的若干問題進(jìn)行研究。通過以上分析，研究PTN在傳輸繼電保護業(yè)務(wù)方面的可行性，并對PTN傳輸繼電保護業(yè)務(wù)提出建議。為今后PTN技術(shù)在繼電保護領(lǐng)域的應(yīng)用作參考。

1 PTN技術(shù)協(xié)議的概述

PTN技術(shù)代表了業(yè)務(wù)承載技術(shù)的發(fā)展趨勢，集成了SDH/MSTP與MSTP/以太網(wǎng)的優(yōu)勢，同時又提供QoS、OAM、時鐘和保護等特性。目前，PTN的主流實現(xiàn)技術(shù)主要有PBT和T-MPLS兩種。

1.1 PBT技術(shù)

PBT是在IEEE802.1ah PBB(MAC in MAC)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的擴展。簡單來說PBT=Mac in Mac-L2 Complexity +OAM +保護倒換(PS)[8]。

PBT的主要特征是關(guān)閉了MAC地址學(xué)習(xí)、廣播、生成樹協(xié)議等傳統(tǒng)以太網(wǎng)功能，轉(zhuǎn)發(fā)信息不再靠泛洪和學(xué)習(xí)，從而避免廣播包的泛濫。PBT具有面向連接的特征，通過網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)或控制協(xié)議進(jìn)行連接配置，并可以實現(xiàn)快速保護倒換、OAM、QoS、流量工程等運營級傳送網(wǎng)絡(luò)功能。PBT建立在已有的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之上，具有較好的兼容性和低成本特性。

1.2 T-MPLS技術(shù)

T-MPLS技術(shù)是從IP/MPLS發(fā)展而來，基于ITU-T G.805的傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]。簡單來說T-MPLS=MPLS-Most L3 Complexity +OAM +保護倒換(PS)。T-MPLS是一種面向連接的分組傳送技術(shù)，T-MPLS在傳送網(wǎng)絡(luò)中將客戶信號映射成MPLS幀，利用MPLS機制(例如標(biāo)簽交換，標(biāo)簽堆棧)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，采用集中的網(wǎng)絡(luò)管理配置，或基于RFC3473的ASON/GMPLS控制面，將2個單向的LSP綁定為一個雙向的LSP，提供雙向連接。在MPLS中的LSP聚合增加了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。

2 PTN技術(shù)傳輸繼電保護業(yè)務(wù)問題的研究

2.1 繼電保護對性能指標(biāo)的要求

繼電保護系統(tǒng)需要滿足一定的可靠性、選擇性、速動性、靈敏性要求，而這與繼電保護的性能指標(biāo)密切相關(guān)。不論是國內(nèi)還是國際上，都對繼電保護的相關(guān)性能指標(biāo)作了嚴(yán)格要求。下面就繼電保護性能指標(biāo)[10-13]作逐條分析。

① 接口速率

保護設(shè)備與通信終端設(shè)備應(yīng)采用64 kb/s同向接口或2 048 kb/s數(shù)字接口連接，并優(yōu)先采用2 048 kb/s；通信路由中間不能經(jīng)64 kb/s轉(zhuǎn)接。國際上提出的IEEE C37.94標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，信號碼率為2.048 Mb/s，這意味著按照國際標(biāo)準(zhǔn)通信接口的速率需統(tǒng)一為2.048 Mb/s。

② 時延

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，傳輸線路縱聯(lián)保護信息的數(shù)字式通道傳輸時間應(yīng)不大于12 ms，點對點的數(shù)字式通道傳輸時間應(yīng)不大5 ms；任兩臺設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸路由不應(yīng)超過4臺交換機，每臺交換機固有時延應(yīng)小于10ms。

③ 誤碼

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，用于繼電保護的光纖通道應(yīng)滿足通道誤碼率≤10-8。

④ 通道

通道倒換環(huán)、單向復(fù)用段倒換環(huán)可作為縱聯(lián)距離、方向保護的信息傳輸通道，但不能作為線路縱差保護的信息傳輸通道；雙向復(fù)用段倒換環(huán)可作為線路縱差保護的信息傳輸通道。對于線路縱差保護的復(fù)用通道具有自愈功能，通道正常運行或切換后，雙向路由必須一致，通道保護或恢復(fù)過程中雙向路由不一致的時間應(yīng)小于25 ms。

現(xiàn)有繼電保護系統(tǒng)大部分屬于光傳輸系統(tǒng)，如PDH、SDH等，PTN技術(shù)可以直接架構(gòu)在光傳輸系統(tǒng)之上，因此利用現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)就可實現(xiàn)PTN對繼電保護業(yè)務(wù)的傳輸。下面從偽線仿真技術(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)交換、路由配置、保護方式等幾個層面分析PTN技術(shù)傳輸繼電保護業(yè)務(wù)的性能特點。

2.2 PTN偽線仿真技術(shù)

繼電保護業(yè)務(wù)要求較高的實時性，屬于典型的TDM業(yè)務(wù)。PTN是利用端到端偽線仿真技術(shù)(PWE3)實現(xiàn)多業(yè)務(wù)(包括TDM業(yè)務(wù))傳送的。PWE3的協(xié)議棧參考模型如圖1所示。在PTN系統(tǒng)中，最內(nèi)層的電路層用于承載業(yè)務(wù)，外層的通道層提供各業(yè)務(wù)專用偽線進(jìn)行業(yè)務(wù)傳送。

圖1 PWE3協(xié)議棧參考模型

Fig. 1 PWE3 protocols stack reference model

2.2.1 PTN電路仿真方式問題

TDM偽線仿真業(yè)務(wù)的實現(xiàn)方式有兩種，非結(jié)構(gòu)化仿真和結(jié)構(gòu)化仿真。

非結(jié)構(gòu)化偽線仿真是用SAToP(RFC4553)協(xié)議[14]實現(xiàn)的，SAToP的分組格式如圖2。非結(jié)構(gòu)化TDM偽線仿真采用非幀模式傳送業(yè)務(wù)。對于TDM的非結(jié)構(gòu)化仿真，從TDM業(yè)務(wù)接口過來的數(shù)據(jù)被看作純比特流，不經(jīng)任何解釋，透明的傳送到TDM電路仿真業(yè)務(wù)接口。

圖2 基本 SAToP分組格式

結(jié)構(gòu)化偽線仿真是用CESoPSN(RFC5086)協(xié)議[15]實現(xiàn)的，CESoPSN包格式如圖3。結(jié)構(gòu)化TDM偽線仿真需要識別TDM業(yè)務(wù)流中的幀格式，要求TDM碼流的切分必須在幀定界符的位置上，可以通過識別幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行信道信息的選擇性傳送。由于結(jié)構(gòu)化仿真需要對幀進(jìn)行識別，造成結(jié)構(gòu)化仿真產(chǎn)生較多的時延。

圖3基本 CESoPSN 包格式

相比較而言，非結(jié)構(gòu)化偽線仿真實現(xiàn)簡單，且其在傳輸業(yè)務(wù)時不需識別數(shù)據(jù)流的幀格式，所用傳輸延時較少；而結(jié)構(gòu)化仿真的優(yōu)勢在于可以進(jìn)行時隙壓縮，在傳送多時隙業(yè)務(wù)時具有明顯優(yōu)勢。繼電保護業(yè)務(wù)屬于采用凈通道傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)，不需多時隙的傳送，另外繼電保護業(yè)務(wù)的實時性要求高。因此，傳輸繼電保護業(yè)務(wù)時采用非結(jié)構(gòu)化的TDM偽線仿真方式具有明顯優(yōu)勢。

對于繼電保護通道，總時延計算公式為

式中：o表示光纖時延；ex表示中間節(jié)點設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)交換時延；ts/tr表示終端設(shè)備的發(fā)送/接收時延。

在上式中，光纖時延o較小，中間節(jié)點設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)交換時延ex主要是由PTN的兩種主流技術(shù)PBT、T-MPLS決定的，下文中會作詳細(xì)討論。此處只討論電路仿真技術(shù)對終端設(shè)備的發(fā)送/接收時延ts/tr的影響。

在PTN傳輸業(yè)務(wù)時，往往需要對設(shè)備進(jìn)行前期配置，這其中包括兩個重要時間量：報文裝載時間l和抖動緩沖時間j。這兩個時間量也是影響ts/tr的重要的因素。

報文裝載是在發(fā)送端完成的，報文裝載時間l主要包括相關(guān)報頭的添加k和報文的發(fā)送時間s兩部分。其中，k往往很小，報文的發(fā)送時間s對l起主要決定作用。s是由載荷長度決定的，公式為

式中，load表示載荷長度，即包尺寸，單位為字節(jié)；表示數(shù)據(jù)速率。

繼電保護業(yè)務(wù)往往通過E1接口傳送，在E1系統(tǒng)中，s=load/32*0.125。因此在繼電保護系統(tǒng)中如何設(shè)置報文裝載時間，關(guān)鍵在于載荷長度load的確定。一般選取載荷長度使s在1 ms左右，對于E1電路，該長度為256字節(jié)。

抖動緩沖主要用于解決包排序及丟包的檢測問題。抖動緩沖時間j與抖動緩沖器長度j和報文發(fā)送時間s有關(guān)，具體公式為

s已經(jīng)在前面確定，因此，抖動緩沖時間的設(shè)置關(guān)鍵在于決定抖動緩沖器的長度。

綜上，如果用PTN傳輸繼電保護業(yè)務(wù)，要注意報文裝載時間和抖動緩沖時間的配置，而這兩個量的配置關(guān)鍵在于載荷長度和抖動緩沖器的長度。根據(jù)有關(guān)資料，非結(jié)構(gòu)化報文裝載時間一般在1 ms，結(jié)構(gòu)化報文裝載時間一般在0.125~5 ms，抖動緩沖時間一般大于0.375 ms。根據(jù)繼電保護業(yè)務(wù)的相關(guān)要求，傳輸線路縱聯(lián)保護信息的數(shù)字式通道傳輸時間應(yīng)不大于12 ms，點對點的數(shù)字式通道傳輸時間應(yīng)不大于5 ms。有關(guān)資料表明PTN的傳輸時延主要是在封裝和解封裝的處理過程中產(chǎn)生的，根據(jù)報文裝載時間和抖動緩沖時間的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以判斷非結(jié)構(gòu)化的TDM偽線仿真能夠滿足繼電保護業(yè)務(wù)傳輸時間要求。

2.2.2封裝

根據(jù)繼電保護通道總時延的公式，終端設(shè)備發(fā)送/接收時延的ts/tr還與業(yè)務(wù)的封裝有關(guān)。PTN技術(shù)的封裝形式是由相應(yīng)的實現(xiàn)技術(shù)決定的。在PBT技術(shù)中，采用的Mac-in-Mac封裝格式，其封裝使用60 bit的目的MAC地址+VLAN標(biāo)簽、24 bit的業(yè)務(wù)標(biāo)識標(biāo)簽；而T-MPLS技術(shù)可以看作是基于MPLS標(biāo)簽的管道技術(shù)，其封裝僅用20 bit的標(biāo)簽標(biāo)識轉(zhuǎn)發(fā)路徑和業(yè)務(wù)。根據(jù)兩技術(shù)封裝過程中使用標(biāo)簽頭部的比特數(shù)可以判斷，T-MPLS技術(shù)在封裝時間上具有明顯優(yōu)勢。因此，在繼電保護系統(tǒng)中使用T-MPLS技術(shù)會適當(dāng)減小ts/tr。

2.3 PTN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)交換問題

除ts/tr外，繼電保護通道總時延的另一個重要組成部分是ex，即中間節(jié)點設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)交換時延。PBT和T-MPLS網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)交換方式完全不同。在PBT網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點按照B-DA+B-VID標(biāo)簽進(jìn)行包交換，B-DA+B-VID在轉(zhuǎn)發(fā)過程中不變；在T-MPLS網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)過中間設(shè)備時需進(jìn)行標(biāo)簽交換，因此標(biāo)簽有所改變。

在中間節(jié)點設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)交換階段，PBT由于不需要作標(biāo)簽交換，節(jié)約了交換轉(zhuǎn)發(fā)時間。這意味著在繼電保護系統(tǒng)中，若使用PBT技術(shù)中間節(jié)點設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)交換時延較少，即ex數(shù)值較小。但是根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，PTN的傳輸時延主要是在封裝和解封裝的處理過程中產(chǎn)生的，中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)處理時延非常小，通常只有幾微秒。因此PBT的此優(yōu)勢在傳輸繼電保護業(yè)務(wù)時并不明顯。

2.4 PTN路由配置問題

在繼電保護系統(tǒng)中，繼電保護裝置通過測量通道雙向傳輸時延的平均值得到通道時延。因此在繼電保護系統(tǒng)中，特別是在有雙向通道的線路縱差保護系統(tǒng)中，雙向同路由顯得尤為重要。PTN技術(shù)支持靜態(tài)路由分配，且現(xiàn)有PTN設(shè)備均可進(jìn)行雙向同路由配置，這保證了繼電保護系統(tǒng)中時延計算的準(zhǔn)確性。

PTN的靜態(tài)路由分配是由相關(guān)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)配置的。在PBT網(wǎng)絡(luò)中，其路由必須預(yù)先配置，便于網(wǎng)絡(luò)的管理；而T-MPLS網(wǎng)絡(luò)既支持路由靜態(tài)配置，又支持利用動態(tài)的控制平面(GMPLS)建立路徑。繼電保護系統(tǒng)需要路徑建立的準(zhǔn)確性，PBT與T-MPLS技術(shù)的靜態(tài)路由分配均保證了路由建立的準(zhǔn)確，T-MPLS雖支持動態(tài)路由分配，具有一定的靈活性，但是路由建立的準(zhǔn)確性不能保證，對于繼電保護業(yè)務(wù)來說，不能實施動態(tài)路由分配。

2.5 PTN保護方式問題

在繼電保護系統(tǒng)中，需要保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?，在出現(xiàn)系統(tǒng)故障時，應(yīng)充分利用備用通道傳輸業(yè)務(wù)，盡量避免數(shù)據(jù)的丟失[16]。因此，在繼電保護系統(tǒng)中，保護倒換方式的選擇非常重要。PTN技術(shù)支持1+1和1:1兩種線性保護倒換方式。

在1+1保護倒換方式下，業(yè)務(wù)在正常傳輸情況下經(jīng)由工作通道和保護通道同時傳送，如圖4。當(dāng)出現(xiàn)故障時，受影響的連接方向倒換至保護通道，如圖5。1+1的倒換類型是單向倒換。在1:1保護倒換方式下，被保護的業(yè)務(wù)由工作通道或保護通道傳送，如圖6。當(dāng)出現(xiàn)故障時，受影響和未受影響的連接方向均倒換至保護路徑，如圖7。1:1的倒換類型是雙向倒換。

經(jīng)過比較，在1:1保護方式下，業(yè)務(wù)在工作通道正常傳送，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障時，需要進(jìn)行保護倒換，而這個過程中，勢必會引起業(yè)務(wù)丟失。而在1+1保護方式下，業(yè)務(wù)經(jīng)由工作通道、保護通道同時傳送，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障時，業(yè)務(wù)仍可經(jīng)由另一條通道傳送，保護倒換不會引起業(yè)務(wù)丟失。因此，在繼電保護系統(tǒng)中，使用1+1保護方式將更能保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖4 1+1路徑保護倒換結(jié)構(gòu)

圖5 1+1路徑保護倒換結(jié)構(gòu)(工作通道故障)

圖6 1:1路徑保護倒換結(jié)構(gòu)

圖7 1:1路徑保護倒換(工作通道故障)

需要注意的是，在1+1保護方式下，業(yè)務(wù)經(jīng)工作通道、保護通道同時傳送。這意味著在設(shè)置傳輸路徑時，為避免由于通道傳輸延時不同造成的亂碼問題，應(yīng)將工作通道和保護通道設(shè)置為相同的物理路徑。因此，在繼電保護系統(tǒng)中，不僅要求雙向同路由，也要求工作通道、保護通道的同路由。

另外，PBT和T-MPLS的1+1保護倒換方式略有差異。在T-MPLS網(wǎng)絡(luò)中，保護倒換行為可以在段、通路、電路各個層面進(jìn)行，而PBT網(wǎng)絡(luò)的保護倒換行為比較局限。因此，選擇T-MPLS技術(shù)傳輸繼電保護業(yè)務(wù)，在保護倒換方面將更具有靈活性。

更可靠的方式是傳輸繼電保護業(yè)務(wù)時，采用靜態(tài)雙向路由配置，確保雙向時延一致；同時，不進(jìn)行任何通道保護，而是采用建立兩條時延接近一致的獨立物理通道，來實現(xiàn)1+1備用，當(dāng)一條通道斷路時，保護裝置能立即檢測到信號消失。這樣，能防止因發(fā)生通道保護切換時，繼電保護端設(shè)備不能察覺通道的變化而影響保護系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

采用PTN網(wǎng)絡(luò)傳輸繼電保護業(yè)務(wù)時，以光傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高，通過TDM偽線仿真技術(shù)可以實現(xiàn)對繼電保護業(yè)務(wù)的傳送。本文建議選擇非結(jié)構(gòu)化偽線仿真技術(shù)?，F(xiàn)有PTN設(shè)備均支持同路由的靜態(tài)配置，保證了繼電保護系統(tǒng)中，特別是線路縱差保護系統(tǒng)中的雙向同路由以及工作、保護路徑同路由的要求。另外，不采用PTN提供的1+1保護倒換，而是建立物理獨立的雙通道更加可靠。

實現(xiàn)PTN兩種主流技術(shù)——PBT和T-MPLS進(jìn)行對比分析，可知T-MPLS技術(shù)較PBT技術(shù)具有明顯的節(jié)約封裝時延優(yōu)勢，在終端設(shè)備引起的發(fā)送/接收時延較少，且T-MPLS技術(shù)的保護倒換行為更加靈活。PBT技術(shù)雖在轉(zhuǎn)發(fā)交換時延方面具有一定的優(yōu)勢，但是由于繼電保護系統(tǒng)中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)處理時延非常小，此優(yōu)勢并不明顯。因此，在實際繼電保護應(yīng)用中，若使用PTN組網(wǎng)，本文推薦使用T-MPLS技術(shù)。

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(編輯 姜新麗)

Study on some problems of PTN transmission in relay protection services

GAO Qiang, YIN Yongfei

(Department of Electronics and Communication Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

With the application of PTN in telecommunication networks, the feasibilities need to be studied much deeper about PTN transmitting relay protection services. In this paper, the characters of provider backbone transport (PBT) and transport MPLS (T-MPLS) which are the two key technologies of PTN are analyzed. By the analysis, the feasibilities about PTN transmitting relay protection services are discussed in the aspects of the standby LSP, time delay, TDM simulations, exchanging and so on. Firstly, the performance indexes of relay protection services are analyzed in four aspects —— interface rate, time delay, bit error and channel. Secondly, based on the time delay formulas, the study is focused on the sending/receiving delay and the forwarding and switching delay about PTN transmitting relay protection services. Some recommendations such as technology choice and routing configuration are given. Finally, how to choose linear protection switch is studied from the reliability standpoint. Related suggestion and scheme are given.

PTN; relay protection; performance indexes; T-MPLS; PBT

10.7667/PSPC150441

2015-03-19；

2015-04-21

高 強(1960-)，男，博士，教授，研究方向為電力通信網(wǎng)；E-mail:627056049@qq.com

尹永飛(1991-)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向為電力通信網(wǎng)。E-mail:1013508719@qq.com