基于EPON技術(shù)的配網(wǎng)自動(dòng)化通信方案研究

李慧

(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心，河北 保定 071051；2.保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071051)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量、節(jié)能減排、優(yōu)質(zhì)服務(wù)和環(huán)境保護(hù)的要求不斷提高，電力系統(tǒng)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，在這種情況下國(guó)家十分注重智能電網(wǎng)的發(fā)展[1]。智能電網(wǎng)是將多種智能技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于現(xiàn)代電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，通過(guò)多種分析決策技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)代化。智能技術(shù)主要包括信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)以及通信傳輸技術(shù)[2]。智能配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化，配電自動(dòng)化系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電能配送的監(jiān)視和控制，基礎(chǔ)是通信網(wǎng)絡(luò)。配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主要利用通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息以及數(shù)據(jù)信息的獲取，最終下達(dá)命令給終端系統(tǒng)[3]。配電網(wǎng)的建設(shè)對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)十分重要，因而本次研究分析以以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(ethernet passive optical network, EPON)技術(shù)為基礎(chǔ)的配網(wǎng)自動(dòng)化通信方案。

1 基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信方案

在配電網(wǎng)的自動(dòng)系統(tǒng)通信網(wǎng)的接入網(wǎng)站中采用EPON技術(shù)，得到相應(yīng)的配電網(wǎng)自動(dòng)通信方案。采用手拉手環(huán)網(wǎng)接線模式是配電網(wǎng)中常用的模式之一。EPON系統(tǒng)采用手拉手全光路接線模式時(shí)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)十分相似，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)全光保護(hù)倒換，并且不會(huì)改變光纖網(wǎng)絡(luò)的原有結(jié)構(gòu)[4]。配電網(wǎng)的這種接入結(jié)構(gòu)能夠提供兩種保護(hù)模式，第一種保護(hù)模式對(duì)失效的OLT設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)OLT設(shè)備發(fā)生故障時(shí)或者其上某個(gè)聯(lián)口發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)強(qiáng)制使得配電網(wǎng)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換至另外一個(gè)OLT方向上。第二種保護(hù)模式是當(dāng)配電網(wǎng)的某個(gè)方向上的光纖功能異?；蛘卟荒芄ぷ鲿r(shí)，也會(huì)將配電網(wǎng)匯中的業(yè)務(wù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)OLT方向上[5]。兩種保護(hù)模式下的轉(zhuǎn)換時(shí)間均不超過(guò)50 ms，這是為了適應(yīng)配電網(wǎng)自動(dòng)化的建設(shè)原則。在EPON技術(shù)的配電網(wǎng)中，OLT設(shè)備主要采用雙電源接入，同時(shí)主控板采用的是備用機(jī)制以支持主控板的1+1保護(hù)倒換。當(dāng)OLT設(shè)備斷電時(shí)，EPON技術(shù)還支持系統(tǒng)配置恢復(fù)。EPON技術(shù)下典型的配電網(wǎng)接入結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖1(a)為雙T型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，圖1(b)為手拉手保護(hù)接入結(jié)構(gòu)。

圖1 EPON技術(shù)下的配電網(wǎng)接入結(jié)構(gòu)

圖1為一種EPON技術(shù)下典型的EPON配電網(wǎng)接入結(jié)構(gòu)。從圖1可以看出，在配電所A和配電所B之間的ONU是以手拉手兩點(diǎn)的方式接入的，其中OLTA以及OLTB分別安裝于不同的變電所，ONU的安裝位置為中間開(kāi)關(guān)站。在這種配電網(wǎng)接入結(jié)構(gòu)中，當(dāng)光纖中斷或者其中一端OLT設(shè)備失效時(shí)，都能實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的保護(hù)模式，并且主要是由ONU選擇不同的OLT。

圖2為本次研究所涉及的以EPON技術(shù)為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信方案。從圖2可以看出，ONU均接在一個(gè)OLT變電所上，中間開(kāi)關(guān)站的鏈路兩端分別有不同的光路。這種接入結(jié)構(gòu)在配電網(wǎng)失效時(shí)的保護(hù)效果不如兩點(diǎn)接入的保護(hù)效果顯著。

圖2 EPON技術(shù)下的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信方案

2 基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信方案的有效性分析

配電網(wǎng)通信方案是否可靠，可以通過(guò)分析配電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性測(cè)度進(jìn)行判斷，一般來(lái)說(shuō)，配電網(wǎng)可靠性測(cè)度的主要指標(biāo)包括可靠性、抗毀性和有效性等。本文在分析以EPON技術(shù)為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)化通信方案的可靠性測(cè)度時(shí)，以有效性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。有效性包含兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)參數(shù)為配電網(wǎng)的平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR，另一個(gè)參數(shù)是平均故障間隔時(shí)間MTBF[6]。采用EPON技術(shù)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化通信，過(guò)程如圖3所示。

圖3 EPON技術(shù)支持的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信結(jié)構(gòu)

圖3為EPON技術(shù)支持的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出，該配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中包含光纜終端設(shè)備OLT，光節(jié)點(diǎn)ONU以及非均勻分光器POS，并且聯(lián)系光纖用LL表示，主干光纖用LM表示，支路光纖用LA表示。從配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)布置來(lái)看，配電子站中放置終端OLT設(shè)備，并且通過(guò)OLT的一個(gè)PON口連接多個(gè)POS，每一個(gè)分段開(kāi)關(guān)處可以放置分光器，而每個(gè)ONU可以放置在FTU箱體內(nèi)，或者其他箱體。一般來(lái)說(shuō)這種配電網(wǎng)OLT的光纖通信半徑在20 km左右，能夠滿足電源3～5 km的供電范圍[7]。

EPON通常分為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括線型結(jié)構(gòu)和樹(shù)型結(jié)構(gòu)。EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用線型結(jié)構(gòu)時(shí)，其組網(wǎng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，但可能存在因支路光纖出現(xiàn)故障而使得ONU不能使用的情況。當(dāng)EPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)時(shí)，各個(gè)光纖節(jié)點(diǎn)之間相當(dāng)于并聯(lián)，單一的ONU或者LA發(fā)生故障時(shí)對(duì)其他光節(jié)點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生太大影響；為了增強(qiáng)EPON線型結(jié)構(gòu)的有效性而使其能夠和配電網(wǎng)匹配，EPON組網(wǎng)一般采用上述所示的手拉手接入結(jié)構(gòu)，這種情況下配電子站到分段單元i(i=1,2,…,n)兩端的有效性如式(1)所示。

Aend-to-end=AtAlmApAlaAoAp[(ApAll)i-1+(ApAll)n-i-AtAlmAlaAp(ApAll)n-1]

(1)

式中:At、Alm、Ap、Ao、All以及Ala分別對(duì)應(yīng)光纜終端設(shè)備、主干光纖、分光器、光節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)光纖以及支路光纖的有效性。在配電網(wǎng)實(shí)施光纖通信時(shí)，根據(jù)配電網(wǎng)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)，光纖信號(hào)通路一般可能為樹(shù)型結(jié)構(gòu)或線型結(jié)構(gòu)，配電站終端與配電子站之間的光纖資源通常是點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，元件的有效性如式(2)所示。

(2)

式中：MTBF為平均故障間隔，表示故障率的倒數(shù)；MTTR為平均維修時(shí)間。假設(shè)光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，并且將光纖分成小段，當(dāng)光纖分段的長(zhǎng)度ΔL非常小時(shí)，可以認(rèn)為出現(xiàn)故障的概率能夠均勻分布在整個(gè)光纖上，則整段光纖的故障率如式(3)所示。

λ(L)=Lλo

(3)

式中：λ0為光纖每公里的故障率；L為光纖長(zhǎng)度。對(duì)于EPON技術(shù)下的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)而言，ONU具有兩種較為典型的分布，分別為集中型分布與分散型分布。對(duì)于集中型分布而言，配電網(wǎng)各個(gè)ONU之間的距離相對(duì)較短，遠(yuǎn)小于OLT與ONU之間的距離。而對(duì)于分散型分布的配電網(wǎng)系統(tǒng)而言，各個(gè)ONU之間的距離是較大的，遠(yuǎn)大于ONU與OLT之間的距離，因此集中型分布和分散型分布最主要的區(qū)別就在于配電網(wǎng)的ONU之間的距離大小。在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行有效性分析時(shí)，主要測(cè)量的就是分散型分布和集中型分布情況下配電網(wǎng)元件的有效性。

3 結(jié)果分析

在對(duì)EPON技術(shù)下的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信方案進(jìn)行有效性分析后，得到相應(yīng)的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 EPON技術(shù)下配電網(wǎng)不同組網(wǎng)方式的可靠性

圖4為以EPON技術(shù)為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)不同組網(wǎng)方式的可靠性分析結(jié)果。圖4中：f為配電組網(wǎng)發(fā)生故障，分別包括f1、f2以及f3三種不同的故障情況?？梢钥闯觯潆娋W(wǎng)手拉手接入的配電網(wǎng)組網(wǎng)方式在三種故障情況下的可靠性均較高，在0.999 5以上，其他兩種組網(wǎng)方式的可靠性也在0.998 0左右。綜合來(lái)看，本次研究所涉及的配電網(wǎng)通信方案能夠有效地提高不同組網(wǎng)方式在不同故障情況下的可靠性。與此同時(shí)，以配電網(wǎng)的平均接入時(shí)延作為衡量其可靠程度的指標(biāo)，配電網(wǎng)接入包括單業(yè)務(wù)和多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量的接入，且?guī)挿謩e為1 Gbit/s和10 Gbit/s。

圖5為此次通信方案下的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)延時(shí)間結(jié)果分析。從圖5中可以看出，在不同業(yè)務(wù)流量接入以及不同流量負(fù)荷的情況下，配電網(wǎng)三種組網(wǎng)方式的平均接入時(shí)延是有所不同的?？傮w來(lái)看，配電網(wǎng)平均時(shí)延隨著電流流量負(fù)荷的增加而增大。就單業(yè)務(wù)流量而言，帶寬為1時(shí)，手拉手型的配電網(wǎng)組網(wǎng)方式平均接入時(shí)延比其他兩種組網(wǎng)方式大，且隨電流流量負(fù)荷增大得較快，當(dāng)流量負(fù)荷為1時(shí)，其平均接入時(shí)延增大至0.1 s，仍然較小，如圖5(a)所示。帶寬為10時(shí)，三種配電網(wǎng)組網(wǎng)方式的平均接入時(shí)延相對(duì)較小，流量負(fù)荷在0.1%～1.0%范圍變化時(shí)，其平均接入時(shí)延范圍為0.000 1～0.010 0 s。同樣的，對(duì)于多業(yè)務(wù)流量而言：帶寬為1時(shí)，三種組網(wǎng)方式的平均接入時(shí)延相對(duì)于單業(yè)務(wù)流量有所減?。粠挒?0時(shí)，三種組網(wǎng)方式的平均接入時(shí)延相對(duì)于帶寬為1有所減小，其變化范圍在0.000 1～0.010 0 s之間。

圖5 EPON技術(shù)下配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入的平均時(shí)延

可以看出，在以EPON技術(shù)為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)通信方案下，配電網(wǎng)帶寬越大，不同組網(wǎng)方式的平均接入時(shí)延有所減小，且多業(yè)務(wù)流量接入相對(duì)于單業(yè)務(wù)流量接入的平均時(shí)延時(shí)間較小，由此說(shuō)明，本文研究方案的不同組網(wǎng)方式的平均接入時(shí)延相對(duì)較小，該方案是可靠和有效的。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文的有效性，分析得到該方案下不同組網(wǎng)方式的字節(jié)丟失率，如圖6所示。圖6為以EPON技術(shù)為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)不同組網(wǎng)方式字節(jié)丟失率結(jié)果，其中：圖6(a)為單業(yè)務(wù)流量的三種組網(wǎng)方式字節(jié)丟失率；圖6(b)為多業(yè)務(wù)流量帶寬為1時(shí)的三種組網(wǎng)方式字節(jié)丟失率；圖6(c)為多業(yè)務(wù)流量帶寬為10時(shí)的三種組網(wǎng)方式字節(jié)丟失率。從圖6可以看出，單業(yè)務(wù)流量輸入時(shí)，以太網(wǎng)環(huán)的字節(jié)丟失率相對(duì)較大，當(dāng)電流流量負(fù)荷為1%時(shí)，字節(jié)丟失率僅為0.07%。多業(yè)務(wù)流量輸入且?guī)挒?時(shí)，手拉手的字節(jié)損失率相對(duì)較大，但也僅為0.25%；多業(yè)務(wù)流量輸入且?guī)挒?0時(shí)，配電網(wǎng)手拉手組網(wǎng)方式仍然相對(duì)較大，當(dāng)流量負(fù)荷為1%時(shí)，其字節(jié)損失率為0.19%。綜合來(lái)看，以EPON技術(shù)為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)通信方案，能夠有效控制不同組網(wǎng)方式的字節(jié)丟失率。

圖6 EPON技術(shù)下的配電網(wǎng)不同組網(wǎng)方式的字節(jié)丟失率

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化，有利于提高配電網(wǎng)電能輸送效率以及提升電能輸送的可靠性和安全性。本文提出基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信方案，并對(duì)方案進(jìn)行有效性分析，得到相應(yīng)的有效性分析結(jié)果。研究結(jié)果表明，在以EPON技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化通信方案下，配電網(wǎng)不同組網(wǎng)方式發(fā)生故障修復(fù)的可靠性在0.99左右，接近1。除此以外，該自動(dòng)化通信方案下的不同組網(wǎng)方式平均接入時(shí)延相對(duì)較小，且該方案能夠有效控制配電網(wǎng)不同組網(wǎng)方式的字節(jié)丟失率，說(shuō)明該方案是有效的，具有較高的可靠性。本次研究雖然驗(yàn)證了基于于EPON技術(shù)的配網(wǎng)自動(dòng)化通信方案的有效性，但其廣泛適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究。