EPON技術(shù)在配電自動(dòng)化及智能化中的應(yīng)用研究

摘要：配電通信網(wǎng)絡(luò)是保證配電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)，是配電自動(dòng)化及智能化運(yùn)行的核心部分。為了提高配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性及可靠性，本文針對(duì)EPON技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。首先，對(duì)配電自動(dòng)化智能系統(tǒng)和EPON系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)分析，提出了基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)建設(shè)需求分析及組網(wǎng)構(gòu)架原則，設(shè)計(jì)了一種基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)通信技術(shù)方案。針對(duì)該方案進(jìn)行了性能分析，并以工程實(shí)例進(jìn)行了性能驗(yàn)證，結(jié)果表明，EPON技術(shù)的運(yùn)用有效提高了配電自動(dòng)化及智能化運(yùn)行的安全性及可靠性。

引言

　　隨著配電網(wǎng)信息通信智能化與現(xiàn)代化的快速發(fā)展，配電網(wǎng)的安全及穩(wěn)定運(yùn)行不得不面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；诎踩煽康耐ㄐ畔到y(tǒng)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，以保證控制中心與終端采集數(shù)據(jù)的同步性與可靠性?；谝蕴W(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)作為一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入技術(shù)，具備可靠性強(qiáng)、安全性高、經(jīng)濟(jì)性及擴(kuò)容能力好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地用于保證配電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全傳輸過程。

　　全面實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化及智能化需要構(gòu)建安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代初，PON技術(shù)^[1]用于電力通信網(wǎng)構(gòu)架建設(shè)中，該技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)天然匹配，但是，PON技術(shù)的成熟度欠缺，無法更好的滿足帶寬與安全性能的需求。2005年，基于以太網(wǎng)的EPON技術(shù)^[2]走向成熟，具備良好的組網(wǎng)可靠性與帶寬分配能力，在國(guó)際上被廣泛使用。GPON[3]雖然具備更好的帶寬，但是經(jīng)濟(jì)要求較高，性價(jià)比不高，還未達(dá)到廣泛使用的要求。

　　本文結(jié)合實(shí)際配電網(wǎng)智能化及自動(dòng)化建設(shè)項(xiàng)目，著重進(jìn)行EPON在配電網(wǎng)建設(shè)中的需求分析，討論EPON的技術(shù)特點(diǎn)，給出基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)組網(wǎng)方案。

1 配電智能化結(jié)構(gòu)分析

　　智能配電網(wǎng)要求實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控、操作及應(yīng)急處理功能，對(duì)配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的安全性、可靠性及高效性提出了更高的要求。

1.1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)

　　配電自動(dòng)化系統(tǒng)^[4]主要組成部分為：配電主站、配電子站、配電終端及通信信道。配電主站作為系統(tǒng)的功能核心，主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及人機(jī)交互等控制功能;配電子站主要完成配電SCADA、故障處理及信息收集功能;配電終端包含饋線終端(FTU)、配變終端(TTU)及遠(yuǎn)方終端(RTU)，主要進(jìn)行開關(guān)及配電變壓器設(shè)備的信息采集、處理與監(jiān)控功能;通信信道是連接配電自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)部分的紐帶，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。

1.2 智能配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

　　智能配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸主要包含以下內(nèi)容：

　　(1)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。主要包含配變、故障信息、配電終端狀態(tài)、儲(chǔ)能信息及通信信道狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)的采集及上傳;

　　(2)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控信息。主要包含配電網(wǎng)設(shè)備及周圍環(huán)境的運(yùn)行監(jiān)控信息等;

　　(3)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備控制信號(hào)。主要包含配電網(wǎng)開關(guān)的控制信息，用于實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)保護(hù)與遠(yuǎn)方重合閘的運(yùn)行控制;

　　(4)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的查詢信息。如儲(chǔ)能情況、分布式電源及電網(wǎng)狀態(tài)信息的查詢。

2 EPON通信技術(shù)

　　IEEE802.3EFM研究組提出一種新興的寬帶接入技術(shù)，即基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)^[5](EPON)。該技術(shù)在鏈路層采用以太網(wǎng)技術(shù)，在物理層使用PON技術(shù)，通過PON技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成以太網(wǎng)的接入，具備帶寬較高、組網(wǎng)容易、便于用戶接入、可靠性及實(shí)時(shí)性高、安全性能優(yōu)良且不易受環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 EPON技術(shù)基本原理

　　EPON技術(shù)是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入技術(shù)，主要由光線路終端(局端，OLT)、光網(wǎng)絡(luò)(用戶端，ONU)及光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)組成(如圖1所示)。

　　EPON系統(tǒng)通過OLT將數(shù)據(jù)以廣播下發(fā)的方式分別分給下掛的ONU，以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式。ONU采用時(shí)分復(fù)用的方式將數(shù)據(jù)傳輸至OLT，在此傳輸模式下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的全雙工雙向傳輸。

2.2 EPON技術(shù)的主要性能

　　對(duì)比常見的通信技術(shù)，即無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)、配電載波^[6]等，EPON技術(shù)具備以下優(yōu)勢(shì)：

　　(1)傳輸速度。EPON系統(tǒng)的帶寬較高，通?？梢赃_(dá)到1.25Gbps，甚至可以升級(jí)高至10Gbps，足以覆蓋信息傳輸業(yè)務(wù)的需求;

　　(2)安全性能。EPON系統(tǒng)上升使用TDMA技術(shù)，用戶端ONU可以實(shí)現(xiàn)時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)的功能，避免數(shù)據(jù)干擾的發(fā)生。基于三重?cái)_動(dòng)及AES128加密技術(shù)，EPON系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)采用動(dòng)態(tài)更新密鑰以阻止惡意攻擊的發(fā)生;

　　(3)可靠性能。作為無源系統(tǒng)，EPON從源頭上阻止電磁及雷電的干擾。ONU設(shè)備采用并聯(lián)接入的方式，如發(fā)生部分中斷或損壞，不會(huì)影響其他ONU設(shè)備進(jìn)行正常運(yùn)行。該系統(tǒng)同時(shí)采用1+1保護(hù)機(jī)制，極大提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性;

　　(4)擴(kuò)容能力。EPON系統(tǒng)基于點(diǎn)到多點(diǎn)的構(gòu)建方式，增加終端用戶時(shí)，只需更改光分路器，無需中斷數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù);

　　(5)經(jīng)濟(jì)性能較好。EPON系統(tǒng)無需電子部件，維護(hù)費(fèi)用較低，有利于節(jié)省長(zhǎng)期運(yùn)行及維護(hù)、管理成本。

3 基于EPON的配電智能化網(wǎng)絡(luò)分析

　　配電智能系統(tǒng)的EPON系統(tǒng)主要承載配電網(wǎng)安全運(yùn)行、電費(fèi)計(jì)量及配電自動(dòng)化等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸^[7]，因此，安全性是重要的影響因素。

3.1 配電智能系統(tǒng)對(duì)通信系統(tǒng)的需求

　　目前，配電網(wǎng)基本實(shí)現(xiàn)全光纖覆蓋，骨干傳輸層采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)腟DH光纖傳輸模式。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩瑢?duì)配電網(wǎng)通信系統(tǒng)應(yīng)具備如下要求：

　　(1)安全性。配電系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均為電力系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的安全性直接影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，通信系統(tǒng)必須具備有效阻止外界攻擊的能力。EPON技術(shù)采用無源的特點(diǎn)，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?

　　(2)可靠性。配電網(wǎng)運(yùn)行過程中不免遭受外界及惡劣天氣的影響，一旦發(fā)生供電中斷，應(yīng)該不能影響大面積供電情況。EPON系統(tǒng)中的ONU采用并聯(lián)接入的方式，不會(huì)影響其他ONU的運(yùn)行，且EPON系統(tǒng)基于無源系統(tǒng)，不會(huì)受到雷電的干擾;

　　(3)業(yè)務(wù)能力。配電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)量大，針對(duì)帶寬要求較高，EPON系統(tǒng)可以有效適應(yīng)帶寬及時(shí)延的特點(diǎn)，同時(shí)支持各種主流接口，可以達(dá)到與配電設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接;

　　(4)可拓展性。配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模需要根據(jù)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)及供電狀況的變化進(jìn)行改變，EPON系統(tǒng)具備易拓展的特點(diǎn)，可以有效應(yīng)用于配電智能系統(tǒng)中。

3.2 EPON技術(shù)在配電智能系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　配電網(wǎng)的構(gòu)建以樹形組網(wǎng)方式(如圖2所示)為主，與EPON系統(tǒng)的組網(wǎng)模式天然匹配，結(jié)合EPON技術(shù)的特點(diǎn)與配電網(wǎng)的需求，EPON技術(shù)可以有效地用于配電自動(dòng)化及智能化系統(tǒng)中。

　　EPON網(wǎng)絡(luò)的接入根據(jù)配電網(wǎng)饋線結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，通常具備兩種結(jié)構(gòu)，即單光源輻射狀連接與手拉手環(huán)網(wǎng)連接方式。

　　(1)單光源輻射狀連接方式

　　輻射狀通信方式具備分段與分叉多、TTU分散的難點(diǎn)(如圖3所示)。該方式下，開閉所/環(huán)網(wǎng)柜/分支箱出現(xiàn)多回路分段分叉情況，終端信息隨TTU分散。

　　(2)手拉手環(huán)網(wǎng)連接方式

　　手拉手環(huán)網(wǎng)通過主干線末端間進(jìn)行直接連接，實(shí)現(xiàn)開環(huán)運(yùn)行和閉網(wǎng)接線的特點(diǎn)(如圖4所示)。在該方式下，RTU根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜/開閉所進(jìn)行分別，接入至兩個(gè)配電子站中，針對(duì)主設(shè)備形成通信保護(hù)。

4 配電智能化方案實(shí)現(xiàn)

　　本文針對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化工程某一實(shí)例進(jìn)行EPON接入構(gòu)架設(shè)計(jì)及實(shí)例分析。

4.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

　　本系統(tǒng)采用分區(qū)自治的方式(如圖5所示)，將配電網(wǎng)分為多個(gè)區(qū)域，進(jìn)行獨(dú)立IP段分配，通過以太網(wǎng)交換機(jī)及路由器實(shí)現(xiàn)OLT的互聯(lián)。

　　基于該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)被劃分成接入層、匯聚層及交換層，結(jié)構(gòu)清晰。多套OLT設(shè)備用于單一的IP段，并通過GE口實(shí)現(xiàn)2層互聯(lián)，快速實(shí)現(xiàn)樹狀鏈路。如果整個(gè)構(gòu)架系統(tǒng)中的一部分設(shè)備發(fā)生變化，由于保持相對(duì)獨(dú)立的架構(gòu)，因此，不會(huì)產(chǎn)生大面積互聯(lián)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

4.2 實(shí)例分析

　　某配電工程的鏈路測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如表1所示，該段工程光纜長(zhǎng)4533米。

　　可見，該組網(wǎng)方式運(yùn)行便利，可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)自治的方案，不會(huì)受到其他區(qū)域的影響，且組網(wǎng)方法簡(jiǎn)單，更加安全可靠。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)可知，該方案具備采用核心交換機(jī)及路由器處理數(shù)據(jù)的能力，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速率，同時(shí)保證了配電通信系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

5 結(jié)束語

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)中信息傳輸?shù)陌踩珕栴}也面臨巨大的挑戰(zhàn)，為了提高數(shù)據(jù)傳輸安全問題，進(jìn)一步保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，本文將EPON技術(shù)運(yùn)用到配電自動(dòng)化及智能化建設(shè)中。本文分析了配電網(wǎng)與EPON的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)討論了EPON技術(shù)可用于配電自動(dòng)化的需求分析，通過設(shè)計(jì)了一個(gè)基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)通信技術(shù)方案，驗(yàn)證了該技術(shù)的運(yùn)用可以有效提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性及安全性。

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本文來源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第51頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。