姜 念，宋 宇

（天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引 言

“十三五”期間，配電自動化和智能配電網(wǎng)成為國網(wǎng)公司配網(wǎng)建設(shè)的重點內(nèi)容。而通信作為“感知-通信-控制”中的關(guān)鍵一環(huán)，是配電自動化和智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容。

光纖通信是配網(wǎng)通信的主要方式之一。文獻[1]規(guī)定了配網(wǎng)通信中光纖通信的使用范圍，文獻[2]對光纖通信應(yīng)采取EPON和工業(yè)以太網(wǎng)的方式做了明確要求，文獻[3]研究了EPON在電力通信中的應(yīng)用，文獻[4]研究了工業(yè)以太網(wǎng)在電力通信中的應(yīng)用。由于配電網(wǎng)通信建設(shè)的具體方案一直缺少相關(guān)規(guī)范、典型設(shè)計與參考文獻，同時電力系統(tǒng)又具有龐大、復(fù)雜、差異性及變化性的特點，因此設(shè)計人員在確定通信方案時較為困難。

本文以配電網(wǎng)對通信系統(tǒng)的要求為出發(fā)點，從實時性、可靠性、擴展性、適應(yīng)性以及經(jīng)濟性5個方面對EPON和工業(yè)以太網(wǎng)進行技術(shù)分析，并總結(jié)出兩種通信方式的適用范圍，供設(shè)計人員在方案決策時應(yīng)用。

1 配電網(wǎng)對通信系統(tǒng)的要求

國網(wǎng)公司先后于2009年、2010年及2012年集中開展了3批配電自動化試點工程，建設(shè)過程中積累了很多經(jīng)驗，但是依然存在標準體系不完善等問題。文獻[5]對電力傳輸網(wǎng)的指標做了明確規(guī)定，但缺少配電網(wǎng)對應(yīng)接入網(wǎng)的標準要求，而文獻[6]僅對不同配電業(yè)務(wù)信息的實時性做了要求。根據(jù)配電網(wǎng)的特點和自動化要滿足的功能需求，配電網(wǎng)對通信系統(tǒng)的要求可以歸納為以下5個方面。

一是實時性。配電網(wǎng)通信主要用來傳遞開關(guān)、負荷或分布式電源等設(shè)備的狀態(tài)信息、運行參數(shù)以及動作控制命令，這些數(shù)據(jù)點多面廣，具有嚴格的時效性，要求通信系統(tǒng)具有高速傳遞效率。二是可靠性。配電網(wǎng)設(shè)備通常放置在戶外，工作環(huán)境復(fù)雜，且電力作為重要能源與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，因此通信系統(tǒng)要具有高度的可靠性。三是擴展性。根據(jù)負荷發(fā)展與供電可靠性的需求，配電網(wǎng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)會不斷發(fā)生變化，配電自動化通信的建設(shè)是一項長期系統(tǒng)的過程，通信系統(tǒng)需具有靈活的擴展性。四是適應(yīng)性。配電網(wǎng)規(guī)模、結(jié)構(gòu)與環(huán)境多種多樣，通信設(shè)備部署與電力設(shè)備趨于同一點，通信線路的敷設(shè)也可以利用電力線路廊道，通信系統(tǒng)組網(wǎng)需適應(yīng)各種配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。五是經(jīng)濟性。配電網(wǎng)規(guī)模龐大，終端采集量大、面廣且地理位置相對分散，通信系統(tǒng)建設(shè)要在保障通信質(zhì)量的同時最大程度降低投資成本。

2 EPON與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)比較

2.1 實時性比較

2.1.1 EPON

EPON是一種采用點到多點結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EPON通信系統(tǒng)由中心側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)終端（Optical Line Terminal，OLT）、用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）以及光纖分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）組成。EPON采用了波分復(fù)用技術(shù)在一根纖芯上進行上行和下行兩個方向的信息傳送。下行方向采用廣播的方式，OLT發(fā)送信號通過ODN到達每個ONU，目的ONU進行選擇接收。上行方向采用申請—授權(quán)機制，數(shù)據(jù)到達ONU后先保存在緩沖區(qū)，ONU周期性的向OLT發(fā)出傳送申請，OLT授權(quán)并給每個ONU分配時隙，ONU在分配的時隙上傳數(shù)據(jù)至OLT。在EPON網(wǎng)絡(luò)通信中，信息由一個終端發(fā)送至另一個終端，通信延時可分為上行延時、OLT處理轉(zhuǎn)發(fā)延時以及下行延時。PON通信延時示意如圖2所示。

圖2 EPON通信延時示意圖

其中，上行延時為：

式中，Tw為從數(shù)據(jù)到達ONU緩存到ONU上傳時隙的等待時間；Ti為從時隙開始到數(shù)據(jù)被完全發(fā)送的時間；Tp為數(shù)據(jù)在光纖中傳輸?shù)竭_OLT的時間。Tw與數(shù)據(jù)到達ONU的時間有關(guān)，如果數(shù)據(jù)在ONU的發(fā)送時隙內(nèi)到達則無需等待，立刻傳輸，此時Tw=0。如果數(shù)據(jù)在ONU的發(fā)送時隙前到達則需要等待，等待的最長時間為：

式中，Tc為輪詢周期時間；Tx為該ONU分配的時隙長度。

對于主流的OLT設(shè)備，輪詢周期為2 ms。EPON網(wǎng)中同一光纖下允許接入的最大ONU數(shù)為8個。假設(shè)EPONE采取靜態(tài)時隙分配的方式，每個ONU分配的時隙大約為0.25 ms，那么其延時最大約為1.75 ms。

Ti與ONU一個時隙里上傳數(shù)據(jù)的多少及數(shù)據(jù)的優(yōu)先級有關(guān)，一般認為三遙信息具有最高優(yōu)先級，可在分配到時隙時優(yōu)先發(fā)送，此時Ti可忽略不計。Tp與ONU和OLT之間的光纖距離有關(guān)，EPON傳輸半徑最長可達20 km。按最遠傳輸距離20 km考慮，光纖的傳輸延時按照5 μs/km計算，則光纖傳輸最大延時為 100 μs。

OLT的授權(quán)和處理轉(zhuǎn)發(fā)時間一般為微秒級，可以忽略不計。下行延時是從數(shù)據(jù)到達OLT到ONU收到數(shù)據(jù)再送出的這段時間，大約是下行的光纖傳輸時間加上ONU的處理時間。ONU的處理時間與芯片處理速度有關(guān)，一般為微秒級，可忽略不計，因此下行延時主要來自光纖傳輸延時。按最遠傳輸距離20 km考慮，光纖傳輸延時為100 μs。由以上結(jié)果估算可知，EPON中信息從一個ONU發(fā)送到另一個ONU總的最大延時約為1.95 ms。

2.1.2 工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)中信息需經(jīng)過兩個節(jié)點間的交換機轉(zhuǎn)發(fā)才能到達目的端。根據(jù)測算，數(shù)據(jù)流每經(jīng)過1個百兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機帶來的時延和抖動為120 μs，設(shè)兩個變電站間一個環(huán)網(wǎng)中有n個節(jié)點，則兩個節(jié)點間的最大通信需經(jīng)過n/2+1個交換機的轉(zhuǎn)發(fā)。工業(yè)以太網(wǎng)光纖的最大傳輸距離可達到100 km，傳輸延時為0.5 ms，總延時為：

實際工程中，兩個變電站間一個環(huán)網(wǎng)節(jié)點數(shù)有限，一般不超過20個，則總延時最大值約為1.82 ms。

2.2 可靠性比較

通信系統(tǒng)的可靠性跟設(shè)備本身可靠性和冗余配置有關(guān)，而冗余配置取決于通信系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，下面從設(shè)備本身可靠性和系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)兩方面進行可靠性的比較。

2.2.1 設(shè)備本身可靠性

EPON與工業(yè)以太網(wǎng)以光纖為傳播媒介，屬于有線信道，通信質(zhì)量不受天氣、地形以及電磁干擾等的影響。EPON網(wǎng)帶寬為1.25 Gb/s，除去20%開銷，可用帶寬約為1 000 Mb/s，假設(shè)一根光纖帶8個ONU，每個ONU分配帶寬約為125 Mb/s?，F(xiàn)有主流工業(yè)以太網(wǎng)二層交換機帶寬達到155 Mb/s，交換機上下行采用不同光芯，一個交換機形成一個沖突域，可享受所有帶寬。EPON與工業(yè)以太網(wǎng)頻帶寬、信息傳輸量大、抗干擾性能好且誤碼率低。此外，EPON與工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備均采用工業(yè)級標準設(shè)計，能夠在惡劣環(huán)境下運行，使用壽命長。而且EPON與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)均已發(fā)展多年，產(chǎn)品成熟穩(wěn)定，可靠性高。

2.2.2 拓撲結(jié)構(gòu)

電力通信系統(tǒng)中重要的信息需具備雙向通道，EPON與工業(yè)以太網(wǎng)均有符合要求的典型拓撲結(jié)構(gòu)。

（1）EPON拓撲結(jié)構(gòu)分析?！笆掷帧彪p鏈路結(jié)構(gòu)是EPON在配網(wǎng)通信應(yīng)用中最為常見的一種拓撲結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示。兩根光纖兩端各接入一臺OLT設(shè)備，一供一備，并在通信路由上形成兩個方向的通道。兩根光纜各級聯(lián)一個分光器至ONU，ONU配置雙PON口雙MAC物理地址，構(gòu)成從OLT到光纖和分光器再到ONU的全鏈路雙冗余。冗余設(shè)備以熱備份的形式運行，當一臺設(shè)備發(fā)生故障時，冗余設(shè)備立即替代故障設(shè)備實現(xiàn)相同的功能，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫切換。在冗余通道上，當OLT監(jiān)測到光纖中斷時，可立即啟用備用光纖，形成無縫切換。當光纜中斷時，OLT設(shè)備可重新生成拓撲模型，故障段前和故障段后的ONU分別接入不同OLT設(shè)備運行，新拓撲生成時間小于50 ms。

圖3 EPON“手拉手”雙鏈路結(jié)構(gòu)

（2）工業(yè)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)分析。單環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)是工業(yè)以太網(wǎng)常用的拓撲結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示。交換機依次連接，頭尾交換機接入上聯(lián)節(jié)點交換機形成環(huán)，不同環(huán)之間由節(jié)點交換機相連形成相切環(huán)。環(huán)上節(jié)點的工業(yè)以太網(wǎng)交換機布放在終端位置，并通過以太網(wǎng)接口和配電終端連接。上聯(lián)節(jié)點的工業(yè)以太網(wǎng)交換機一般配置在變電站內(nèi)，負責(zé)收集環(huán)上所有通信終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并接入骨干層通信網(wǎng)絡(luò)。

圖4 工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)

工業(yè)以太網(wǎng)單環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)為信息提供了冗余通道，使網(wǎng)絡(luò)中兩個設(shè)備之間存在一條以上的通信路徑，某點網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生或一條路徑被破壞，數(shù)據(jù)仍然可以經(jīng)由其他冗余路徑傳輸。

為了避免引起數(shù)據(jù)的廣播風(fēng)暴，不允許存在環(huán)路。因此需要冗余管理協(xié)議對物理拓撲進行網(wǎng)絡(luò)配置，阻塞冗余的網(wǎng)絡(luò)并生成樹狀拓撲，使所有節(jié)點之間僅存在唯一的通信路徑。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余管理協(xié)議重新配置網(wǎng)絡(luò)的生成樹拓撲，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信。

2.3 擴展性比較

2.3.1 EPON擴展性

由于采用了以太網(wǎng)的技術(shù)，EPON在組網(wǎng)上繼承了以太網(wǎng)擴展性強的特點。其采用鏈式結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方式，擴展方式如圖5所示。

圖5 EPON鏈式結(jié)構(gòu)組網(wǎng)擴展方式示意圖

當光纜路徑上有新的終端接入時，新終端可直接級聯(lián)在光纖上，鏈式結(jié)構(gòu)的分光器采用不等比分光，分光比一般為10:90。由于光衰的限制，每根光纖接入終端數(shù)不超過8個，超過8個時可利用預(yù)留光纖構(gòu)成新的鏈路，以24芯光纜為例，考慮一供一備的情況，一根光纜可接終端數(shù)為96個。當光纜路徑周圍有新的終端接入時可以利用預(yù)留纖芯敷設(shè)新的路由，并將新的終端接入，從而形成新的鏈路。樹型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)擴展方式如圖6所示。

圖6 EPON樹型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)擴展方式示意圖

當光纜路徑上有新的終端接入時，新的終端可直接接入EPON網(wǎng)中。樹型結(jié)構(gòu)的分光器采用等比分光，接入新的終端時若更換分光器則會改變原有分光比，影響下層網(wǎng)絡(luò)的光衰，此時需重新校核該網(wǎng)絡(luò)的光衰，若光衰校核不通過需接入預(yù)留的光纖。當光纜路徑周圍有新的終端接入時，可新建光纜就近接入網(wǎng)絡(luò)中。由于EPON的傳輸半徑不超過20 km，不管采用鏈式結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方式還是樹型結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)擴展時的最大路徑都不能超過20 km。

2.3.2 以太網(wǎng)擴展性

采用環(huán)式結(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)，擴展方式見圖7。

圖7 工業(yè)以太網(wǎng)擴展方式示意圖

當光纜路徑上有新的終端接入時，新的終端可π接在原有環(huán)中，單環(huán)接入超過20個終端時可接入預(yù)留光纖形成新的環(huán)。工業(yè)以太網(wǎng)上下行采用不同的光纖，以24芯光纜為例，1根光纜可接終端數(shù)為240個。當光纜路徑周圍有新的終端接入時，可將現(xiàn)有環(huán)拆分為多個環(huán)（或新建環(huán)），在新接入終端可靠性要求不高時可接入現(xiàn)有環(huán)節(jié)點下一層級，構(gòu)成環(huán)形樹型混合結(jié)構(gòu)。采用樹型結(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)，擴展方式與EPON樹型結(jié)構(gòu)類似，由于最大傳輸半徑不超過100 km，在擴展時工業(yè)以太網(wǎng)的可擴展范圍比EPON大。

2.4 適應(yīng)性比較

配電網(wǎng)由變電站、電力線以及其他設(shè)備組成，EPON由局端設(shè)備OLT、傳輸媒介光分配網(wǎng)ODN以及用戶端設(shè)備ONU組成，工業(yè)以太網(wǎng)由匯聚交換機、光纜以及節(jié)點交換機組成。配電網(wǎng)、EPON及工業(yè)以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上有著很大相似度。配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)按聯(lián)絡(luò)關(guān)系可分為多聯(lián)絡(luò)、單聯(lián)絡(luò)及輻射線路，多聯(lián)絡(luò)和單聯(lián)絡(luò)線路與EPON鏈式和工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)式結(jié)構(gòu)的匹配度高，而輻射線路與EPON和工業(yè)以太網(wǎng)樹型結(jié)構(gòu)的匹配度高。當聯(lián)絡(luò)線路的主干線與分支線路上均有終端接入需求時，適合采用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)樹型混合結(jié)構(gòu)。根據(jù)國家電網(wǎng)配電自動化導(dǎo)則10 kV線路供電半徑的要求，原則上A+、A、B類供電區(qū)域供電半徑不宜超過3 km，C類不宜超過5 km，D類不宜超過15 km，E類供電區(qū)域供電半徑應(yīng)根據(jù)需要計算確定。根據(jù)此導(dǎo)則要求，考慮線路聯(lián)絡(luò)點在線路末端，A+、A、B及C類供區(qū)通信距離少于20 km，適合EPON與工業(yè)以太網(wǎng)，C類與D類或D類以下聯(lián)絡(luò)線路以及E類輻射線路的通信距離均可能超過20 km，只適合工業(yè)以太網(wǎng)。

2.5 經(jīng)濟性比較

在終端接入相同的情況下，無論采用EPON還是工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)，可以認為光纜的路由基本相同，光纜建設(shè)的投資也是相同的，投資差異主要取決于通信設(shè)備，其參考價格如表1所示。當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，采用工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)經(jīng)濟性較好，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達到一定程度時采用EPON組網(wǎng)經(jīng)濟性較好。

表1 通信設(shè)備參考價格

2.6 總 結(jié)

EPON和工業(yè)以太網(wǎng)在通信實時性上均能達到毫秒級，具有較高的可靠性。EPON“手拉手”鏈式結(jié)構(gòu)全鏈路雙冗余可抗多點失效，在可靠性上優(yōu)于工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通道冗余。EPON和工業(yè)以太網(wǎng)均能滿足配網(wǎng)通信的擴展需求，工業(yè)以太網(wǎng)較EPON組網(wǎng)更加靈活，擴展性更高。兩者組網(wǎng)結(jié)構(gòu)與配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)匹配度高，工業(yè)以太網(wǎng)傳輸距離比EPON遠，使用范圍更廣。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時采用工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)經(jīng)濟性較好，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達到一定程度時采用EPON組網(wǎng)經(jīng)濟性較好。

3 工程案列

以筆者參與的上饒市兩個工程為例，介紹配電網(wǎng)通信組網(wǎng)技術(shù)方案的確定。工程1采用了智能分布式饋線自動化模式，根據(jù)變電站綜合自動化通信體系的IEC61850協(xié)議，GOOSE報文對通信延時要求在4 ms內(nèi)。光纜通信對象為線路分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)終端與分布式光伏終端。工程所在地為B類供電區(qū)域，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為多分段適度聯(lián)絡(luò)，一次電網(wǎng)已按目標網(wǎng)架建設(shè)成熟，光纜通信涉及變電站4座、10 kV線路18回以及終端155個。該工程光纜通信采用EPON“手拉手”鏈式結(jié)構(gòu)，共新建光纜5回，通信設(shè)備投資7.51×105元，比采用工業(yè)以太網(wǎng)投資少8.4×104元。

工程2為高滲透率分布式可再生能源發(fā)電集群并網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計、分布式電源靈活并網(wǎng)配套設(shè)備、儲能設(shè)備以及群控群調(diào)等的示范項目，以消除扶貧光伏大量接入對電網(wǎng)造成的影響。光纜通信對象為分布式電源及儲能設(shè)備終端，工程所在地為D類供電區(qū)域，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為單輻射，線路供電半徑超過20 km，光纜通信涉及變電站兩座、線路兩回以及終端19個。該工程光纜通信采用工業(yè)以太網(wǎng)樹型結(jié)構(gòu)，新建光纜5回，通信設(shè)備投資1.25×105元，比EPON網(wǎng)投資少1.89×105元。

4 結(jié) 論

作為成熟的光纜通信技術(shù)，EPON和工業(yè)以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)通信建設(shè)，兩者既有共同點也存在差異。在進行配電網(wǎng)通信建設(shè)時，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的特點及項目要實現(xiàn)的功能，綜合衡量實時性、可靠性、擴展性、適應(yīng)性以及經(jīng)濟性等因數(shù)來選擇合適的技術(shù)方案。