EPON技術(shù)在智能變電站狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊臻，趙燕茹(中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

EPON技術(shù)在智能變電站狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊臻，趙燕茹
(中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

以太無源光網(wǎng)絡(luò)(ethernet passive optical network，EPON)是一種新型的光纖接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它具有低成本、高帶寬、電磁干擾小、擴(kuò)展性強(qiáng)、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。在智能變電站中狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較大、實(shí)時(shí)性要求較低。采用EPON技術(shù)構(gòu)建站內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效地解決出口帶寬分配問題，且無需使用交換機(jī)，大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資與全壽命周期維護(hù)成本，是智能變電站狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)有效的新型組網(wǎng)方案。分析了智能變電站狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用EPON技術(shù)的可行性，并提出220 kV智能變電站EPON網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案，為智能變電站狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種新型方案。

以太無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON);狀態(tài)監(jiān)測;視頻監(jiān)控;組網(wǎng)方案

0 引言

變電站電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境信息，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測評估變電站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的基礎(chǔ);視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)圖像監(jiān)控、安防等遠(yuǎn)程控制功能，并可與火災(zāi)告警系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)等聯(lián)動［1］。

以太無源光網(wǎng)絡(luò)(ethernet passive optical network，EPON)是一種新型的光纖接入網(wǎng)技術(shù)，它采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸，具有易擴(kuò)展、高帶寬、抗干擾等特點(diǎn)。已有研究表明，在智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)采用EPON通信平臺進(jìn)行采樣值SV和GOOSE傳輸時(shí)的通信性能指標(biāo)不能滿足應(yīng)用需求［2］，但適用于變電站內(nèi)對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高且占用帶寬較大的狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，也可作為變電站與調(diào)控中心間的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

1 電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)需求

1.1 電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

高壓電氣設(shè)備的安全運(yùn)行是保證變電站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。狀態(tài)監(jiān)測是在不影響變電站設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境信息，利用傳感、視頻、通信、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，對變壓器、耦合電容器、絕緣套管、GIS、斷路器、避雷器等設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測單元、狀態(tài)監(jiān)測主IED和狀態(tài)監(jiān)測后臺組成?，F(xiàn)場監(jiān)測單元屬于過程層設(shè)備，主要指安裝于各設(shè)備的傳感器;各子IED和主IED部署在間隔層;狀態(tài)監(jiān)測后臺位于站控層，集成于II區(qū)綜合應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)信息，并完成各種監(jiān)測功能的數(shù)據(jù)采集存儲、故障報(bào)警、故障診斷等功能。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)量巨大但實(shí)時(shí)性要求不高，220 kV變電站狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容及數(shù)據(jù)量見表1。

以一個(gè)中型220 kV變電站為例(主變壓器2臺，避雷器8臺，雙母線接線)，由表2計(jì)算可知，該站每小時(shí)采樣量最少為:1(個(gè)量)×2(臺)+1(個(gè)量)× 60(次/h)×2(臺)+1(個(gè)量)×60(次/min)× 60(min)×2(臺)+3(個(gè)量)×12(次/Min)× 60(min)×80(個(gè)氣室)+1(個(gè)量)×2(次/h)× 8(臺)=180 138(個(gè))，數(shù)據(jù)量龐大。

狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要為上行數(shù)據(jù):通過統(tǒng)一的DL/ T860通信標(biāo)準(zhǔn)(子IED采集的數(shù)據(jù)直接通過I1［3］規(guī)約接入站內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測主機(jī)與監(jiān)測后臺通信)，經(jīng)II區(qū)綜合應(yīng)用服務(wù)器處理后轉(zhuǎn)化為I2［4］規(guī)約，通過橫向安全隔離裝置由Ⅲ/Ⅳ區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)傳送至主站系統(tǒng)。I1接口數(shù)據(jù)應(yīng)用在現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)流量巨大，I2接口變電站出口數(shù)據(jù)流量一般小于1Mbps (注:電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測I1接口定義為主IED或復(fù)合DL/T860通訊規(guī)約的子IED和在狀態(tài)監(jiān)測后臺系統(tǒng)之間的接口;I2接口定義為調(diào)度端在線監(jiān)測主站系統(tǒng)與變電站端后臺系統(tǒng)之間的通信接口)。

1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

智能變電站按無人值守變電站設(shè)計(jì)，要求視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能更加完善，運(yùn)行更加可靠。視頻監(jiān)視及安全警衛(wèi)子系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)主要為視頻流，占用網(wǎng)絡(luò)資源較大。視頻監(jiān)控內(nèi)容按照現(xiàn)有變電站安防系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包含出入口監(jiān)控、周界環(huán)境監(jiān)控、重點(diǎn)區(qū)域環(huán)境監(jiān)控。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端攝像機(jī)、傳輸電纜、硬盤錄像機(jī)及視頻服務(wù)器等設(shè)備組成，與視頻監(jiān)控系統(tǒng)形成一體化的聯(lián)動［5］，例如某區(qū)域安放的紅外設(shè)備報(bào)警，則將視頻拍攝區(qū)域轉(zhuǎn)到報(bào)警區(qū)域，記錄視頻數(shù)據(jù)到視頻服務(wù)器存儲單元，網(wǎng)內(nèi)客戶端通過請求服務(wù)器數(shù)據(jù)，調(diào)用視頻歷史和實(shí)時(shí)播放。

以220 kV變電站為例，通常需配置攝像頭10～15個(gè)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻流對于實(shí)時(shí)性要求不高，一般為≤1 s。視頻流為上行數(shù)據(jù):網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過網(wǎng)線與光電轉(zhuǎn)換器連接，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號通過光纖傳輸?shù)絀I區(qū)綜合應(yīng)用服務(wù)器，經(jīng)通過橫向安全隔離裝置由Ⅲ/Ⅳ區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)傳送至其他主站系統(tǒng)。

1.3 傳輸數(shù)據(jù)與帶寬需求

經(jīng)上述分析，智能變電站狀態(tài)監(jiān)測通過狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，每小時(shí)采集傳輸數(shù)據(jù)約為18萬個(gè)。而視頻監(jiān)控系統(tǒng)為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠性，前端普遍采用720P高清攝像頭，一路高清圖像需要帶寬6～10 M，對于100 M以太網(wǎng)最多同時(shí)承載6路高清圖像，明顯少于每站攝像頭配置數(shù)量，若采用交換機(jī)組網(wǎng)方式，至少需配置16口交換機(jī)2臺。

變電站狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)要求見表2。

在視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)到其他主站系統(tǒng)的傳送中，通常為SDH2.5 G光纖構(gòu)建的廣域網(wǎng)，帶寬容量最大為10 G。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，今后智能變電站一次設(shè)備、其帶寬容量的限制無法滿足今后智能變電站的一次設(shè)備在線監(jiān)測業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控、智能巡維系統(tǒng)等應(yīng)用。站控層設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化后，狀態(tài)監(jiān)測主機(jī)和視頻主機(jī)整合于綜合應(yīng)用服務(wù)器功能中，這些信息除可與I區(qū)數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)站內(nèi)高級功能應(yīng)用外，還可同時(shí)發(fā)送至調(diào)度部門供調(diào)度運(yùn)行人員查閱。

2 EPON應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的可行性

因EPON技術(shù)具有如下突出特點(diǎn)，適合在智能變電站中應(yīng)用。

(1)設(shè)備簡單，運(yùn)維成本低。EPON設(shè)備簡單，主要包括光線路終端(optical line term inal，OLT)、分光器、光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit，ONU)，僅需通過光纖和無源分路器連接，無需配置交換機(jī)，同時(shí)兼容以太網(wǎng)的應(yīng)用，使目前基于以太網(wǎng)有線接入的升級變得非常簡單，無需引入任何其他協(xié)議轉(zhuǎn)化模塊［6］。EPON結(jié)構(gòu)在傳輸途中不需電源，易于鋪設(shè)，基本無需維護(hù)。

(2)提供帶寬高，帶寬分配靈活。EPON目前可以提供上下行對稱的1.25 Gbps帶寬，并且隨著以太技術(shù)的發(fā)展可以升級到10 Gbps。EPON可以通過動態(tài)帶寬算法等實(shí)現(xiàn)對每個(gè)接入點(diǎn)的帶寬分配，并保證每個(gè)接入點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)［7］。

(3)電磁干擾小，雷電影響少。EPON是純光介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，適合在變電站內(nèi)電磁干擾嚴(yán)重的地區(qū)使用。

(4)自愈時(shí)間短。變電站內(nèi)設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)自愈時(shí)間要求較高，一般會采用雙無源光纖網(wǎng)絡(luò)(passive optical network，PON)光口的ONU。EPON系統(tǒng)的自愈機(jī)制建立在2根光纖上，當(dāng)一條光纖信號或節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，通過EPON的自愈功能可以迅速切換到另一組回環(huán)，保證通訊業(yè)務(wù)的暢通，自愈時(shí)間一般不超過100 ms。

鑒于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高的特點(diǎn)，EPON的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢能夠很好地滿足狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，且EPON技術(shù)在公網(wǎng)和智能配電網(wǎng)等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用［6-10］，因此本文考慮在智能變電站創(chuàng)新應(yīng)用EPON技術(shù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測和視頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，以期能夠很好地解決目前變電站內(nèi)、變電站與主站之間日益增長的帶寬開銷問題。

3 狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)EPON網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

3.1 組網(wǎng)方案

通過對狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)的需求對象進(jìn)行分析，可以建立站內(nèi)和變電站與調(diào)度中心的EPON網(wǎng)絡(luò)整體構(gòu)架。

方案1。不考慮站內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)經(jīng)分光器直接連接至光纖配線架，進(jìn)而連接電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)和調(diào)度端主站，如圖1所示。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)各IED和視頻監(jiān)視系統(tǒng)的各攝像頭接入ONU，上行采用時(shí)分復(fù)用(time division multiple access，TDMA)共享帶寬。分光器匯集數(shù)據(jù)，上送至光纖配線架出站。此方案組網(wǎng)方式簡單，但設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)不與站內(nèi)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交互。在遠(yuǎn)期或擴(kuò)建時(shí)，若有需要，只需增加ONU數(shù)量和少量光纖即可方便地對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容升級，減少了投資。由于站內(nèi)ONU設(shè)備均通過無源分光器以物理并聯(lián)的型式接到通信信道光纖，后續(xù)新增、擴(kuò)容接入不會影響現(xiàn)有業(yè)務(wù)通訊的實(shí)時(shí)性、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠性。

方案2。為滿足站內(nèi)實(shí)現(xiàn)高級應(yīng)用功能的需求，需在方案一的基礎(chǔ)上配置OLT，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互與分析。OLT為ONU分配帶寬，解析下聯(lián)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，傳送至綜合應(yīng)用服務(wù)器并將綜合應(yīng)用服務(wù)器結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等處理分析的指令向ONU發(fā)送實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修等高級應(yīng)用功能。分光器并不具備光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理功能，僅完成數(shù)據(jù)集中作用，如圖2所示。

站內(nèi)各節(jié)點(diǎn)通過工業(yè)級OLT設(shè)備的千兆PON光口和1:n分光器組成的跨OLT主干光路保護(hù)通信網(wǎng)。不同系統(tǒng)的信息和不同站的信息充分利用EPON的QoS機(jī)制實(shí)現(xiàn)分類管理，站內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測I1接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成I2接口后經(jīng)OPGW光纜傳輸至在線監(jiān)測主站;各站的視頻流匯集至地調(diào)的視頻主站后，主站可通過查看各子站內(nèi)視頻圖像，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)檢修等高級應(yīng)用功能。

3.2 設(shè)計(jì)方案

以國家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)220-A1-1方案為例，220 kV本期采用雙母線接線，110 kV本期采用雙母線接線，10 kV本期采用單母線分段接線，主變采用三相自耦有載調(diào)壓變壓器2臺，220 kV及110 kV均采用戶外GIS，220 kV，110 kV，35 kV出線各4回。

全站配置狀態(tài)監(jiān)測裝置1套，包括涵蓋各式傳感器和控制器在內(nèi)的在線監(jiān)測IED24臺;視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置攝像機(jī)15個(gè)，視頻監(jiān)控服務(wù)器1組，在線監(jiān)測服務(wù)器1組。裝置布置及連接示意如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)視、順序控制等高級應(yīng)用功能，推薦方案2。采用EPON組網(wǎng)方式，根據(jù)變電站面積設(shè)置攝像頭15個(gè)，每1～3個(gè)攝像頭就近配置ONU設(shè)備，共需7臺;狀態(tài)監(jiān)測子IED每8個(gè)配置1臺ONU設(shè)備，共需3臺。設(shè)置1臺OLT設(shè)備，裝設(shè)有PON口和電口，通過OLT上的小型可插拔收發(fā)光模塊(small form-factor pluggables，SFP)，經(jīng)過光纖配線架送至調(diào)度主站端。接入綜合應(yīng)用服務(wù)器(一體化信息平臺)的數(shù)據(jù)通過OLT上的SFP RJ45電口模塊完成傳輸，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)高級應(yīng)用功能。共需SFP端口4個(gè)，分別連接站內(nèi)交換機(jī)、有線或無線路由器，提供標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接入的支持。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

上述變電站需配置狀態(tài)監(jiān)測子IED24臺;視頻監(jiān)控系統(tǒng)需配置網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)15個(gè)。采用常規(guī)方案(交換機(jī)組網(wǎng)方式)建設(shè)，需配置16口交換機(jī)4臺。常規(guī)方式和EPON方式組網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性比較詳見表3。

由表3可知，采用無源光網(wǎng)絡(luò)方式比常規(guī)組網(wǎng)方式前期投資減少5.2萬元。由于EPON為無源光網(wǎng)絡(luò)，傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設(shè)，在全壽命周期內(nèi)基本不用維護(hù)，其長期運(yùn)維成本和管理成本也將大大降低。

可見，通過采用EPON方式構(gòu)建站內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測和視頻系統(tǒng)的通信設(shè)備成本及建設(shè)成本較常規(guī)方式都少，經(jīng)濟(jì)性較好。

4 結(jié)論

經(jīng)上述分析，結(jié)合智能變電站內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測與視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)特點(diǎn)，EPON作為一種新型的光纖接入網(wǎng)技術(shù)，因其無源光纖傳輸、成本低、高帶寬、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于智能變電站上述2大系統(tǒng)中，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，能夠滿足變電站站點(diǎn)和調(diào)度中心間日益增長的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬需求。

［1］國家電網(wǎng)公司基建部.智能變電站建設(shè)技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2011:77-79.

［2］魏勇，宋小會，許偉國，等.智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)采用EPON技術(shù)實(shí)用性研究［J］.電氣技術(shù)，2011(10):15-19.

［3］輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主站系統(tǒng)變電設(shè)備在線監(jiān)測I1接口網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范［S］.

［4］Q/GDW 740-2012輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主站系統(tǒng)變電設(shè)備在線監(jiān)測I2接口網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范［S］.

［5］QGDW 688-2012智能變電站輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］尹向東.EPON技術(shù)在用電信息采集遠(yuǎn)程通信中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2011，215(31):36-40.

［7］朱瑞杰，于昉，夏增極.EPON技術(shù)在配電網(wǎng)自動化中的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2011，32(6):49-53.

［8］李祥珍，何清素，孫寄生.智能配電網(wǎng)通信組網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.中國電力，2011，44(12):78-81.

［9］李博.變電站主電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)應(yīng)用［J］.中國電力，2002，35(11):37-41.

［10］馬衛(wèi)平，董旭柱，王忠東，等.大型變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.中國電力，2000，33(4):35-37，66.

(編輯:張媛媛)

Application of EPON Technology in Smart Substation Condition Monitoring and Video Surveillance System s

YANG Zhen，ZHAO Yanru
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

Ethernet passive optical network(EPON)is a new technology for optical fiber accessing network，which has characteristics of low cost，high bandw idth，little electromagnetic interference，strong scalability，strong compatibility and so on.The condition monitoring and video surveillance system in smart substation have a feature of large data，but low realtime requirements.The condition monitoring and video surveillance system in substation are constructed With using EPON can effectively solve the problem of exports＇bandw idth allocation Without using sw itches，and also can save the network construction investment and life-cycle maintenance costs，which is effective new network scheme for the condition monitoring and video surveillance system in smart substation.This paper analyzed the feasibility of the application of EPON technology in monitoring and video surveillance system in smart substation，and designed the construction scheme of EPON network for 220 kV smart substation，which can provide a new scheme for the data transm ission in monitoring and video surveillance system in smart substation.

ethernet passive optical network(EPON);condition monitoring;video surveillance;network scheme

TM 76

A

1000－7229(2014)11－0107－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.018

2014-05-26

2014-06-24

楊臻(1981)，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)樽冸娬驹O(shè)計(jì)技術(shù);趙燕茹(1960)，女，高級工程師，研究方向?yàn)樽冸娬驹O(shè)計(jì)技術(shù)。