基于EPON技術(shù)的配網(wǎng)自動化通信方案的構(gòu)建思路

張瓊

蘭州倚能電力設計咨詢有限公司，甘肅蘭州，730000

0 引言

電力系統(tǒng)包括發(fā)電、輸電和配電三大部分。電網(wǎng)利用礦物燃料、核燃料、天然氣、石油等生產(chǎn)電能，輸電線路向鄰近用戶的變電站輸送電能，配網(wǎng)將電能直接輸送給用戶。在電力系統(tǒng)中，近來最有潛力和令人興奮的是自動化技術(shù)越來越多地被應用于監(jiān)測、控制和評估[1]。

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)（distribution automation system ，DAS）是 IEEE定義的一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許電力公司在實時模式下從遠程控制中心監(jiān)測、協(xié)調(diào)和操作配網(wǎng)部件。傳統(tǒng)的電力分配系統(tǒng)是為了完成一項功能--向最終用戶分配電力[2]。未來的電力分配系統(tǒng)是一種可以完全控制且靈活的電力分配系統(tǒng)，它將有助于電力用戶和各系統(tǒng)部件的電力和信息交換，同時也可以從新的電力生產(chǎn)和控制技術(shù)中獲益[3]。將來的分配系統(tǒng)將采用先進的自動分配技術(shù)和新技術(shù)。

無源光網(wǎng)絡（PON），特別是以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡（Ethernet Passive Optical Networks，EPON）是一種很有前途的接入網(wǎng)解決方案，因為它提供了低協(xié)議開銷、更高的帶寬、更低的成本、更廣泛的服務能力，并易于將局域網(wǎng)（LAN）整合到未來基于以太網(wǎng)的光網(wǎng)絡中[4-5]。在本文中，我們提出了一種使用EPON的配網(wǎng)自動化的新型通信方法。

1 配網(wǎng)自動化通信方案概述

配網(wǎng)自動化包括計算機、自動化、通信技術(shù)等多個方面，它擔負著對終端設備和線路進行監(jiān)測、隔離、快速處理等方面的重要作用。在配網(wǎng)自動化方面，其典型的結(jié)構(gòu)有：主站、副站、自動化終端、通信網(wǎng)絡等。對于配網(wǎng)通信網(wǎng)來說，要建立與運行指示相連通、雙向傳送的信息，就必須確保其真實準確可靠。

隨著近些年國家電網(wǎng)公司對外宣布“智能電網(wǎng)”戰(zhàn)略，經(jīng)過幾年的發(fā)展，國內(nèi)智能電網(wǎng)建設在前期關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、試點規(guī)劃等方面取得了較好的發(fā)展。電力通信系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)建設的基石，其發(fā)展進程也在加速，特別是電力配電自動化接入網(wǎng)部分，已經(jīng)逐漸進入了光纖接入建設時代。

配電自動化接入點數(shù)量龐大，帶寬要求小、通信設備安裝空間有限，在配電自動化網(wǎng)絡采用的各類接入技術(shù)中，基于光纖介質(zhì)的PON接入技術(shù)具有同時支持傳統(tǒng)語音業(yè)務和寬帶業(yè)務、具備良好的業(yè)務擴展性、能平滑向NGN網(wǎng)絡演進、設備體積小、并能輕松加載各種業(yè)務、能夠以較低成本支持主要業(yè)務需求，PON技術(shù)在配電網(wǎng)中的應用優(yōu)勢逐漸凸顯。

2 配網(wǎng)自動化通信方案發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 配網(wǎng)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，通過對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的分析，可以看出，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)為調(diào)度端提供了收集電壓和電流等運行數(shù)據(jù)的功能。一般來說，DAS的運行和管理模式通常采用分層結(jié)構(gòu)，即主站層、子站層和終端層。

在主站層，主要完成了全網(wǎng)自動化應用的功能，其中包含了 SCADA、饋線自動、 GIS等。

在子站層，變電所負責采集終端層的資料，向主站層傳送數(shù)據(jù)，并向終端層傳送指令。

在終端層，配電系統(tǒng)的終端設備主要有饋線終端設備（FTU）、變壓器終端設備（TTU）、配電終端設備（DTU）等，以完成對一次設備的遙測、遙令和遙調(diào)數(shù)據(jù)采集、設備的控制、故障信息的獲取和處理等功能。

通信網(wǎng)絡對配電自動化的實施具有舉足輕重的影響。在通信網(wǎng)絡的影響下，配網(wǎng)自動化通信網(wǎng)絡的功能主要有兩個方面：①對配網(wǎng)自動化通信網(wǎng)絡的運行狀況進行監(jiān)測；②對故障進行收集、反饋，并將所獲得的信息發(fā)送給終端。因此，對通信系統(tǒng)的安全、實時性和高速性都有很高的要求。

2.2 配網(wǎng)自動化系統(tǒng)通信技術(shù)需求

（1）可靠性要求高：配網(wǎng)線路長，節(jié)點多，故障風險大，要求通信設備全天候運行。

（2）部署靈活：配電網(wǎng)自動化設備網(wǎng)絡拓撲分層復雜，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化頻繁，終端數(shù)量快速增加，要求通信設備部署靈活。

（3）要求環(huán)境適應能力強：配網(wǎng)通信設備易受雷擊影響和電磁干擾，長期工作環(huán)境惡劣，要求通信設備環(huán)境適應能力強。

（4）要求維護管理便捷：由于10kV站房面積較小，所有通信設備需與配網(wǎng)電氣中壓設備緊湊型布置，對人員能力要求高，要求維護管理便捷、故障率低。

（5）信息安全可靠：隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展以及電力自動化水平的提高，電力通信系統(tǒng)作為電網(wǎng)的中樞神經(jīng)，其作用性不言而喻。但電力通信系統(tǒng)因其所處電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)，所以在安全防護方面的手段幾乎為零，隨著配電終端通信網(wǎng)絡越來越靠近用戶，其很有可能成為惡意入侵電力通信網(wǎng)的入口。一旦電力通信系統(tǒng)遭到惡意的攻擊或控制，將會造成十分嚴重的后果。所以配電通信網(wǎng)應采取合理的網(wǎng)絡架構(gòu)規(guī)劃，先進的信息安全手段進行信息安全加固。

3 基于EPON技術(shù)的配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)

3.1 EPON技術(shù)

EPON是一種與以太網(wǎng)相結(jié)合的PON。EPON由一個光線路終端（OLT）、多個光網(wǎng)絡單元（ONU）和一個帶有無源光學元件的光分配網(wǎng)（ODN）組成。EPON的所有傳輸都在一個OLT和與OLT相連的所有ONU之間進行。在下行端，EPON是一種以OLT方式將消息廣播給各個ONU。在上行方向， EPON是一個多點到多點的網(wǎng)絡，利用時間多路復用（TDM）技術(shù)將全部有效的上行通道帶寬分成傳送單位（一般稱作“槽點”），可以被指派到激活ONU。盡管EPON的拓撲結(jié)構(gòu)是樹形的，但是如果有必要的話，也可以采用環(huán)形、總線、混合三種拓撲結(jié)構(gòu)。

3.2 使用EPON的配網(wǎng)通信系統(tǒng)

EPON網(wǎng)絡的實質(zhì)是接入網(wǎng)，在接入點較少的情況下，可以將少數(shù)幾個OLT設備組環(huán)代替?zhèn)鬏斁W(wǎng)。但是在接入點較多的情況下，用OLT設備組網(wǎng)后在所有終端同時向上發(fā)送信息時，OLT形成的環(huán)網(wǎng)會產(chǎn)生網(wǎng)絡風暴，情況嚴重時會造成整個配電通信網(wǎng)絡癱瘓。所以對于接入點多的配電通信網(wǎng)絡，應該將EPON配電通信網(wǎng)與MSTP骨干通信網(wǎng)絡組合搭建，按照變電站地理位置劃分，沿已建成的10kV電纜溝道敷設光纜，將有條件的10kV站房配電網(wǎng)自動化信息以“手拉手”方式就近接入110kV變電站，不具備條件的10kV站房配電網(wǎng)自動化信息以鏈路方式就近接入110kV變電站，110kV變電站內(nèi)的配網(wǎng)子站設備利用GE/FE以太網(wǎng)口接入已運行的四級網(wǎng)SDH光傳輸設備的以太網(wǎng)口，實現(xiàn)MSTP+PON方式建設配電通信網(wǎng)絡。

如圖1所示為EPON在配網(wǎng)自動化通信網(wǎng)絡的典型應用，配網(wǎng)站A與配網(wǎng)站B之間的ONU通過兩個手拉手的方式進行連接，OLTA和OLTB分別被設置在不同的變電站，ONU被設置在中間的交換站。在此布網(wǎng)接入系統(tǒng)中，在光纖中斷或OLT失效的情況下，可以實現(xiàn)布網(wǎng)的保護方式，但OLT的選擇主要是ONU。

圖1 基于EPON 的配網(wǎng)通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖

4 基于EPON技術(shù)的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)可靠性分析

4.1 EPON技術(shù)提升配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)可靠性的具體原理

（1）ONU與ONU之間采用手拉手模式，通過冷備份方式形成兩個光方向的主備倒換，提高配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)可靠性。

（2）OLT上行鏈路冗余，提高OLT上行通道的可靠性。

4.2 基于EPON技術(shù)的配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)的可靠性分析

EPON系統(tǒng)是光纖通信的主要物理介質(zhì)，集中分布子網(wǎng)的光纜平均長度分布如下（不同廠家產(chǎn)品略有不同）：OFM為20公里，OFB為0.5公里，OFC為0.2公里。通信子網(wǎng)分布所用光纜的平均長度參考集中分布子網(wǎng)和工程使用產(chǎn)品。在EPON裝置中，每一個 PON口的光纖長度是20千米，只有32個ONU（PON標準取決于光強和各個廠商的PON芯片）。參考配網(wǎng)工程通信的現(xiàn)狀，將各配網(wǎng)端站通信系統(tǒng)中的ONU單元10和20分別采用參考ONU節(jié)點5、10和10作為參考節(jié)點，進行可用性對比分析。四種組網(wǎng)模式中，OLT向ONU端的網(wǎng)絡可用性比較復雜，柱狀圖的直觀對比如圖2所示。圖中：組網(wǎng)1～4對應單電源冗余保護樹狀網(wǎng)絡、全鏈路保護手拉手網(wǎng)絡、雙電源全鏈路保護和圓形雙T網(wǎng)絡保護網(wǎng)絡。

圖2 配網(wǎng)通信網(wǎng)接入層保護網(wǎng)絡可用性比較示意圖

由圖2可見，采用EPON接入方式的配電通信網(wǎng)的容災自愈可靠性在99.9%以上。

5 結(jié)語

配電網(wǎng)的運營和商業(yè)需求需要一個高性能的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，以支持現(xiàn)有功能和未來的運營需求。在EPON的基礎(chǔ)上，本文提出了一種用于配網(wǎng)自動化的新型通信系統(tǒng)，還描述了一種具有集中控制模式的三層通信架構(gòu)。所提出的通信方法為DAS提供了一種通信選擇。