EPON在智能變電站中的實(shí)現(xiàn)

彭奇(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

EPON在智能變電站中的實(shí)現(xiàn)

彭奇
(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

通過分析EPON的工作原理及其優(yōu)勢，結(jié)合智能變電站對EPON的技術(shù)要求，提出了一種EPON在智能變電站中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。通過簡單分析智能變電站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文種類及流量，肯定了EPON可用于智能變電站的過程層通信。同時(shí)介紹了一種基于CPU和FPGA的EPON功能插件的實(shí)現(xiàn)。EPON技術(shù)不僅減少了智能變電站有源光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的數(shù)量，降低了成本，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性、靈活性，易于站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與管理。

PON；EPON；ONU；通信架構(gòu)；過程層

0 引 言

隨著智能變電站的快速建設(shè)發(fā)展，站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)承載了更多的電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)類型，包括EtherNet/IP、RS232/485串口、語音、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)，支持IEC 60870-5-101、IEC60870-5-104、IEC61850等多種電力通信規(guī)約業(yè)務(wù)的透傳。其中諸如SV(采樣值)、GOOSE(面向?qū)ο笞冸娬臼录耐ㄓ脤ο?等業(yè)務(wù)流量巨大，數(shù)據(jù)內(nèi)容重要，是智能變電站正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。2006年我國廠站建設(shè)開始全面進(jìn)入光纖網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)代，光纖接入技術(shù)不僅解決了帶寬瓶頸問題，還解決了雙絞線接入的長距離覆蓋問題。光纖接入分為有源和無源兩種模式。有源指的是目前使用的光纖以太網(wǎng)，適合目前智能變電站內(nèi)部專網(wǎng)專線接入，而無源指的就是PON(無源光纖網(wǎng)絡(luò))，PON是未來光纖接入技術(shù)的主流模式。

1 EPON原理介紹

1.1 PON原理介紹

無源光纖網(wǎng)絡(luò)簡稱PON[1]，是一種點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的無源光網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，由安裝于中心控制站OLT(光線路終端)、配套安裝于用戶場所的ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)，以及ODN(光分配網(wǎng)絡(luò))等組成。網(wǎng)絡(luò)中不含有任何電子器件及電子電源，ODN全部由光分路器等無源器件組成。

圖1 PON鏈路架構(gòu)

PON技術(shù)的主要優(yōu)勢包括傳輸距離長、帶寬高、接入容量大、成本低。PON技術(shù)可以覆蓋20公里，采用無源的光分路器進(jìn)行匯聚，網(wǎng)絡(luò)扁平化，可節(jié)約90%的匯聚交換機(jī)；擁有高達(dá)1.25 G或2.5 G的帶寬；采用點(diǎn)對多點(diǎn)技術(shù)，可以節(jié)約大量的光纖和一半的光收發(fā)器，且無源的光纖網(wǎng)絡(luò)可大大降低維護(hù)成本。

1.2 EPON原理介紹

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)簡稱EPON，是在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務(wù)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其系統(tǒng)參考圖如圖2所示[2]。

圖2 EPON系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)

EPON的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.3ah，其物理層采用PON技術(shù)，在鏈路層使用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入，不僅綜合了PON技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，且擴(kuò)展性強(qiáng)，與現(xiàn)有以太網(wǎng)兼容方便管理。EPON強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)接入能力，延續(xù)了以太網(wǎng)開放的架構(gòu)和特點(diǎn)。

EPON系統(tǒng)在一根纖芯上傳送上下行兩個(gè)波段。下行方向(OLT到ONU)為廣播方式，所有ONU都能收到OLT發(fā)送的相同的數(shù)據(jù)，通過LLID(邏輯鏈路標(biāo)記)來區(qū)分不同的業(yè)務(wù)，過濾接收屬于自己的數(shù)據(jù)；上行方向(ONU到OLT)，通過TDMA(時(shí)分復(fù)用)的方式傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)ONU發(fā)送的信號只會到達(dá)OLT，而不會直接到達(dá)其它ONU；每個(gè)ONU會收到OLT發(fā)給它的授權(quán)消息，按OLT告知的時(shí)間點(diǎn)發(fā)送指定的報(bào)文數(shù)量，避免了數(shù)據(jù)沖突并提高網(wǎng)絡(luò)利用效率。

2 EPON在智能變電站中的架構(gòu)

2.1 智能變電站EPON的技術(shù)要求

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)和支撐，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是其核心技術(shù)之一。目前國內(nèi)智能變電站主要采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行通信系統(tǒng)的體系設(shè)計(jì)。其中工業(yè)交換機(jī)價(jià)格昂貴，使用數(shù)量多，在使用過程層網(wǎng)采或網(wǎng)跳方式的已投運(yùn)智能變電站中，其中工業(yè)交換機(jī)成本幾乎和所有二次設(shè)備成本相當(dāng)。去電纜化，即采用光纖替代傳統(tǒng)電纜可減少傳輸過程中的電信號，既降低了成本，也降低了干擾。因此，在智能變電站的建設(shè)中，需要一種更經(jīng)濟(jì)實(shí)用、更抗干擾、更適合通信技術(shù)光纖化發(fā)展趨勢的數(shù)據(jù)交換技術(shù)。國家電網(wǎng)公司已頒布了相應(yīng)的EPON標(biāo)準(zhǔn)，要滿足智能變電站中的各種應(yīng)用，EPON的具體技術(shù)要求包括如下部分：

EPON系統(tǒng)應(yīng)使用1000BASE-PX20物理層接口，最大傳輸距離20 km，使用符合ITU-T G.652要求的單模光纖。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單纖雙向系統(tǒng)，上、下行分別使用不同波長的光信號。系統(tǒng)符合YD/T 1475、YD/T 1771的規(guī)定，支持的最大分路比至少為1∶32。在以太網(wǎng)要求方面，OLT、ONU都應(yīng)支持根據(jù)MAC地址進(jìn)行交換，還需支持MAC地址的動態(tài)學(xué)習(xí)功能以及以太網(wǎng)業(yè)務(wù)二層交換功能。系統(tǒng)還需支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀過濾，支持全雙工方式下的IEEE Std802.3x流量控制協(xié)議，還可配置相關(guān)功能，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)支持VLAN及組播功能，OLT、ONU應(yīng)支持IEEE 802.1Q協(xié)議[2]。

在可靠性方面，智能變電站中如果一根光纖數(shù)據(jù)異常，可能導(dǎo)致保護(hù)誤跳或者拒跳，影響一個(gè)地區(qū)的電力供應(yīng)或者導(dǎo)致昂貴的一次設(shè)備損壞。所以，必須保證較低的光纖故障率，一旦出現(xiàn)故障必須很快進(jìn)行精確定位并予以維修。

在應(yīng)用環(huán)境方面，由于電力系統(tǒng)設(shè)備要承受的環(huán)境條件往往更加惡劣，因此對EPON設(shè)備的抗電磁干擾、環(huán)境溫度、濕度耐受性等方面提出了更高的要求。

在與原設(shè)備的兼容性方面，電力行業(yè)與通信行業(yè)的業(yè)務(wù)類型不一樣，因此，應(yīng)用于智能變電站的EPON設(shè)備需要根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)專門接口與原有的設(shè)備進(jìn)行對接，或者將EPON模塊嵌入智能變電站二次設(shè)備內(nèi)，提高其集成度。

2.2 智能變電站EPON架構(gòu)

在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，用電領(lǐng)域已成功使用EPON技術(shù)，采用光纖復(fù)合低壓電纜，配合EPON技術(shù)承載信息采集、智能用電等業(yè)務(wù)[3]。而在智能變電站內(nèi)部，二次設(shè)備間的通信尚未有基于EPON技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。EPON是針對通信行業(yè)應(yīng)用開發(fā)的產(chǎn)品，在電力行業(yè)應(yīng)用時(shí)需針對應(yīng)用環(huán)境和需求進(jìn)行優(yōu)化?；贓PON的智能變電站建設(shè)包含了諸多功能及相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備[4]。

由于智能變電站已不采用傳統(tǒng)電纜傳輸模擬量及開入量，而采用數(shù)字化方式傳輸報(bào)文，所以在站內(nèi)會采用全光纜配置，而非光纖復(fù)合電纜。智能變電站過程層是個(gè)典型網(wǎng)絡(luò)，采用EPON設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本組成應(yīng)包括： OLT、ODN和ONU，如圖3所示。圖3所示架構(gòu)中ONU已設(shè)計(jì)為二次設(shè)備內(nèi)部模塊。

圖3 EPON在智能變電站過程層的通信架構(gòu)

OLT是ONU接入的中心匯聚點(diǎn)和控制中心，負(fù)責(zé)帶寬分配控制、ONU工作狀態(tài)檢測，與網(wǎng)絡(luò)管理軟件的接口等。ODN是處于OLT與各ONU之間的無源光網(wǎng)絡(luò)，為OLT何ONU之間提供光傳輸物理通道。

ONU完成與OLT的用戶數(shù)據(jù)與協(xié)議數(shù)據(jù)的交互，在智能變電站中主要實(shí)現(xiàn)各裝置側(cè)的接口功能。考慮到降低設(shè)備成本，提高設(shè)備集成度的原則，可以將ONU功能設(shè)計(jì)為一個(gè)置于二次設(shè)備內(nèi)部的功能模塊。

合并單元、智能終端與保護(hù)、測控裝置之間的數(shù)據(jù)通信通過OLT中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，通信鏈路完全由光纖和ODN等無源器件組成。主時(shí)鐘的IEEE1588對時(shí)光纖也連接到OLT，與SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文復(fù)用EPON鏈路，可以給過程層設(shè)備提供高精度對時(shí)源。從圖3中可以看出，采用EPON架構(gòu)的智能變電站過程層設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)方式相比，大大減少了工業(yè)交換機(jī)的數(shù)目，通過ODN無源器件對光纖信號進(jìn)行匯聚，一定程度上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)扁平化，既減少了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次，也降低了設(shè)備成本。

2.3 網(wǎng)絡(luò)分析

智能變電站通信報(bào)文主要是MMS(報(bào)文制造規(guī)范)報(bào)文、SV報(bào)文、GOOSE報(bào)文和IEEE1588對時(shí)報(bào)文。站控層報(bào)文包括MMS報(bào)文，用于五防的GOOSE報(bào)文等，過程層報(bào)文包括SV報(bào)文、GOOSE報(bào)文及IEEE1588對時(shí)報(bào)文等，過程層報(bào)文數(shù)據(jù)流量大于站控層報(bào)文數(shù)據(jù)流量。MMS報(bào)文基于MMS協(xié)議，正常情況下流量穩(wěn)定，存在突變可能；SV報(bào)文基于IEC61850-9-2，流量大，發(fā)送時(shí)間間隔短，但流量均勻無突變；GOOSE報(bào)文突發(fā)性強(qiáng)，可能會有瞬時(shí)爆發(fā)性流量產(chǎn)生；IEEE1588報(bào)文收發(fā)間隔和流量均不大。由于每幀EPON數(shù)據(jù)包均含有32位時(shí)間戳信息，因而IEEE1588在EPON實(shí)現(xiàn)具有先天優(yōu)勢。與IRIGB對時(shí)模式相比，采用IEEE1588對時(shí)還可以充分利用EPON光纖通道，不用獨(dú)立的對時(shí)光纖布線，簡化工程實(shí)施，節(jié)約了成本，可以作為首選對時(shí)方案優(yōu)先考慮。

目前智能變電站過程層通信端口速率為100 M，出于設(shè)備安全考慮，基本上帶寬使用最大到30 Mbit/s。EPON可以提供上下行對稱的最小1.25 Gbit/s的帶寬，依靠無源優(yōu)勢可以將帶寬利用率提高到80%左右，最小帶寬也能達(dá)到1 Gbit/s。假設(shè)每個(gè)PON口下接入16個(gè)ONU，每臺ONU也能分到62.5 Mbit/s的帶寬，不僅能滿足目前智能變電站過程層通信帶寬需求，還可走更大的數(shù)據(jù)流量。

由于ONU向OLT發(fā)送數(shù)據(jù)采用基于申請-授權(quán)的帶寬分配機(jī)制，因此EPON網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。該延時(shí)會對SV報(bào)文的接收產(chǎn)生一定影響，但可通過一定算法計(jì)算延時(shí)。若延時(shí)劇烈抖動，會導(dǎo)致接收端裝置在一個(gè)采樣中斷里收到多幀SV報(bào)文或者連續(xù)多個(gè)中斷收不到對側(cè)SV報(bào)文，但不會導(dǎo)致丟幀，這是EPON的缺點(diǎn)[5]。可通過增加采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來克服網(wǎng)絡(luò)延時(shí)抖動帶來的影響。

3 EPON功能插件的實(shí)現(xiàn)

為減少智能變電站內(nèi)通信鏈路上的設(shè)備，簡化設(shè)計(jì)，提高二次設(shè)備集成度，考慮將ONU功能作為一個(gè)獨(dú)立的功能模塊內(nèi)嵌到裝置內(nèi)部，如圖4所示。

主CPU插件上的FPGA擴(kuò)展千兆網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)MMS功能，擴(kuò)展兩個(gè)PON口實(shí)現(xiàn)過程層以太網(wǎng)功能，GOOSE、SV、IEEE1588 接收報(bào)文通過PON口進(jìn)入系統(tǒng)，由FPGA 進(jìn)行分組并存儲，通過PCI-E接口DMA(直接內(nèi)存存取)存取的方式直接將報(bào)文存到CPU的外部DDR內(nèi)存中。主CPU插件的雙核處理器根據(jù)報(bào)文分組對不同報(bào)文進(jìn)行處理，其中一個(gè)核負(fù)責(zé)管理功能，主要對MMS和IEEE1588報(bào)文進(jìn)行解析并處理；另一個(gè)核對SV和GOOSE報(bào)文進(jìn)行解析處理并執(zhí)行保護(hù)測控應(yīng)用功能，處理后的數(shù)據(jù)由處理器通過PCI-E接口傳送給FPGA，再由FPGA通過PON口向外發(fā)送GOOSE、SV、IEEE1588等相關(guān)信息。

圖4 基于CPU和FPGA的EPON插件設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語

EPON的無源特性使其擁有良好的穩(wěn)定性以及低功耗的特點(diǎn)，這不僅解決了目前智能變電站有源光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的散熱弊端，降低了用電成本，還大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。其組網(wǎng)方式靈活多變，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際地理位置靈活組網(wǎng)或改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，通過在智能變電站內(nèi)的合理組網(wǎng)，還可充分發(fā)揮EPON在帶寬及速度上的優(yōu)勢。EPON點(diǎn)對多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)也有利于集中網(wǎng)管，降低智能變電站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)成本。

[1] 陳潔. PON技術(shù)及應(yīng)用分析[J]. 通信管理與技術(shù) 2007,4(8):14-18.[2] 國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).Q/GDW 553.1-2010 基于以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)系統(tǒng).第1部分：技術(shù)條件[S].[出版地不祥]，2010.

[3] 張浩,卜憲德,郭經(jīng)紅，等. EPON技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)通信 2010,7(7):42-46.

[4] 金乃正,朱瑪,馬平，等.基于EPON通信技術(shù)的智能變電站保護(hù)控制技術(shù)研究[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用2013,1(1):36-38.

[5] 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(10):15-19.

Implementation of EPON in the Smart Substation

PENG Qi
(State Grid NARI Technology Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

Through analysis of the working principle and advantages of EPON and in relation to smart substation’s requirements on EPON, this paper presents an implementation of EPON in the network frame of a smart substation. Through a simple analysis of the types and flow of network messages of the smart substation, it proves that EPON can be used for the process level communication of the smart substation. Furthermore, it introduces an implementation of EPON functional plug-in based on CPU and FPGA. EPON not only reduces the quantity of switches in the active fiber-optic network of the smart substation and the cost, but also improves the reliability and flexibility of the network, thus enabling easier maintenance and management of the in-station communication network.

PON; EPON; ONU; communication frame; process level

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.020

TM76

A

1000-3886(2015)05-0063-03

彭奇(1982-)，男，江蘇南京人，碩士，工程師，主要研究方向：智能變電站系統(tǒng)研究。

定稿日期: 2014-11-05