EPON技术在配电网自动化系统中的应用.docx

摘要：配电网自动化的通信系统是智能电网建设的重要基础平台，介绍了目前常用的配电网自动化通信技术，提出了EPON 技术的特点和组网优势，重点对EPON 技术应用于配电网自动化通信系统的可行性进行分析，结合工程实际提出了应用案例。经分析表明，EPON 技术实现简单、成本低廉，是适用于配电网自动化系统中配电子站到自动化终端这个层面的一种优秀的通信技术。
关键词：EPON；通信网络；配电网自动化；智能电网
0 引言
2009 年我国大力开展智能电网建设， 明确了建设“以坚强网架为基础，以信息平台为支撑，实现‘电力流、信息流、业务流’的高度一体化融合，构建贯穿发电、线路、变电、配电、用电服务和调度全部环节和全电压等级的电网可持续发展体系”的发展思路。其中，配电网自动化系统直接决定着电力消费者对于电能质量的体验，其覆盖面积广、技术实施手段多样化、系统建设周期长且难度较大，成为了我国建设智能电网的一个重要问题［1-2］。
作为配电网自动化系统的一个重要组成部分———配电网自动化通信系统， 负责信息的处理、命令的发送和返回，一个网架牢固、组网灵活、扩展性强的配电网自动化通信网络是智能电网建设的重要环节。
1 配电网自动化通信网的现状
目前常见的配电网自动化通信技术有以下几种。
1.1 基于电力线载波的有线通信
电力线载波通信（PLC）是电力系统特有的通信方式，它利用现有的电力线将数据调制成载波信号或扩频信号， 然后通过耦合器耦合到交/直流电力线上。PLC 具有易维护、易使用、成本低等优点，但其电力线间歇性噪声较大、信号衰减严重、线路阻抗经常波动、大规模组网非常困难，通常应用于实时性、可靠性要求不高的系统中［3］。
1.2 基于SDH/MSTP 的光通信
SDH/MSTP 技术是电力系统通信网的主流技术，在主干电力传输网中的应用非常广泛，它以高传输带宽、支持多种环网保护协议、抗干扰性强等性能为电力通信提供了一个健壮的平台。但在配电网自动化通信中，SDH 设备对其工作环境要求较高、带宽利用率较低、施工难度较大、成本较高，使得SDH/MSTP 技术在配电网中自动化系统中的应用有些不切实际。
1.3 基于“RS232/485 光猫”的光通信
采用光猫（Modem） 组网是利用光猫设备将RS232/485 信号进行长距离延伸，从而将配电自动化终端以RS232/485 总线方式连接起来，上行通信接口通过协议转换设备在通信子站进行汇聚。大量的配电自动化终端设备通过光纤进行串接，组网简单、成本低廉、配置灵活，但它无法实现和子站设备间的统一网管、通信效率低、无法承载大容量以太网数据、抗电磁干扰能力差、光纤资源利用率低。
1.4 基于工业以太网交换机的光通信
工业级以太网交换机组网是通过在配电网中各个监测点布放工业级交换机，进行光纤连接组建基于EAPS 协议的光纤以太网。工业以太网交换机具备高带宽、环网保护、IP 化趋势等优点，但其对配电网光纤走向要求较高，无法满足配电网通信的点到多点通信结构、扩容性、抗多点失效等要求。
1.5 基于GPRS 的无线通信
GPRS 技术依靠租借驻地移动运营商的无线资源组建电力无线专网， 不需要电力投资线缆资源，组网灵活。但它带宽较低，最大带宽114kbps，很难满足配电网终端接入需求，其实时性和扩展性较差，适合遥测、遥信上行采集信号传输，不满足主站下发遥控、遥调控制信号的可靠性传输要求。通过上述分析可知，目前配电网自动化通信以光纤＋载波通信为主、无线等其他方式为辅，其发展和建设的重点和难点在探索和选择最适合电力配电网自动化的通信要求的，能够良好应用与自动化终端到配电子站间的通信技术。
2 EPON 技术
基于以太网无源光网络（EPON）是一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤数据双向传输的光纤通信技术。EPDN 技术始于上世纪90 年代，如今已发展到大规模商用阶段［4］。EPON 系统设备由三部分组成， 分别是线路侧设备（OLT）、中间分光设备（POS）、用户侧设备（ONU）。EPON 系统基本组成如图1所示。

EPON 系统的技术特性有以下几点［5-6］：资源利用率高：采用“单纤双向”技术，主干线路只需要一芯光纤，通过无源分光设备，最大可以辐射出64 路光信号。
P2MP 通信方式：通过EPON 分光器可以形成点到多点网络模式，适应复杂的线路资源情况。无源分光：EPON 分光器不需要电源， 对恶劣的环境的适应能力非常强，工作稳定、不易损坏。灵活的扩展能力：EPON 网络在扩展新终端和新线路的时候对网络的影响很小，无源分光器的设计使EPON 网络扩容变得简单、灵活。
强大的网管能力：单点或多点故障不影响系统稳定运行，彼此间有明确的业务界点，在OLT 设备的网管上可以清晰地区分出不同的ONU 设备。
3 EPON 应用于配电网通信
3.1 通信介质
各省市电力公司已建成以光纤通信网络为主的调度通信网，光缆布放随着电缆走向实施，所辖电网内35 kV、110 kV 及以上变电站基本实现光纤全覆盖， 光纤网络具备向110 kV 或35 kV 以下的配电线路延伸的网络基础，具备了EPON 组网的通信介质条件。
3.2 组网结构
光缆布放是随着配电网电缆走向实施的，通信网络的结构应与电力配电网缆线结构相符合，结合现有几种常用的配电网络拓扑结构，设计EPON 系统的网络结构如下。

图2 所示为EPON 链形组网，其结构契合单电源辐射网络，在配电子站布放OLT，通过OLT 的1个PON 口级联多个POS，POS 可置于每一个分段开关处（例如杆塔或缆线分支箱），每个ONU置于FTU 或其他箱体内。
图3 所示为EPON 全链路保护组网，其结构契合双电源手拉手网络， 在2 个配电子站分别布放OLT，通过2 个方向利用POS 进行级联延伸，每个ONU 的上行链路都通过双PON 口进行链路1＋1冗余保护。设备布放位置同链形组网方式。
图4 所示为EPON 双T 组网，其结构契合双电源双T 网络，在2 个配电子站分别布放OLT，相对于手拉手网络，其OLT 的光方向基本一致，设备布放位置也区域相同。
3.3 设备取电
在配电网自动化系统中，EPON 设备的取电通常可以通过电压互感器变换电压、二次侧可输出220VAC，就近配电变压器取电等方式进行，工程实际中，开闭所、负荷中心、用户电表处取电相对方便，环网柜、柱上开关、变压器等处可靠电压互感器+蓄电池（UPS）方式取电。目前市场上的ONU设备基本能够采用宽泛的电压设计或者交直流双备份的方式实现电源保障。
3.4 带宽及接口
现有配电网通信终端（FTU/DTU/RTU）的通信接口以RS232/485 为主，随着以太网技术应用的不断发展，以太口（RJ45）最终会取代绝大部分的电力通信设备的接口。与传统的调度自动化系统相比，配电系统自动化终端节点数量极大， 并且节点分散、通信距离短、每个节点的数据量较小、实时性要求高， 各种不同类型终端的速率要求大致分布在300 bps～2 Mbps 之间， 而EPON 系统基本可提供1.25 Gbps 的上下行速率， 并提供以以太口为主、RS232/485 口为辅的数据接口，满足配电自动化系统的带宽和接口的发展要求。
3.5 网络性能
业务保护。网络的抗单点、多点失效性直接决定着整个配电自动化系统的网络健壮性。EPON 系统中各个ONU 设备通过POS 采用并联方式组网，每台ONU 设备收到OLT 设备以点到多点的方式发送的光信号，当网络同时出线单纤中断、PON 口损坏或OUN 死机等故障时，不会影响其他ONU 的正常工作； 同时，ONU 设备通常能够支持双PON口，能够形成主干光纤1+1 保护和支路1+1 保护，当ONU 检测到主干主用光纤中断或多条分支主用光纤失效时能迅速切换到备用光纤上工作。

信息安全。配电网自动化通信系统是一个综合通信平台，业务的隔离和信息安全是一个十分重要的问题。EPON 系统上行采用TDMA 方式，各ONU只在属于自己的时隙内发送数据，避免了数据的碰撞，实现了通道的隔离；在OLT 侧和ONU 侧可以使用VLAN 等方式进行划分， 实现业务逻辑的隔离；在EPON 的上行和下行数据中可以对业务数据进行三重搅动加密等，防止非法的ONU 获取数据。扩容性。配电网自动化是一个长期工程，其通信系统必需具备很好的扩容性。相对于常见的光传输网络，EPON 系统的网络扩容在设备上只需添加分光器和ONU，节点设备数量没有限制，扩容成本低廉。一般，光接口板及SFP 光模块的价格一般为无源分光器的5 倍以上， 单台工业交换机、小型SDH/MSTP 设备的成本一般为ONU 设备的5 倍以上。
3.6 EPON 系统在配电网自动化中的应用方案配电网自动化系统包括主站系统、子站系统和RTU 等， 根据其系统结构设计EPON 分层应用方案如图5 所示。
该系统通信介质为光纤，根据网架结构，按照“分区、分级、分层、就近接入”的原则规划EPON 网络，采用OLT 和ONU 两级通信网的方式，使每个子站接入的RTU、FTU 的数量大致相似。子站通信系统核心网利用现有的MSTP/SDH 传输网络，节省了主干网络和线路的投资。子站接入层以变电站为中心，采用EPON 核心设备OLT，终端按照就近接入的原则，根据实际分布特点选择组网方式。
4 小结
通过上述分析可知，EPON 技术作为一种施工简单、成本低廉、性能优越的光纤通信方式，能良好地满足配电子站到自动化终端这个层面通信可靠、投资经济的需求， 利用EOPN 技术建设的智能、稳定、可靠、经济、实用的基础通信平台，在配电网自动化建设和智能电网的建设中具有良好的发展前景和较高的实用价值。