EPON技術(shù)在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊 雪，于 昉，劉衛(wèi)華

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

2009年我國大力開展智能電網(wǎng)建設(shè)，明確了建設(shè)“以堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以信息平臺(tái)為支撐，實(shí)現(xiàn)‘電力流、信息流、業(yè)務(wù)流’的高度一體化融合，構(gòu)建貫穿發(fā)電、線路、變電、配電、用電服務(wù)和調(diào)度全部環(huán)節(jié)和全電壓等級(jí)的電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展體系”的發(fā)展思路。其中，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)直接決定著電力消費(fèi)者對(duì)于電能質(zhì)量的體驗(yàn)，其覆蓋面積廣、技術(shù)實(shí)施手段多樣化、系統(tǒng)建設(shè)周期長且難度較大，成為了我國建設(shè)智能電網(wǎng)的一個(gè)重要問題［1-2］。

作為配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分——配電網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)，負(fù)責(zé)信息的處理、命令的發(fā)送和返回，一個(gè)網(wǎng)架牢固、組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。

1 配電網(wǎng)自動(dòng)化通信網(wǎng)的現(xiàn)狀

目前常見的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信技術(shù)有以下幾種。

1.1 基于電力線載波的有線通信

電力線載波通信（PLC）是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它利用現(xiàn)有的電力線將數(shù)據(jù)調(diào)制成載波信號(hào)或擴(kuò)頻信號(hào)，然后通過耦合器耦合到交/直流電力線上。PLC具有易維護(hù)、易使用、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其電力線間歇性噪聲較大、信號(hào)衰減嚴(yán)重、線路阻抗經(jīng)常波動(dòng)、大規(guī)模組網(wǎng)非常困難，通常應(yīng)用于實(shí)時(shí)性、可靠性要求不高的系統(tǒng)中［3］。

1.2 基于SDH/MSTP的光通信

SDH/MSTP技術(shù)是電力系統(tǒng)通信網(wǎng)的主流技術(shù)，在主干電力傳輸網(wǎng)中的應(yīng)用非常廣泛，它以高傳輸帶寬、支持多種環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議、抗干擾性強(qiáng)等性能為電力通信提供了一個(gè)健壯的平臺(tái)。但在配電網(wǎng)自動(dòng)化通信中，SDH設(shè)備對(duì)其工作環(huán)境要求較高、帶寬利用率較低、施工難度較大、成本較高，使得SDH/MSTP技術(shù)在配電網(wǎng)中自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用有些不切實(shí)際。

1.3 基于“RS232/485光貓”的光通信

采用光貓 （Modem）組網(wǎng)是利用光貓?jiān)O(shè)備將RS232/485信號(hào)進(jìn)行長距離延伸，從而將配電自動(dòng)化終端以RS232/485總線方式連接起來，上行通信接口通過協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備在通信子站進(jìn)行匯聚。大量的配電自動(dòng)化終端設(shè)備通過光纖進(jìn)行串接，組網(wǎng)簡單、成本低廉、配置靈活，但它無法實(shí)現(xiàn)和子站設(shè)備間的統(tǒng)一網(wǎng)管、通信效率低、無法承載大容量以太網(wǎng)數(shù)據(jù)、抗電磁干擾能力差、光纖資源利用率低。

1.4 基于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的光通信

工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)是通過在配電網(wǎng)中各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)布放工業(yè)級(jí)交換機(jī)，進(jìn)行光纖連接組建基于EAPS協(xié)議的光纖以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)具備高帶寬、環(huán)網(wǎng)保護(hù)、IP化趨勢等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)配電網(wǎng)光纖走向要求較高，無法滿足配電網(wǎng)通信的點(diǎn)到多點(diǎn)通信結(jié)構(gòu)、擴(kuò)容性、抗多點(diǎn)失效等要求。

1.5 基于GPRS的無線通信

GPRS技術(shù)依靠租借駐地移動(dòng)運(yùn)營商的無線資源組建電力無線專網(wǎng)，不需要電力投資線纜資源，組網(wǎng)靈活。但它帶寬較低，最大帶寬114kbps，很難滿足配電網(wǎng)終端接入需求，其實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性較差，適合遙測、遙信上行采集信號(hào)傳輸，不滿足主站下發(fā)遙控、遙調(diào)控制信號(hào)的可靠性傳輸要求。

通過上述分析可知，目前配電網(wǎng)自動(dòng)化通信以光纖＋載波通信為主、無線等其他方式為輔，其發(fā)展和建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在探索和選擇最適合電力配電網(wǎng)自動(dòng)化的通信要求的，能夠良好應(yīng)用與自動(dòng)化終端到配電子站間的通信技術(shù)。

2 EPON技術(shù)

基于以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）是一種采用點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）結(jié)構(gòu)的單纖數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)墓饫w通信技術(shù)。EPDN技術(shù)始于上世紀(jì)90年代，如今已發(fā)展到大規(guī)模商用階段［4］。EPON系統(tǒng)設(shè)備由三部分組成，分別是線路側(cè)設(shè)備 （OLT）、中間分光設(shè)備（POS）、用戶側(cè)設(shè)備（ONU）。EPON 系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1EPON系統(tǒng)組成

EPON系統(tǒng)的技術(shù)特性有以下幾點(diǎn)［5-6］：

資源利用率高：采用“單纖雙向”技術(shù)，主干線路只需要一芯光纖，通過無源分光設(shè)備，最大可以輻射出64路光信號(hào)。

P2MP通信方式：通過EPON分光器可以形成點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式，適應(yīng)復(fù)雜的線路資源情況。

無源分光：EPON分光器不需要電源，對(duì)惡劣的環(huán)境的適應(yīng)能力非常強(qiáng)，工作穩(wěn)定、不易損壞。

靈活的擴(kuò)展能力：EPON網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展新終端和新線路的時(shí)候?qū)W(wǎng)絡(luò)的影響很小，無源分光器的設(shè)計(jì)使EPON網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容變得簡單、靈活。

強(qiáng)大的網(wǎng)管能力：單點(diǎn)或多點(diǎn)故障不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，彼此間有明確的業(yè)務(wù)界點(diǎn)，在OLT設(shè)備的網(wǎng)管上可以清晰地區(qū)分出不同的ONU設(shè)備。

3 EPON應(yīng)用于配電網(wǎng)通信

3.1 通信介質(zhì)

各省市電力公司已建成以光纖通信網(wǎng)絡(luò)為主的調(diào)度通信網(wǎng)，光纜布放隨著電纜走向?qū)嵤?，所轄電網(wǎng)內(nèi)35 kV、110 kV及以上變電站基本實(shí)現(xiàn)光纖全覆蓋，光纖網(wǎng)絡(luò)具備向110 kV或35 kV以下的配電線路延伸的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，具備了EPON組網(wǎng)的通信介質(zhì)條件。

3.2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光纜布放是隨著配電網(wǎng)電纜走向?qū)嵤┑?，通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)應(yīng)與電力配電網(wǎng)纜線結(jié)構(gòu)相符合，結(jié)合現(xiàn)有幾種常用的配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)EPON系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下。

圖2所示為EPON鏈形組網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)契合單電源輻射網(wǎng)絡(luò)，在配電子站布放OLT，通過OLT的1個(gè)PON口級(jí)聯(lián)多個(gè)POS，POS可置于每一個(gè)分段開關(guān)處（例如桿塔或纜線分支箱），每個(gè)ONU置于FTU或其他箱體內(nèi)。

圖2單電源輻射網(wǎng)——EPON鏈形組網(wǎng)

圖3手拉手環(huán)網(wǎng)——EPON全鏈路保護(hù)組網(wǎng)

圖3所示為EPON全鏈路保護(hù)組網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)契合雙電源手拉手網(wǎng)絡(luò)，在2個(gè)配電子站分別布放OLT，通過2個(gè)方向利用POS進(jìn)行級(jí)聯(lián)延伸，每個(gè)ONU的上行鏈路都通過雙PON口進(jìn)行鏈路1＋1冗余保護(hù)。設(shè)備布放位置同鏈形組網(wǎng)方式。

圖4所示為EPON雙T組網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)契合雙電源雙T網(wǎng)絡(luò)，在2個(gè)配電子站分別布放OLT，相對(duì)于手拉手網(wǎng)絡(luò)，其OLT的光方向基本一致，設(shè)備布放位置也區(qū)域相同。

3.3 設(shè)備取電

在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，EPON設(shè)備的取電通?？梢酝ㄟ^電壓互感器變換電壓、二次側(cè)可輸出220VAC，就近配電變壓器取電等方式進(jìn)行，工程實(shí)際中，開閉所、負(fù)荷中心、用戶電表處取電相對(duì)方便，環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、變壓器等處可靠電壓互感器+蓄電池（UPS）方式取電。目前市場上的ONU設(shè)備基本能夠采用寬泛的電壓設(shè)計(jì)或者交直流雙備份的方式實(shí)現(xiàn)電源保障。

圖4雙電源雙T網(wǎng)——EPON雙T組網(wǎng)

3.4 帶寬及接口

現(xiàn)有配電網(wǎng)通信終端（FTU/DTU/RTU）的通信接口以RS232/485為主，隨著以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，以太口（RJ45）最終會(huì)取代絕大部分的電力通信設(shè)備的接口。與傳統(tǒng)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)相比，配電系統(tǒng)自動(dòng)化終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量極大，并且節(jié)點(diǎn)分散、通信距離短、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量較小、實(shí)時(shí)性要求高，各種不同類型終端的速率要求大致分布在300 bps～2 Mbps之間，而EPON系統(tǒng)基本可提供1.25 Gbps的上下行速率，并提供以以太口為主、RS232/485口為輔的數(shù)據(jù)接口，滿足配電自動(dòng)化系統(tǒng)的帶寬和接口的發(fā)展要求。

3.5 網(wǎng)絡(luò)性能

業(yè)務(wù)保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)的抗單點(diǎn)、多點(diǎn)失效性直接決定著整個(gè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性。EPON系統(tǒng)中各個(gè)ONU設(shè)備通過POS采用并聯(lián)方式組網(wǎng)，每臺(tái)ONU設(shè)備收到OLT設(shè)備以點(diǎn)到多點(diǎn)的方式發(fā)送的光信號(hào)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)出線單纖中斷、PON口損壞或OUN死機(jī)等故障時(shí)，不會(huì)影響其他ONU的正常工作；同時(shí)，ONU設(shè)備通常能夠支持雙PON口，能夠形成主干光纖1+1保護(hù)和支路1+1保護(hù)，當(dāng)ONU檢測到主干主用光纖中斷或多條分支主用光纖失效時(shí)能迅速切換到備用光纖上工作。

圖5 EPON系統(tǒng)應(yīng)用于配電網(wǎng)自動(dòng)戶系統(tǒng)方案

信息安全。配電網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)是一個(gè)綜合通信平臺(tái)，業(yè)務(wù)的隔離和信息安全是一個(gè)十分重要的問題。EPON系統(tǒng)上行采用TDMA方式，各ONU只在屬于自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)的碰撞，實(shí)現(xiàn)了通道的隔離；在OLT側(cè)和ONU側(cè)可以使用VLAN等方式進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的隔離；在EPON的上行和下行數(shù)據(jù)中可以對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行三重?cái)噭?dòng)加密等，防止非法的ONU獲取數(shù)據(jù)。

擴(kuò)容性。配電網(wǎng)自動(dòng)化是一個(gè)長期工程，其通信系統(tǒng)必需具備很好的擴(kuò)容性。相對(duì)于常見的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，EPON系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容在設(shè)備上只需添加分光器和ONU，節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)量沒有限制，擴(kuò)容成本低廉。一般，光接口板及SFP光模塊的價(jià)格一般為無源分光器的5倍以上，單臺(tái)工業(yè)交換機(jī)、小型SDH/MSTP設(shè)備的成本一般為ONU設(shè)備的5倍以上。

3.6 EPON系統(tǒng)在配電網(wǎng)自動(dòng)化中的應(yīng)用方案

配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)包括主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)和RTU等，根據(jù)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)EPON分層應(yīng)用方案如圖5所示。

該系統(tǒng)通信介質(zhì)為光纖，根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，按照“分區(qū)、分級(jí)、分層、就近接入”的原則規(guī)劃EPON網(wǎng)絡(luò)，采用OLT和ONU兩級(jí)通信網(wǎng)的方式，使每個(gè)子站接入的RTU、FTU的數(shù)量大致相似。子站通信系統(tǒng)核心網(wǎng)利用現(xiàn)有的MSTP/SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了主干網(wǎng)絡(luò)和線路的投資。子站接入層以變電站為中心，采用EPON核心設(shè)備OLT，終端按照就近接入的原則，根據(jù)實(shí)際分布特點(diǎn)選擇組網(wǎng)方式。

4 小結(jié)

通過上述分析可知，EPON技術(shù)作為一種施工簡單、成本低廉、性能優(yōu)越的光纖通信方式，能良好地滿足配電子站到自動(dòng)化終端這個(gè)層面通信可靠、投資經(jīng)濟(jì)的需求，利用EOPN技術(shù)建設(shè)的智能、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的基礎(chǔ)通信平臺(tái)，在配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)和智能電網(wǎng)的建設(shè)中具有良好的發(fā)展前景和較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］肖世杰.構(gòu)建中國智能電網(wǎng)技術(shù)思考［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,9 （33）:1～4.

［2］EPRI.Profiling and mapping of intelligent grid R&D programs，1014600［R］.Palo Alto，CA and EDF R&D，Clamart，F(xiàn)rance：EPRI,2006.

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