魏 勇 宋小會 許偉國 李俊剛

（1.許繼電氣股份有限公司, 河南 許昌 461000；2.浙江省電力公司紹興電力局, 浙江 紹興 312000）

智能電網(wǎng)技術(shù)是世界電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢，是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動向，電網(wǎng)智能化已成為世界范圍內(nèi)能源和電力行業(yè)發(fā)展的必由之路，智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)被提升到國家戰(zhàn)略發(fā)展的高度。國家電網(wǎng)公司提出了“堅強智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃，并規(guī)劃“十二五”期間新建智能變電站 5000座，“十三五”期間新建智能變電站7700座[1]。

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)結(jié)點，是智能電網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)字化、互動化、自動化、智能化的支撐，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是智能變電站的核心技術(shù)之一，目前智能變電站主要采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機進(jìn)行通信系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計，工業(yè)交換機相對普通交換機價格高昂，據(jù)調(diào)研，國內(nèi)已投運的智能變電站，僅工業(yè)交換機部分的成本幾乎和整個變電站二次保護(hù)控制設(shè)備成本相當(dāng)，甚至更高。著眼于未來將要建設(shè)的上萬座智能變電站，尋求一種與采用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機相比更經(jīng)濟(jì)實用的通信方案，值得探討和研究。

EPON（Ethernet Passive Optical Network）以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種光纖接入網(wǎng)技術(shù)[2]，在廣電行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，在電力系統(tǒng)的配網(wǎng)[3]和用電業(yè)務(wù)領(lǐng)域有成功的應(yīng)用經(jīng)驗，如浙江海鹽基于EPON的配網(wǎng)應(yīng)用、江西瑞昌基于EPON的用電信息采集應(yīng)用?；?EPON和 OPLC（Optical Fiber Composite Low-voltage Cable）光纖復(fù)合低壓電纜的電力光纖入戶技術(shù)在智能小區(qū)及智能家居、電動汽車充換電站、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景，EPON通信技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用將是未來一段時間的研究熱點。

智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)通信對于全站保護(hù)控制功能的可靠實現(xiàn)具有重要的意義，本文對智能變電站過程層通信系統(tǒng)的采樣值SV傳輸及GOOSE傳輸機制進(jìn)行了分析，提出在過程層網(wǎng)絡(luò)采用EPON技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，搭建模擬測試系統(tǒng)，對過程層網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)年P(guān)鍵性能指標(biāo)SV離散度及GOOSE時延進(jìn)行了測評[4]，為便于對比分析，還給出了現(xiàn)階段智能變電站過程層組網(wǎng)所采用的工業(yè)以太網(wǎng)方案的測評數(shù)據(jù)對比分析。

1 業(yè)務(wù)分析

1.1 通信應(yīng)用要求

智能變電站采用IEC 61850作為全站唯一的通信及建模標(biāo)準(zhǔn)，各種功能應(yīng)用都依賴于網(wǎng)絡(luò)。保護(hù)功能（包括采樣值傳輸，跳閘動作等有嚴(yán)格時限要求的環(huán)節(jié)）的實現(xiàn)借助于站內(nèi)過程層通信網(wǎng)絡(luò)，因此，智能變電站過程層通信網(wǎng)絡(luò)必須具備較高的實時性能。依據(jù)IEC 61850的要求，過程總線上的電流、電壓互感器與保護(hù)、測控單元之間的實時電壓電流采樣值和保護(hù)單元發(fā)送到現(xiàn)場開關(guān)設(shè)備的保護(hù)跳閘 GOOSE信號的信息傳輸時間需求最緊急，信息傳輸時間應(yīng)小于 2ms；保護(hù)單元之間的保護(hù)閉鎖GOOSE信息具有較高的傳輸速率，通常信息傳輸時間為 2～10ms，同步相量測量信息的傳輸時間可以大于10ms，合并單元發(fā)送采樣值SV的離散度要求偏差在+/-10μs內(nèi)（參見《國網(wǎng)智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》6.4.4：MU采樣值發(fā)送間隔離散值應(yīng)小于 10μs）[5]。

1.2 通信應(yīng)用現(xiàn)狀

智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)現(xiàn)階段主流采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，能滿足過程層網(wǎng)絡(luò)通信的業(yè)務(wù)需求，但存在價格昂貴、服務(wù)周期長等問題，且這些產(chǎn)品基本都從國外進(jìn)口，從智能變電站安全運行的角度考慮存在安全隱患。

2 EPON及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)對比分析

EPON通信技術(shù)屬于PON系列技術(shù)應(yīng)用最廣泛的一種，由IEEE802.3提出，它將以太網(wǎng)技術(shù)與PON技術(shù)結(jié)合起來，物理層采用PON技術(shù)，鏈路層采用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入。其目標(biāo)是用最簡單的方式實現(xiàn)一個點到多點結(jié)構(gòu)的吉比特以太網(wǎng)光纖接入系統(tǒng)。其消除了ATM和SDH層，降低了初始成本和運行成本，具有實現(xiàn)簡單，易于擴展和維護(hù)，與現(xiàn)有的以太網(wǎng)兼容、管理方便等優(yōu)點。

EPON 系統(tǒng)主要由 OLT（光線路終端），ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元），ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)）三部分組成，采用數(shù)據(jù)復(fù)用的通信方式，利用WDM（波分復(fù)用）技術(shù)實現(xiàn)單纖雙向傳輸，上行數(shù)據(jù)流采用TDMA（時分復(fù)用）技術(shù)，下行數(shù)據(jù)流采用廣播技術(shù)。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在以太網(wǎng)原有的速率高、兼容性強、成本低、標(biāo)準(zhǔn)性好等優(yōu)勢基礎(chǔ)上，加入了工業(yè)化設(shè)計，主要指對優(yōu)先級隊列的支持和工業(yè)環(huán)境工況的適應(yīng)性設(shè)計，現(xiàn)階段是智能變電站過程層所采用的唯一通信技術(shù)。

3 智能變電站過程層EPON應(yīng)用測試

為了驗證EPON通信平臺是否適用于智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)，針對三網(wǎng)合一模式和國網(wǎng)直采直跳組網(wǎng)模式分別進(jìn)行EPON系統(tǒng)應(yīng)用于過程層的性能測試。

測試設(shè)備包括用于發(fā)送采樣值SV的合并器（下面簡稱 MU）若干臺，用于模擬網(wǎng)絡(luò)背景數(shù)據(jù)的FLUKE網(wǎng)絡(luò)報文發(fā)生儀一臺，用于模擬GOOSE報文的NPI測試工具一套，EPON設(shè)備一套，工業(yè)以太網(wǎng)交換機一套（采用羅杰康設(shè)備），中元華電網(wǎng)絡(luò)報文記錄及分析儀一套。

3.1 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)報文抖動測試

為便于比對分析，首先對合并器發(fā)送采樣值SV的離散度均勻性進(jìn)行測試，測試案例如圖1所示。

測試結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，MU發(fā)送SV的離散度偏差在+/-5μs之內(nèi)，滿足智能變電站對SV離散度的要求。

接下來再將MU發(fā)送的采樣值SV經(jīng)過工業(yè)交換機后的離散度均勻性進(jìn)行測試，測試案例如圖 3所示。

測試結(jié)果如圖4～5所示。圖4是MU經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機發(fā)送2組SV的離散度偏差曲線，圖5是MU經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機發(fā)送8組SV的離散度偏差曲線。

從圖4可以看出，MU經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機后發(fā)送2組SV的離散度偏差基本在+/-5μs之內(nèi)，發(fā)送8組SV（MU在實際應(yīng)用中，一般都少于8組）的離散度偏差基本在+/-10μs之內(nèi)，這說明工業(yè)以太網(wǎng)交換機的抖動和時延非常小，滿足智能變電站對SV離散度的要求。

圖1 MU直接發(fā)送采樣值離散度測試方案

圖2 MU直接發(fā)送采樣值離散度測試結(jié)果

圖3 MU發(fā)送采樣值經(jīng)交換機后離散度測試方案

圖4 MU發(fā)送采樣值經(jīng)交換機后離散度測試結(jié)果1

圖5 MU發(fā)送采樣值經(jīng)交換機后離散度測試結(jié)果2

接下來進(jìn)行MU經(jīng)EPON通信系統(tǒng)（ONU、分光器、OLT）后離散度均勻性進(jìn)行測試，測試案例如圖6所示。

測試過程中，網(wǎng)絡(luò)報文記錄及協(xié)議分析儀出現(xiàn)頻繁報超時現(xiàn)象，相鄰兩幀 SV的最大間隔為1424μs，最小間隔為 28μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 250μs理論值。不滿足SV離散度要求。

測試結(jié)果如圖7所示。

3.2 單個ONU壓力測試

EPON測試系統(tǒng)ONU設(shè)備的3個以太網(wǎng)口接入3個MU，每個MU發(fā)送2組SV采樣值，同時利用FLUKE網(wǎng)絡(luò)分析儀給ONU的第四個以太網(wǎng)口施加50M b/s的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，分別模擬長度為 256、1276字節(jié)長度的兩種報文，測試案例如圖8所示。

圖6 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后離散度測試方案

圖7 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后離散度測試結(jié)果

圖8 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后壓力測試方案

測試過程中，未出現(xiàn)報文丟幀現(xiàn)象，但網(wǎng)絡(luò)報文記錄及協(xié)議分析儀出現(xiàn)頻繁報超時現(xiàn)象，相鄰兩幀 SV的最大間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 250μs理論值。不滿足SV離散度要求。

測試結(jié)果如圖9所示。

3.3 分光器接入多個ONU壓力測試

EPON測試系統(tǒng)分光器接入4個ONU設(shè)備，每個ONU的以太網(wǎng)口接入1個MU，每個MU發(fā)送2組SV采樣值，測試案例如圖10所示。

測試過程中，未出現(xiàn)SV報文丟幀及假同步現(xiàn)象，但網(wǎng)絡(luò)報文記錄及協(xié)議分析儀出現(xiàn)頻繁報單組SV接收超時現(xiàn)象，相鄰兩幀SV的最大時間間隔為1483μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于250μs理論值。不滿足SV離散度要求。

3.4 單幀GOOSE報文時延測試

首先，測試單幀 GOOSE報文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機后的通信時延，測試方案如圖11所示。

同一幀 GOOSE報文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機后，分別從A、B兩個網(wǎng)口被網(wǎng)絡(luò)報文記錄及分析儀捕獲，并打時間標(biāo)簽，一幀變位 GOOSE報文測試時間標(biāo)簽的差如圖12所示，偏差值時間單位μs。

圖9 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后壓力測試結(jié)果

圖10 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后壓力測試方案2

圖11 GOOSE經(jīng)交換機后時延測試方案

圖12 GOOSE經(jīng)交換機后時延測試結(jié)果

從圖12可知工業(yè)以太網(wǎng)交換機的GOOSE傳輸偏差值大致在6.5μs，很好地滿足了智能變電站過程層通信傳輸?shù)膽?yīng)用需求。

接下來測試同一幀 GOOSE報文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機和EPON網(wǎng)絡(luò)后的通信時延，測試方案如圖13所示。

圖13 GOOSE經(jīng)EPON網(wǎng)絡(luò)后時延測試方案

同一幀 GOOSE報文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機后 1分為 2，其中一路 GOOSE報文經(jīng)過 EPON網(wǎng)絡(luò)，兩路報文被網(wǎng)絡(luò)報文記錄及分析儀捕獲，并打時間標(biāo)簽，一幀變位 GOOSE報文測試時間標(biāo)簽的差如圖14所示，偏差值時間單位μs。

從圖14可知EPON網(wǎng)絡(luò)的GOOSE傳輸偏差值大致在 2657.8μs，不能滿足智能變電站過程層通信傳輸?shù)膽?yīng)用需求。

最后模擬GOOSE報文在EPON組網(wǎng)的智能變電站過程層典型應(yīng)用場景下的通信時延，測試方案如圖15所示。

圖14 GOOSE經(jīng)EPON網(wǎng)絡(luò)后時延測試結(jié)果

圖15 GOOSE在EPON組網(wǎng)的智能變電站過程層典型應(yīng)用測試方案

同一幀 GOOSE報文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機后 1分為 2，其中一路 GOOSE報文經(jīng)過 EPON網(wǎng)絡(luò)，同時，在ONU3施加40組，每秒變位1次的GOOSE變位背景報文，在ONU4施加20M/50M，長度256字節(jié)的背景報文，兩路報文被網(wǎng)絡(luò)報文記錄及分析儀捕獲，并打時間標(biāo)簽，一幀變位 GOOSE報文測試時間標(biāo)簽的差如圖16所示，偏差值時間單位μs。

圖16 GOOSE在EPON組網(wǎng)的智能變電站過程層典型應(yīng)用測試結(jié)果

從圖15可知EPON網(wǎng)絡(luò)的GOOSE傳輸偏差值在50M背景流量下大致在812.9μs，在20M背景流量下大致在930.5μs，不能滿足智能變電站過程層通信傳輸?shù)膽?yīng)用需求。

4 結(jié)論

在智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)采用EPON通信平臺進(jìn)行采樣值 SV傳輸時，均勻性差，不能滿足傳送保護(hù)采樣值的需求，且存在假同步現(xiàn)象。

在智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)采用EPON通信平臺進(jìn)行GOOSE傳輸時，傳送一幀730字節(jié)的GOOSE報文所需時間最大為1287μs。不滿足《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的6.2.3中對網(wǎng)絡(luò)延時的要求為：傳輸各種幀長數(shù)據(jù)時交換機固有延時應(yīng)小于10μs。

EPON通信技術(shù)在智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的通信性能指標(biāo)不能滿足應(yīng)用需求。

[1]智能變電站技術(shù)導(dǎo)則. 國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).Q/GDW 383-2009.

[2]IEEE 802.3ah Ethernet in the First Mile Task Force[EB/OL].[2010-11-05].http://www.ieee802.org/3/efm/.

[3]孫曉霞, xPON及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在配網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究,碩士論文.

[4]EPON測試方法.中國電科院.Q/EPRI 040－2010.

[5]智能變電站繼電保護(hù)規(guī)范. 國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).Q/GDW 441-2010.