基于EPON技术的配网自动化通信方案的构建思路

2022-09-08张琼

电子元器件与信息技术 2022年6期

张琼

兰州倚能电力设计咨询有限公司，甘肃兰州，730000

0 引言

电力系统包括发电、输电和配电三大部分。电网利用矿物燃料、核燃料、天然气、石油等生产电能，输电线路向邻近用户的变电站输送电能，配网将电能直接输送给用户。在电力系统中，近来最有潜力和令人兴奋的是自动化技术越来越多地被应用于监测、控制和评估[1]。

配网自动化系统（distribution automation system ，DAS）是 IEEE定义的一种系统，该系统允许电力公司在实时模式下从远程控制中心监测、协调和操作配网部件。传统的电力分配系统是为了完成一项功能--向最终用户分配电力[2]。未来的电力分配系统是一种可以完全控制且灵活的电力分配系统，它将有助于电力用户和各系统部件的电力和信息交换，同时也可以从新的电力生产和控制技术中获益[3]。将来的分配系统将采用先进的自动分配技术和新技术。

无源光网络（PON），特别是以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Networks，EPON）是一种很有前途的接入网解决方案，因为它提供了低协议开销、更高的带宽、更低的成本、更广泛的服务能力，并易于将局域网（LAN）整合到未来基于以太网的光网络中[4-5]。在本文中，我们提出了一种使用EPON的配网自动化的新型通信方法。

1 配网自动化通信方案概述

配网自动化包括计算机、自动化、通信技术等多个方面，它担负着对终端设备和线路进行监测、隔离、快速处理等方面的重要作用。在配网自动化方面，其典型的结构有：主站、副站、自动化终端、通信网络等。对于配网通信网来说，要建立与运行指示相连通、双向传送的信息，就必须确保其真实准确可靠。

随着近些年国家电网公司对外宣布“智能电网”战略，经过几年的发展，国内智能电网建设在前期关键技术攻关、试点规划等方面取得了较好的发展。电力通信系统作为智能电网建设的基石，其发展进程也在加速，特别是电力配电自动化接入网部分，已经逐渐进入了光纤接入建设时代。

配电自动化接入点数量庞大，带宽要求小、通信设备安装空间有限，在配电自动化网络采用的各类接入技术中，基于光纤介质的PON接入技术具有同时支持传统语音业务和宽带业务、具备良好的业务扩展性、能平滑向NGN网络演进、设备体积小、并能轻松加载各种业务、能够以较低成本支持主要业务需求，PON技术在配电网中的应用优势逐渐凸显。

2 配网自动化通信方案发展现状

2.1 配网自动化系统结构

目前，通过对配网自动化系统的分析，可以看出，配网自动化系统为调度端提供了收集电压和电流等运行数据的功能。一般来说，DAS的运行和管理模式通常采用分层结构，即主站层、子站层和终端层。

在主站层，主要完成了全网自动化应用的功能，其中包含了 SCADA、馈线自动、 GIS等。

在子站层，变电所负责采集终端层的资料，向主站层传送数据，并向终端层传送指令。

在终端层，配电系统的终端设备主要有馈线终端设备（FTU）、变压器终端设备（TTU）、配电终端设备（DTU）等，以完成对一次设备的遥测、遥令和遥调数据采集、设备的控制、故障信息的获取和处理等功能。

通信网络对配电自动化的实施具有举足轻重的影响。在通信网络的影响下，配网自动化通信网络的功能主要有两个方面：①对配网自动化通信网络的运行状况进行监测；②对故障进行收集、反馈，并将所获得的信息发送给终端。因此，对通信系统的安全、实时性和高速性都有很高的要求。

2.2 配网自动化系统通信技术需求

（1）可靠性要求高：配网线路长，节点多，故障风险大，要求通信设备全天候运行。

（2）部署灵活：配电网自动化设备网络拓扑分层复杂，网架结构变化频繁，终端数量快速增加，要求通信设备部署灵活。

（3）要求环境适应能力强：配网通信设备易受雷击影响和电磁干扰，长期工作环境恶劣，要求通信设备环境适应能力强。

（4）要求维护管理便捷：由于10kV站房面积较小，所有通信设备需与配网电气中压设备紧凑型布置，对人员能力要求高，要求维护管理便捷、故障率低。

（5）信息安全可靠：随着智能电网的发展以及电力自动化水平的提高，电力通信系统作为电网的中枢神经，其作用性不言而喻。但电力通信系统因其所处电力系统内网，所以在安全防护方面的手段几乎为零，随着配电终端通信网络越来越靠近用户，其很有可能成为恶意入侵电力通信网的入口。一旦电力通信系统遭到恶意的攻击或控制，将会造成十分严重的后果。所以配电通信网应采取合理的网络架构规划，先进的信息安全手段进行信息安全加固。

3 基于EPON技术的配网自动化通信系统

3.1 EPON技术

EPON是一种与以太网相结合的PON。EPON由一个光线路终端（OLT）、多个光网络单元（ONU）和一个带有无源光学元件的光分配网（ODN）组成。EPON的所有传输都在一个OLT和与OLT相连的所有ONU之间进行。在下行端，EPON是一种以OLT方式将消息广播给各个ONU。在上行方向， EPON是一个多点到多点的网络，利用时间多路复用（TDM）技术将全部有效的上行通道带宽分成传送单位（一般称作“槽点”），可以被指派到激活ONU。尽管EPON的拓扑结构是树形的，但是如果有必要的话，也可以采用环形、总线、混合三种拓扑结构。

3.2 使用EPON的配网通信系统

EPON网络的实质是接入网，在接入点较少的情况下，可以将少数几个OLT设备组环代替传输网。但是在接入点较多的情况下，用OLT设备组网后在所有终端同时向上发送信息时，OLT形成的环网会产生网络风暴，情况严重时会造成整个配电通信网络瘫痪。所以对于接入点多的配电通信网络，应该将EPON配电通信网与MSTP骨干通信网络组合搭建，按照变电站地理位置划分，沿已建成的10kV电缆沟道敷设光缆，将有条件的10kV站房配电网自动化信息以“手拉手”方式就近接入110kV变电站，不具备条件的10kV站房配电网自动化信息以链路方式就近接入110kV变电站，110kV变电站内的配网子站设备利用GE/FE以太网口接入已运行的四级网SDH光传输设备的以太网口，实现MSTP+PON方式建设配电通信网络。

如图1所示为EPON在配网自动化通信网络的典型应用，配网站A与配网站B之间的ONU通过两个手拉手的方式进行连接，OLTA和OLTB分别被设置在不同的变电站，ONU被设置在中间的交换站。在此布网接入系统中，在光纤中断或OLT失效的情况下，可以实现布网的保护方式，但OLT的选择主要是ONU。

图1 基于EPON 的配网通信网络结构示意图

4 基于EPON技术的配网自动化系统可靠性分析

4.1 EPON技术提升配网自动化通信系统可靠性的具体原理

（1）ONU与ONU之间采用手拉手模式，通过冷备份方式形成两个光方向的主备倒换，提高配网自动化通信系统可靠性。

（2）OLT上行链路冗余，提高OLT上行通道的可靠性。

4.2 基于EPON技术的配网自动化通信系统的可靠性分析

EPON系统是光纤通信的主要物理介质，集中分布子网的光缆平均长度分布如下（不同厂家产品略有不同）：OFM为20公里，OFB为0.5公里，OFC为0.2公里。通信子网分布所用光缆的平均长度参考集中分布子网和工程使用产品。在EPON装置中，每一个 PON口的光纤长度是20千米，只有32个ONU（PON标准取决于光强和各个厂商的PON芯片）。参考配网工程通信的现状，将各配网端站通信系统中的ONU单元10和20分别采用参考ONU节点5、10和10作为参考节点，进行可用性对比分析。四种组网模式中，OLT向ONU端的网络可用性比较复杂，柱状图的直观对比如图2所示。图中：组网1～4对应单电源冗余保护树状网络、全链路保护手拉手网络、双电源全链路保护和圆形双T网络保护网络。