配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中EPON技術(shù)的應(yīng)用

葛永亮 繆剛 李慶彪

（烏魯木齊電業(yè)局，烏魯木齊 830011）

配電通信系統(tǒng)的主要功能是將配網(wǎng)自動化系統(tǒng)當(dāng)中的主站和開閉所現(xiàn)場當(dāng)中的所有配電測控終端設(shè)備有機(jī)連接在一起。配電系統(tǒng)能夠?qū)F(xiàn)場所有配電測控終端設(shè)備收集到的各種數(shù)據(jù)信息資料快速的上傳到配網(wǎng)自動化系統(tǒng)主站中，與此同時(shí)還可以把主站系統(tǒng)下達(dá)的各項(xiàng)命令有效的下達(dá)到現(xiàn)場各個(gè)配電測控終端設(shè)備上，加強(qiáng)了對配電網(wǎng)的監(jiān)控力度。此外，EPON技術(shù)屬于一種純介質(zhì)狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)，在運(yùn)行的過程中不再需要在局端和客戶端之間設(shè)立有源設(shè)備，這就避免了電磁與雷電等對有源設(shè)備造成過大的干擾，大大降低了線路出現(xiàn)的故障率，最終確保了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。本文主要針對某市配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中所采用的EPON技術(shù)展開討論。

1 EPON結(jié)構(gòu)

EPON的主要結(jié)構(gòu)包括OLT、ODN以及ONU，結(jié)構(gòu)詳情如圖1所示。該技術(shù)主要是利用業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)接口跟各個(gè)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)有機(jī)的連接在一起，從而將用戶網(wǎng)絡(luò)接口和用戶所使用的設(shè)備連接起來。在這當(dāng)中ODN是整個(gè)EPON結(jié)構(gòu)的核心，主要功能包括向ONU發(fā)送必要的廣播數(shù)據(jù)、有效的控制測控距離、合理的分配帶寬等；ODN的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式為一點(diǎn)到多點(diǎn)，通常采用的連接方式主要是樹形；而ONU則采用了以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該協(xié)議不僅經(jīng)濟(jì)上合理，在技術(shù)上也較為成熟先進(jìn)，它的主要功能包括選擇性的接收從ODN傳來的廣播數(shù)據(jù)、及時(shí)的響應(yīng)測控距離以及相關(guān)的功率控制指令、緩存并發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，該結(jié)構(gòu)具有下述幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，分別是在分配帶寬的時(shí)候較為靈活、經(jīng)濟(jì)價(jià)格合理、具有較高的服務(wù)質(zhì)量、在管理以及維護(hù)的過程中更加方便等。

圖1 EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中EPON的應(yīng)用

2.1 整體方案的具體設(shè)計(jì)過程

通信系統(tǒng)可以為各個(gè)配電測控終端設(shè)備和主站系統(tǒng)之間提供一個(gè)良好的通信信道，在配電主站以及子站系統(tǒng)當(dāng)中分別配置OLT，然后讓OLT完成主干通信網(wǎng)絡(luò)的組建工作；接著讓變電站自動化系統(tǒng)及時(shí)的將FTU、TTU等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣就建立了一個(gè)完善的分支通信網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示。配網(wǎng)通信系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分包括配電主站系統(tǒng)、配電子站系統(tǒng)、各配電測控終端設(shè)備、變電站自動化系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)等。針對主干和分支通信系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，能夠提高配電自動化通信系統(tǒng)本身的可靠性，提高該通信系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。此外，在設(shè)計(jì)的過程中需要考慮到互連通信信道當(dāng)中存在冗余備份，確定出最終的時(shí)刻路由通道。

圖2 基于EPON技術(shù)的配電自動化通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 主干環(huán)狀通信系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過程

在核心主站和子站系統(tǒng)之間或者在核心主站和變電站之間構(gòu)建主干環(huán)狀通信結(jié)構(gòu)，并在與OLT上聯(lián)相互連接的GE端口上組建主干自愈環(huán)網(wǎng)，利用環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議有效的進(jìn)行ma級業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換，能夠確保通信網(wǎng)絡(luò)具有良好的可靠性，避免發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)造成較大的不良影響。

從圖2中可以看出，主干通信系統(tǒng)屬于一種環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括的節(jié)點(diǎn)較多，將其中某一節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)則為主站，而其他的節(jié)點(diǎn)均作為傳送節(jié)點(diǎn)則為配電子站。在環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)上面，起到標(biāo)記主節(jié)點(diǎn)作用的兩個(gè)端口稱之為主端口和從端口。在一定的周期內(nèi)，主節(jié)點(diǎn)會從主端口處接收到環(huán)所發(fā)送的HELLO報(bào)文，如果端口能夠在規(guī)定的周期時(shí)間內(nèi)收到報(bào)文，則說明環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行正常；如果沒有收到則表示環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了故障，出現(xiàn)故障的相鄰節(jié)點(diǎn)就會主動的向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，這時(shí)就會打開從端口，及時(shí)的下達(dá)通知讓各個(gè)節(jié)點(diǎn)改變轉(zhuǎn)發(fā)表，從而快速的切換到新路由狀態(tài)下，正常轉(zhuǎn)發(fā)各數(shù)據(jù)信息。

在消除故障之后，從端口能夠接收到環(huán)發(fā)送的HELLO報(bào)文，那么主節(jié)點(diǎn)就會默認(rèn)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)處于安全狀態(tài)下，從而阻斷從端口，并下達(dá)命令通知其他節(jié)點(diǎn)各自將轉(zhuǎn)發(fā)表自動刷新，恢復(fù)原始的轉(zhuǎn)發(fā)路由。

2.3 分支通信系統(tǒng)技術(shù)的具體設(shè)計(jì)過程

從上圖2可以知道，從子站系統(tǒng)出發(fā)沿著電力線敷設(shè)光纖，最終到達(dá)各個(gè)開閉所主要采用了星型組網(wǎng)的方法，子站系統(tǒng)的OLT能夠同時(shí)對若干個(gè)方向的光纖鏈路進(jìn)行光口的聚集，而且在這之間的鏈路通過使用EPON技術(shù)，能夠在某個(gè)終端出現(xiàn)故障的時(shí)候避免影響到其他終端，這就大大減少了系統(tǒng)出現(xiàn)的故障次數(shù)，縮小了故障影響的范圍，更容易進(jìn)行管理。

3 EPON技術(shù)在配電自動化通信系統(tǒng)應(yīng)用過程中進(jìn)行的QoS分析

3.1 典型DBA算法IPACT

IPACT算法的主要工作原理為通過利用REPORT和GATE即（請求幀、授權(quán)幀）進(jìn)行動態(tài)的申請，合理的分配帶寬，并將各個(gè)ONU緩存其所收集到的所有數(shù)據(jù)容量利用OLT有效的為ONU分配相應(yīng)的時(shí)隙。不過輪詢周期T具有較大的可變性，而且配電終端的數(shù)量是非常龐大的，收集到的各項(xiàng)業(yè)務(wù)會存在較大的區(qū)別，因此該算法有下述幾個(gè)缺陷：①由于輪訓(xùn)周期T具有較大的可變性，在采用IPACT算法的過程中，如果ONU業(yè)務(wù)相對較少，系統(tǒng)會由于授權(quán)幀的發(fā)送導(dǎo)致下行信道帶寬出現(xiàn)嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象，也就是說如果整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)處于輕度負(fù)載的情況下，會導(dǎo)致輪訓(xùn)周期大幅縮短，一些ONU就算沒采集到數(shù)據(jù)，OLT也需要對ONU發(fā)送相應(yīng)的授權(quán)幀，這就造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象；②授權(quán)幀出現(xiàn)的優(yōu)先級問題，相對于其他幀信息來說，授權(quán)幀的級別一定要設(shè)置成最高的，這主要是由于信道當(dāng)中所有的數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢之后才可以進(jìn)行授權(quán)幀的發(fā)送，會導(dǎo)致授權(quán)幀抵達(dá)ONU的時(shí)間過于滯后，造成授權(quán)幀的丟棄。這不僅降低了帶寬本身的利用效率，還嚴(yán)重拖延了ONU的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間；③通過采用IPACT算法，ONU在利用上行信道帶寬當(dāng)中的各種資源時(shí)，主要采用了競爭占用模式，如果用戶申請了更多的帶寬，那么分配的帶寬也會同時(shí)增多，這時(shí)會出現(xiàn)無法支持業(yè)務(wù)分類的現(xiàn)象，不能進(jìn)行有效等級的區(qū)分，特別在面對一些重要用戶的時(shí)候無法提供良好的服務(wù)。

3.2 在采用典型DBA算法IPACT過程中進(jìn)行的改進(jìn)

由于IPACT算法具有一定的缺陷，特提出了下述幾個(gè)方面的改進(jìn)措施：①OLT在發(fā)送授權(quán)幀信息之前需要做好對上行鏈路數(shù)據(jù)流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測工作，如果數(shù)據(jù)流量相對較小，就需要在下個(gè)輪詢周期T當(dāng)中，合理的設(shè)定一個(gè)下限值，確保該下限值不小于T，這就避免了OLT在實(shí)際工作中頻繁的進(jìn)行輪詢，有效的避免了帶寬的浪費(fèi)現(xiàn)象；②將授權(quán)幀的優(yōu)先級別確定為最高，利用下行鏈路幀信息當(dāng)中的排隊(duì)模型來實(shí)現(xiàn)；③在設(shè)計(jì)的過程中需要將業(yè)務(wù)隊(duì)列優(yōu)先等級當(dāng)中采用的DBA算法進(jìn)行區(qū)分，把全部業(yè)務(wù)劃分為若干個(gè)優(yōu)先等級，確保ONU當(dāng)中的高優(yōu)先級別業(yè)務(wù)隊(duì)列能夠獲得優(yōu)先的服務(wù)，不過還需要注意要避免優(yōu)先級業(yè)務(wù)隊(duì)列給其他低優(yōu)先級的造成不良影響。

3.3 針對DBA算法進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)工作

針對DBA算法存在的主要問題做出下述幾個(gè)方面的改進(jìn)：①在每一個(gè)周期合理的設(shè)置一個(gè)最大值TMAX；②給予EF隊(duì)列業(yè)務(wù)實(shí)際所需要的帶寬，Hig=HiR，然后計(jì)算其他帶寬；③先分配高優(yōu)先級FE隊(duì)列業(yè)務(wù)的帶寬，然后再分配AF、BE隊(duì)列業(yè)務(wù)的帶寬，并考慮到QoS以及公平性，根據(jù)各個(gè)ONU當(dāng)中AF隊(duì)列業(yè)務(wù)第一個(gè)幀的具體大小情況，提供合適的帶寬，滿足一個(gè)幀的發(fā)送需求，最終更新MiR、BAVAIL；④分別給AF隊(duì)列和BE隊(duì)列設(shè)置一個(gè)合理的比值權(quán)重WAF和WBE，要求WAF+WBE=1，然后將剩余帶寬BAVAIL合理的分配在AF、BE隊(duì)列里面，在這當(dāng)中：

AF隊(duì)列分配的帶寬為

BE隊(duì)列分配的帶寬為

4 具體實(shí)例

某市在配用電通信網(wǎng)中，配電自動化主站系統(tǒng)至變電站采用已建成的電力專用SDH / MSTP光纖網(wǎng)絡(luò)，而變電站至終端將采用EPON技術(shù)。根據(jù)本市配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況和建設(shè)難度，選擇了以EPON技術(shù)為主，無線專網(wǎng)技術(shù)為輔的通信方式來實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動化。該通信方案很好的實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)自動化的“遙信”、“遙測”、“遙控”功能，能對配網(wǎng)的用電數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)的采集，能對故障點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)的遠(yuǎn)方控制隔離，同時(shí)也能滿足智能配電小區(qū)的通信接入要求。DAS的實(shí)現(xiàn)為本市配電網(wǎng)每年節(jié)省正常配網(wǎng)施工和故障處理人工費(fèi)用約340萬元，大大提高了配電網(wǎng)運(yùn)行的管理水平。

5 結(jié)論

本文在配電自動化通信系統(tǒng)中引入EPON技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于令牌傳遞技術(shù)的改進(jìn)公平性問題的DBA算法，以滿足配電自動化通信系統(tǒng)中多業(yè)務(wù)QoS要求的分層調(diào)度DBA算法。不論是在配電網(wǎng)自動化的建設(shè)過程中還是在智能電網(wǎng)的建設(shè)過程中都具有廣闊的發(fā)展前景。

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