電力隧道視頻及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案之比較

劉 穎 賀紹鵬 郭小凱

（1.廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東 珠海519000；2.國網(wǎng)物資有限公司，北京100120）

0 引言

電力隧道中經(jīng)常會出現(xiàn)水位過高，CO、CH4、H2S等有害氣體過高和氧氣過低的情況，危及電纜的安全運(yùn)行和檢測人員的生命安全。在這種情況下，如果能夠有效地排風(fēng)和通風(fēng)，將會減少工作人員生命安全危險(xiǎn)和火災(zāi)危險(xiǎn)。隧道防盜也很重要，經(jīng)常有人從出入口強(qiáng)行進(jìn)入隧道偷電力設(shè)備和接地線，這對電纜安全運(yùn)行造成了很大影響，如果能在隧道出入口安裝防盜和監(jiān)控設(shè)備，則能有效地防止其他人員進(jìn)入。由于隧道中信號較弱，因而要進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)就很麻煩，為此安裝網(wǎng)絡(luò)通信電話成為一種很好的選擇。

為適應(yīng)珠海橫琴島電力電纜隧道建設(shè)的需要，提高電纜隧道運(yùn)行和維護(hù)的安全性及可靠性，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可視化監(jiān)控和調(diào)度以及隧道內(nèi)分區(qū)之間、隧道內(nèi)外的通信聯(lián)絡(luò)，加強(qiáng)電力隧道視頻及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)管理，需要對電力電纜隧道進(jìn)行視頻及環(huán)境監(jiān)控。由于電力隧道監(jiān)控具有監(jiān)控點(diǎn)多、信息量大的特點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)視頻及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就顯得非常關(guān)鍵，為此本文分析了當(dāng)前最為流行的2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行對比分析，最后得出了最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案。

1 設(shè)計(jì)方案

珠海橫琴多聯(lián)供電廠至琴韻變電站電纜隧道全長16.2 km，在220kV環(huán)澳變電站工程中解口進(jìn)220kV環(huán)澳站。線路解口點(diǎn)距離多聯(lián)供電廠約8.5 km，距離琴韻變電站約7.7 km，距離環(huán)澳變電站約2.95 km（環(huán)澳段2.95 km電纜隧道不屬于本工程范圍）。

本工程電纜隧道共設(shè)80個(gè)防火分區(qū)（約200 m一個(gè)防火分區(qū)），28個(gè)隧道出入口，主要監(jiān)控內(nèi)容如下：

（1）監(jiān)視電力電纜隧道各主要出入口情況；

（2）監(jiān)視電力電纜隧道與變電站連接處的隧道內(nèi)及出入口情況；

（3）監(jiān)測電力電纜隧道監(jiān)控室內(nèi)溫度、濕度等情況；

（4）監(jiān)測電力電纜隧道內(nèi)溫度、濕度、空氣含氧量、有害氣體濃度及水浸情況；

（5）實(shí)現(xiàn)電纜隧道井蓋防盜監(jiān)控和各出入口門禁監(jiān)控等。

因此，要對整個(gè)隧道的視頻及環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控點(diǎn)多，信息量大?，F(xiàn)在常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有EPON組網(wǎng)和光交換機(jī)組網(wǎng)方式，下面介紹這2種組網(wǎng)方式的優(yōu)劣。

1.1 方案1：EPON組網(wǎng)

1.1.1 EPON組網(wǎng)簡介

EPON（Ethernet Passive Optical Network），即以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)品展示如圖1所示。IEEE802.3定義了以太網(wǎng)的2種基本操作模式：第一種模式采用載波偵聽多址訪問／沖突檢測（CSMA／CD）協(xié)議應(yīng)用在共享媒質(zhì)上；第二種模式為各個(gè)站點(diǎn)采用全雙工的點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路通過交換機(jī)連接到一起。相應(yīng)地，以太網(wǎng)MAC可以工作于這2種模式之一：CSMA／CD模式或全雙工模式。

圖1 EPON產(chǎn)品展示

EPON網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)是共享媒質(zhì)和點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。在下行方向，擁有共享媒質(zhì)的鏈接性，而在上行方向其行為特性就如同點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

下行方向：OLT發(fā)出的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包經(jīng)過一個(gè)1：n的無源光分路器傳送到每一個(gè)ONU。n的典型取值在4～64之間（由可用的光功率預(yù)算所限制）。這種行為特征與共享媒質(zhì)網(wǎng)絡(luò)相同。在下行方向，以太網(wǎng)具有廣播特性，與EPON結(jié)構(gòu)相匹配：OLT廣播數(shù)據(jù)包，目的ONU有選擇地提取數(shù)據(jù)包。

上行方向：由于無源光合路器的方向特性，任何一個(gè)ONU發(fā)出的數(shù)據(jù)包只能到達(dá)OLT，而不能到達(dá)其他的ONU。EPON在上行方向上的行為特點(diǎn)與點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)相同，但卻不同于真正的點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在EPON中，所有的ONU都屬于同一個(gè)沖突域——來自不同的ONU的數(shù)據(jù)包如果同時(shí)傳輸依然可能產(chǎn)生沖突。因此在上行方向，EPON需要采用某種仲裁機(jī)制來避免數(shù)據(jù)沖突。

局端（OLT）與用戶（ONU）之間僅有光纖、光分路器等無源光器件，無需租用機(jī)房、配備電源及有源設(shè)備維護(hù)人員，因此可有效節(jié)省建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)成本；EPON采用以太網(wǎng)的傳輸格式同時(shí)也是用戶局域網(wǎng)／駐地網(wǎng)的主流技術(shù)，二者具有天然的融合性，消除了復(fù)雜的傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換帶來的成本因素；采用單纖波分復(fù)用技術(shù)（下行1 490 nm，上行1 310 nm），僅需一根主干光纖和一個(gè)OLT，傳輸距離就可達(dá)20 km。在ONU側(cè)通過光分路器最多分送給32個(gè)用戶，因此可大大降低OLT和主干光纖的成本壓力；上下行均為千兆速率，下行采用針對不同用戶加密廣播傳輸?shù)姆绞焦蚕韼挘闲欣脮r(shí)分復(fù)用（TDMA）共享帶寬。高速寬帶，充分滿足了接入網(wǎng)客戶的帶寬需求，并可方便靈活地根據(jù)用戶需求的變化動態(tài)分配帶寬；點(diǎn)對多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，只需增加ONU數(shù)量和少量用戶側(cè)光纖即可方便地對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容升級，有力控制了運(yùn)營商的投資規(guī)模。

1.1.2 具體項(xiàng)目分析

隧道內(nèi)每200 m設(shè)置了一個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)防火分區(qū)的通風(fēng)室內(nèi)安裝一臺光網(wǎng)絡(luò)單元ONU，作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每10個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)，整個(gè)電纜隧道共設(shè)置8個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)。再由每個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)兩端引光纜至站端OLT光線路終端設(shè)備，形成了8個(gè)獨(dú)立的光路環(huán)網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。

1.2 方案2：用光交換機(jī)組自愈環(huán)網(wǎng)

1.2.1 用光交換機(jī)組自愈環(huán)網(wǎng)簡介

自愈環(huán)以太網(wǎng)交換機(jī)采用世界最新光纖技術(shù)，結(jié)合目前應(yīng)用最廣的以太網(wǎng)技術(shù)，是一款集光通信、以太網(wǎng)于一體的綜合通信單元，專門為電力配網(wǎng)自動化、工業(yè)自動化、SCADA（數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控）等工業(yè)行業(yè)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域而設(shè)計(jì)。自愈環(huán)以太網(wǎng)交換機(jī)可以將多個(gè)站點(diǎn)的以太網(wǎng)信號、232／485信號、視頻信號、語音信號等復(fù)合到環(huán)形光纖鏈路中傳輸。自愈環(huán)以太網(wǎng)交換機(jī)支持對光纖環(huán)路的自動檢測和倒換，全負(fù)載下故障恢復(fù)時(shí)間＜20 ms。

雙環(huán)自愈以太網(wǎng)光端機(jī)（圖2）支持4個(gè)環(huán)路光口和1～2個(gè)支路光口，可組建鏈形、環(huán)形、T形等各種復(fù)雜的光纖網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)配置為4個(gè)環(huán)路光口時(shí)可組成相切環(huán)。設(shè)備使用工業(yè)級元件生產(chǎn)，支持電源冗余，符合工業(yè)級設(shè)計(jì)要求。

圖2 雙環(huán)自愈以太網(wǎng)光端機(jī)

功能特性：

（1）環(huán)路光口兼容IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)；

（2）具有廣播風(fēng)暴抑制功能，自動對數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾和MAC地址記憶，MAC地址表8K環(huán)路、支路光接口均兼容IEEE802.3U－100M－FX；

（3）支持2～4個(gè)光口環(huán)路同時(shí)傳輸，每站最高帶寬400 Mbps；

（4）支持光纖環(huán)路的檢測和自愈合，光口冗余故障倒換時(shí)間不大于20 ms；

（5）光口可組建鏈形、環(huán)形、T形、復(fù)合形等各種光纖網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 具體項(xiàng)目分析

隧道內(nèi)每200 m設(shè)置了一個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)防火分區(qū)的通風(fēng)室內(nèi)安裝一臺級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，前25個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成第一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)A，中間10個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成第二個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)B，后45個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成第三個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)C，每個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)再分別引光纜至站端以太網(wǎng)交換機(jī)。整個(gè)電纜隧道共設(shè)置3個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)。

2 2種設(shè)計(jì)方案對比分析

EPON組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活，通過分路器實(shí)現(xiàn)鏈、樹、環(huán)型的拓?fù)洌?/p>

（2）采用無源分路器，維護(hù)方便；

（3）單個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的失效對網(wǎng)絡(luò)無影響；

（4）網(wǎng)絡(luò)層級簡單，網(wǎng)絡(luò)性能和傳輸延時(shí)更有保障；

（5）成本低于工業(yè)以太網(wǎng)。

缺點(diǎn)：

（1）光分路器插入損耗1 dBm，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不能太大；通道衰耗（含節(jié)點(diǎn)光功率衰耗、光纜損耗、光分路器插入損耗、法蘭盤損耗）容限考慮為28 dBm，理論計(jì)算最多可接入13個(gè)節(jié)點(diǎn)；

（2）EPON的功耗大，尤其是發(fā)光器件功耗大，不利于長期在高溫環(huán)境中工作；

（3）ONU之間不能實(shí)現(xiàn)通信，只能是OLT對ONU之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的通信；

（4）EPON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為國內(nèi)廠家生產(chǎn)，質(zhì)量難以保證；

（5）后期擴(kuò)展不便；

（6）與南網(wǎng)及廣東電網(wǎng)視頻及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)不一致。

交換機(jī)組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）以太網(wǎng)技術(shù)具有擴(kuò)展性好、價(jià)格較便宜、接入速率高、成熟簡單等優(yōu)勢；

（2）每個(gè)節(jié)點(diǎn)放置一臺交換機(jī)，配置簡單，僅需要配置相應(yīng)的級聯(lián)光口即可組成自愈環(huán)網(wǎng)；

（3）環(huán)網(wǎng)站點(diǎn)個(gè)數(shù)理論上無限制，但考慮業(yè)務(wù)正常傳送時(shí)的延時(shí)和保護(hù)倒換時(shí)間，建議采用多環(huán)少節(jié)點(diǎn)方式，且每個(gè)環(huán)少于50個(gè)節(jié)點(diǎn)；

（4）網(wǎng)絡(luò)安全性高，如果環(huán)網(wǎng)連接中斷，可自動啟動環(huán)網(wǎng)保護(hù)，正常時(shí)可以對每個(gè)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；

（5）網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充性強(qiáng)，當(dāng)接入新節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可自動發(fā)現(xiàn)并生成樹，整個(gè)過程對現(xiàn)有業(yè)務(wù)無影響；

（6）傳輸距離長，如采用多級光再生放大，理論上可無限擴(kuò)展；

（7）采用光交換機(jī)組網(wǎng)方式和南網(wǎng)的視頻及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)一致。

缺點(diǎn)：

（1）光交換機(jī)組網(wǎng)只支持點(diǎn)到點(diǎn)的信息傳遞，因此組網(wǎng)有局限性；

（2）每臺級聯(lián)交換機(jī)均需要電源；

（3）投入成本較高。

通過對這2種組網(wǎng)方式進(jìn)行對比，筆者建議采用光交換機(jī)組自愈環(huán)網(wǎng)方式，因此應(yīng)選方案2。

3 結(jié)語

隨著人們生活水平的提高，對用電質(zhì)量的要求也越來越高，安全輸電成為一個(gè)非常重要的問題。在城市電網(wǎng)中，架空輸電線路存在著越來越多的問題，對居民的生活和城市交通造成了很大影響，因而通過電力隧道進(jìn)行高壓電纜輸電成為一種更好的選擇。為了電力隧道電纜的安全運(yùn)行和維護(hù)人員的安全，需要對電力電纜隧道進(jìn)行視頻及環(huán)境監(jiān)控。本文分析了當(dāng)前最為流行的2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行對比，最后得出了最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案：采用光交換機(jī)組成自愈環(huán)網(wǎng)。