何松生，张宇

（北京智芯微电子科技有限公司，北京100192）

符合电力应用特点的EPON关键技术研究

何松生，张宇

（北京智芯微电子科技有限公司，北京100192）

介绍了以太网无源光网络（EPO N）在电力领域的应用现状，结合配用电业务的新需求，提出了电力EPO N未来的发展方向。详细分析了电力EPO N在成本、功耗、时延抖动以及时钟同步精度等关键技术方向的研究，论证了方法的可行性。

智能电网；EPO N；差动保护；光纤抄表；时延抖动；BO B；IRIG-B码

0 引言

近年来，EPON技术在智能电网用电信息采集和配网自动化领域的应用逐年增加并得到了大家的一致认可[1]。目前研究电力EPON通信技术的主体是传统大型通信设备制造商，这些厂商业务集成能力强，研发团队成熟，且很多厂商直接参与了EPON国际标准、行业标准和企业标准的制定，但他们对智能电网通信系统的运行环境、业务需求理解并不深。EPON在电力领域的应用，其运行环境、接入业务的广泛性仍需要进一步研究和实验。目前电力EPON大都按照电信运营商的应用需求（追求高带宽）和应用环境来设计，对于电网应用场景以及未来电力业务发展趋势并未充分适应。具体表现在：①在用电领域，现有EPON方案成本高、功耗高，这两大问题可能会限制EPON在该领域大规模推广。②在配电领域，随着分布式网络差动保护以及IEC 61850对象模型的引入，对配电通信网提出了更高的技术要求，现有电力EPON技术较难满足不断增长的业务需求。本文针对EPON在电力领域应用存在的问题，给出详细的解决方案。

1 EPON技术在电力通信网中的应用

EPON技术代表着接入网未来发展的方向，在通信运营商FTTC/FTTB/FTTH中取得了广泛的应用。在电力领域，EPON主要应用于用电信息采集和配网自动化等电力业务的承载。

1.1 用电信息采集业务承载

在用电领域，与主流无线、载波通信技术相比，EPON技术的可靠性、抄表成功率优势明显[2]；同时，OPLC复合电缆的推广解决了电力最后一公里的光纤资源问题。可以预见，未来随着电力抄表业务向更精细化管理方向的发展，EPON技术将成为该领域最重要的通信方式。2013年，国网用电信息采集标准修订中已新增EPON远程信道的通信方式，主要应用于集中器I型、集中器II型和专变采集终端III型[3]。EPON在用电信息采集系统中主要应用场景如图1所示。

图1 基于EPON技术的用电信息采集应用场景

1.2 配网自动化业务承载

在配电领域，配网自动化目前还处于规模试点阶段，EPON是最主要的通信方式。EPON技术与10kV配电线路的网络拓扑吻合度极高，支持树型、星型各种拓扑结构，支持电力手拉手保护方案。在配网应用中应用，EPON技术的稳定性和实时性远远高于无线通信，同时也避免了工业以太网多点故障问题[4]。2014年国网信通部组织编写的《配网通信总体设计》明确指出，EPON是配网自动化首选的通信技术。因此，EPON在未来配网自动化领域的市场份额将占据绝对主导地位，其在配网自动化应用场景如图2所示。

图2 基于EPON技术的配网自动化应用场景

2 电力EPON技术的发展方向

与电信运营商EPON技术追求高带宽的发展趋势不同，电力EPON技术发展方向更多考虑的是电力业务的需求，主要体现在以下几个方面：

①降低ONU模块的成本。用电信息采集通信解决方案中，本地信道微功率无线和电力线载波模块成本只有30～40元，远程信道GPRS的模块成本也只有50～60元（使用时有月租费），而目前ONU模块的成本高达300元，远远高于其它通信方式。所以，EPON虽然具备技术优势，但性价比并不高，降低ONU模块的成本刻不容缓。

②降低ONU模块的功耗。由于用电设备数量庞大，功耗的降低具有极大的经济效益。目前ONU模块的功耗约为1.5W，远高于GPRS模块的功耗，这对集中器基表提出了极高的要求，降低ONU模块的功耗才能使集中器整机功耗存有一定的结余。

③降低EPON系统的时延与抖动。未来配网的建设方向是在原有馈线自动化的基础上，通过软件功能的增加，实现网络差动保护，从而实现配网故障保护的全线速动[5]。基于网络的差动保护，引入IEC 61850模型，实现面向通用对象的变电站事件（GOOSE）、采样测量值（SMV）和自动化数据的“三网合一”，由此对通信系统P2P业务要求尽可能做到低时延、低抖动。传统EPON上行时隙轮询周期较大，DBA带宽分配采用排队的方法，时延和抖动指标无法保证。降低EPON系统的时延与抖动，可以满足不断增长的业务需求。

④实现电力IRIG-B码的网络传输。基于IEEE 802.1AS协议的EPON时钟同步技术在电信运营商中有着广泛应用；电力设备的时钟同步接口通常是IRIG-B码，目前IRIG-B码只能采用点对点的传输方式。配电网对时钟同步的要求也越来越高，实现电力IRIG-B码的网络传输更能体现电力特色。

3 电力EPON关键技术的研究

电力EPON关键技术的研究最终目标是“符合电力应用特点”，为此本文在充分借鉴EPON和其它领域先进开发经验的基础上，融入了“电力”因素。在EPON领域，引入了BoB（Bosa on Board）模式和IEEE 802.1AS时钟同步协议；在电力领域，选择IRIG-B码电力通用的时钟同步接口协议规范；在业务支撑上，根据电力业务需求对通信协议进行优化。

3.1 低成本方向的研究

目前EPON产品已经非常成熟，ONU设备成本已经做到极致，利用现有技术成本下降的空间不大。光模块在ONU设备成本中占有很大比例，光模块核心部件BOSA的产能成为光模块成本下降的瓶颈。最近两年，ONU设备的BoB模式受到了业界的认可，并在GPON领域取得了成功。采用BoB模式，寻求器件和系统的结合是降低EPON光模块成本的唯一出路。

独立光模块模式的ONU设备框图如图3所示，ONU设备由光模块、ONU芯片、Flash、以太网PHY、电源模块以及PCB板组成；光模块有独立的金属外壳封装，内部由BOSA、激光器驱动、限幅放大器、DDM功能模块以及PCB板组成。基于BoB模式的ONU设备框图如图4所示，BOSA直接安装在ONU的PCB上；同时ONU芯片采用高集成度设计，集成激光器驱动、限幅放大器、Flash和以太网PHY模块，光模块DDM功能也可以由ONU芯片内置CPU来实现。

图3 独立光模块模式ONU设备框图

图4 BoB模式ONU设备框图

3.2 低功耗方向的研究

在ONU设备功耗组成中，光模块的功耗近1W，占设备总功耗的2/3左右，降低光模块的功耗意义重大。独立ONU光模块的功耗组成如表1所示。

表1 独立光模块模式ONU设备功耗组成

在BoB模式中，BOSA直接安装在ONU的PCB板上，光器件的整体功耗降低0.5W。ONU芯片在集成限幅放大器、激光器驱动和DDM模块的同时，删除不必要的电路单元，芯片硬件整体功耗只增加 0.1～0.2W。同时，在软件上可以进行低功耗设计，主要包括：①精简EPON通信协议；②采用灵活而丰富的休眠模式，降低平均功耗；③修改DDM模块的检测机制，由定时检测调整为按需检测；④ONU光模块可设置为单工模式，降低设备的最大功耗。通过以上优化，ONU设备的最大功耗和平均功耗均大幅降低。相对于通用设备，ONU模块功耗设计目标在原有基础上降低一半，约0.7W，基本接近于GPRS模块的性能。

3.3 低时延、低抖动方向的研究

EPON的时延组成如表2所示，从表中分析：①每个ONU的线路传输距离恒定，时延固定，不存在抖动；②EPON下行是广播，没有业务等待时间，不存在抖动；③EPON上行采用时分复用，每个ONU只能在指定的时隙发送数据，除了帧收发时延外，增加了帧的排队时延，同时也带来了抖动；④EPON的时延抖动可控可管理，主要是指上行帧排队时延的可控可管理。

表2 EPON的上下行时延组成

为了降低上行数据的时延和抖动，同时也为了时延可控可管理，EPON时隙采用静态分配机制，具体方法如下：

①根据每个配电终端的业务需求，分配不同的时隙，为了减少帧排队时间，每个ONU分配的时隙不宜太大。单个ONU时隙大小设计为可传输时钟同步帧（最大帧长82Bytes）、SMV帧 （最大帧长159Bytes）、GOOSE帧（最大帧长752Bytes）各一个为宜，考虑一些冗余，传输数据设定为1518Bytes，需分配的时隙大小为：1518×8=12144ns≈12μs。考虑到光模块开关开销以及帧间距消耗约1μs，MPCP消耗约1μs，初步确定每个时隙损耗为15μs。时隙分配可以根据实际业务的需求进行个性化配置。

②减少时隙的轮询周期。配电终端（上联ONU）主要安装在环网柜、开关柜等位置，典型10kV配电线路中配电终端总数量不超过10个。ONU时隙分配如图5所示，图中每个ONU分配的时隙是15μs，共10个ONU，轮询周期为150μs，其中ONU时隙大小和数量可以根据实际的应用场景进行配置。

图5 配网EPON时隙分配

③自动发现窗口发送频率可配置。标准EPON系统中，自动发现窗口带来的时延与最远ONU的距离以及注册帧发送时间相关。帧发送时间小于2μs，可忽略；若最远ONU距离是5km，自动发现窗口带来的时延：2×5/（200000×10-6）=50μs（2代表往返）。若自动发现窗口太过频繁，占用时隙较多，带来总时延也较大。实际应用中，当一条线路ONU设备安装完毕后，可选择关闭自动发现窗口，新增ONU设备使用手动方式添加；也可以降低自动发现窗口发送频率，在连续多个业务轮询周期后插入一个自动发现窗口，如图6所示。与自动发现窗口的相邻上行业务窗口中，最大帧排队时间是1个业务轮询周期+1个自动发现窗口，理论上帧排队最大时延为200μs，即抖动200μs。

图6 EPON自动发现窗口时隙分配

④配置基于业务的优先级。在配电终端业务中，时钟同步、SMV、GOOSE数据优先级最高，馈线自动化数据优先级较低。当ONU在一个时隙无法传输缓存内所有数据时，优先保证优先级较高的业务传输，尽可能减少其等待时延。

通过上述对时延抖动性能的优化，在单台OLT设备下挂10个ONU、最远ONU距离5km的应用场景下，按照表2中的参数计算EPON P2P时延如下：

由此可知，EPON P2P最小时延100μs，最大时延300μs，抖动小于200μs，可以满足网络差动保护业务需求。

3.4 高精度电力时钟同步方向的研究

在综合分析电信和电力时钟同步应用特点的基础上，本文提出基于IEEE 802.1AS协议标准，通过EPON技术传输IRIG-B码的全新设计方法，可以实现IRIG-B码一点对多点的网络传输。该方案OLT侧支持IEEE 1588、IRIG-B码或 1PPS+TOD时钟输入，ONU侧支持IRIG-B码输出。时钟同步由EPON芯片硬件实现，有利于获得精准的发送时间，避免软件协议栈处理时间造成的误差，时钟同步的精度可达亚微秒。

基于IEEE 802.1AS协议标准的电力时钟同步误差主要有以下几个方面：①光纤中上/下行波长不同造成的误差约为170ppm，不同距离误差计算公式：L/（200000×10-9）×（170×10-6）=0.85L（L为传输距离），20km极限情况下误差约为17ns，这个误差可以通过上述公式计算补偿；②Serdes串并转换引入的误差，在使用16bit位宽的Serdes的情况下，按照1.24Gb/s传输速率计算为：16/（1.24×109×10-9）=12.8ns，这个误差补偿要求MAC芯片在ONU每次上线激活以后，提取Serdes偏移，然后对其补偿，实现较困难，暂不做补偿；③测距引入的误差，EPON的时间戳漂移门限为12个TQ，每个TQ为16ns，换算成时间为：12×16=192ns（测距为双向），单向引入的最大误差为96ns，这个误差由EPON协议决定的，也很难补偿。

在实现了因光纤上/下行波长不同而引入误差补偿的情况下，IRIG-B码由OLT到ONU单向传输理论精度为：12.8+96=108.8ns。针对本文的P2P业务，时钟传输路径为ONU1→OLT→ONU2，理论时钟精度为：108.8×2=217.6ns。

4 结束语

本文展望了未来电力EPON技术的发展方向，并对关键技术做了可行性分析。“符合电力应用特点”是电力EPON方案的核心，方案在成本、功耗、时延抖动以及时钟同步等关键参数指标优势明显。

[1]周欣，朱兰，吴江.EPON在智能配用电通信网中的组网研究[J].邮电设计技术，2011(1)：53-57.

[2]张浩，卜宪德，郭经红.EPON技术在用电信息采集系统中的应用[J].电力系统通信，2010，31(5)：42-45.

[3]Q/GDW 1374.3-2013，电力用户用电信息采集系统技术规范第3部分:通信单元技术规范[S].2013.

[4]程远 ，石丰琦，樊强.基于EPON的配网自动化通信技术研究[J].电力系统通信，2012，33（12）：6-11.

[5]徐光福，张春合，严伟，等.基于EPON通信的智能配电网馈线差动保护[J].电力系统自动化，2014，38（2）：91-96.

Research on the key technologies of EPON in line with the characteristics of power

HE Song-sheng，ZHANG Yu
(Beijing Smartchip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China)

The paper describes the application status of EPON in electric power field,combines with the new demand of electric power business,proposes the future development direction of power EPON.It analyzes the key technologies of power EPON in cost,power consumption,delay jitter and clock synchronization in detail, demonstrates the feasibility of the method.

smart grid,EPON,differential protection,fiber meter reading,delay jitter,BoB,IRIG-B

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0005-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.002

2015-10-23。

何松生（1975-），男，本科，主要从事电力通信网络方向的研究。