EPON技術在配電網自動化系統中的應用

楊 雪，于 昉，劉衛華

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

2009年我國大力開展智能電網建設，明確了建設“以堅強網架為基礎，以信息平臺為支撐，實現‘電力流、信息流、業務流’的高度一體化融合，構建貫穿發電、線路、變電、配電、用電服務和調度全部環節和全電壓等級的電網可持續發展體系”的發展思路。其中，配電網自動化系統直接決定著電力消費者對于電能質量的體驗，其覆蓋面積廣、技術實施手段多樣化、系統建設周期長且難度較大，成為了我國建設智能電網的一個重要問題［1-2］。

作為配電網自動化系統的一個重要組成部分——配電網自動化通信系統，負責信息的處理、命令的發送和返回，一個網架牢固、組網靈活、擴展性強的配電網自動化通信網絡是智能電網建設的重要環節。

1 配電網自動化通信網的現狀

目前常見的配電網自動化通信技術有以下幾種。

1.1 基于電力線載波的有線通信

電力線載波通信（PLC）是電力系統特有的通信方式，它利用現有的電力線將數據調制成載波信號或擴頻信號，然后通過耦合器耦合到交/直流電力線上。PLC具有易維護、易使用、成本低等優點，但其電力線間歇性噪聲較大、信號衰減嚴重、線路阻抗經常波動、大規模組網非常困難，通常應用于實時性、可靠性要求不高的系統中［3］。

1.2 基于SDH/MSTP的光通信

SDH/MSTP技術是電力系統通信網的主流技術，在主干電力傳輸網中的應用非常廣泛，它以高傳輸帶寬、支持多種環網保護協議、抗干擾性強等性能為電力通信提供了一個健壯的平臺。但在配電網自動化通信中，SDH設備對其工作環境要求較高、帶寬利用率較低、施工難度較大、成本較高，使得SDH/MSTP技術在配電網中自動化系統中的應用有些不切實際。

1.3 基于“RS232/485光貓”的光通信

采用光貓 （Modem）組網是利用光貓設備將RS232/485信號進行長距離延伸，從而將配電自動化終端以RS232/485總線方式連接起來，上行通信接口通過協議轉換設備在通信子站進行匯聚。大量的配電自動化終端設備通過光纖進行串接，組網簡單、成本低廉、配置靈活，但它無法實現和子站設備間的統一網管、通信效率低、無法承載大容量以太網數據、抗電磁干擾能力差、光纖資源利用率低。

1.4 基于工業以太網交換機的光通信

工業級以太網交換機組網是通過在配電網中各個監測點布放工業級交換機，進行光纖連接組建基于EAPS協議的光纖以太網。工業以太網交換機具備高帶寬、環網保護、IP化趨勢等優點，但其對配電網光纖走向要求較高，無法滿足配電網通信的點到多點通信結構、擴容性、抗多點失效等要求。

1.5 基于GPRS的無線通信

GPRS技術依靠租借駐地移動運營商的無線資源組建電力無線專網，不需要電力投資線纜資源，組網靈活。但它帶寬較低，最大帶寬114kbps，很難滿足配電網終端接入需求，其實時性和擴展性較差，適合遙測、遙信上行采集信號傳輸，不滿足主站下發遙控、遙調控制信號的可靠性傳輸要求。

通過上述分析可知，目前配電網自動化通信以光纖＋載波通信為主、無線等其他方式為輔，其發展和建設的重點和難點在探索和選擇最適合電力配電網自動化的通信要求的，能夠良好應用與自動化終端到配電子站間的通信技術。

2 EPON技術

基于以太網無源光網絡（EPON）是一種采用點到多點（P2MP）結構的單纖數據雙向傳輸的光纖通信技術。EPDN技術始于上世紀90年代，如今已發展到大規模商用階段［4］。EPON系統設備由三部分組成，分別是線路側設備 （OLT）、中間分光設備（POS）、用戶側設備（ONU）。EPON 系統基本組成如圖1所示。

圖1EPON系統組成

EPON系統的技術特性有以下幾點［5-6］：

資源利用率高：采用“單纖雙向”技術，主干線路只需要一芯光纖，通過無源分光設備，最大可以輻射出64路光信號。

P2MP通信方式：通過EPON分光器可以形成點到多點網絡模式，適應復雜的線路資源情況。

無源分光：EPON分光器不需要電源，對惡劣的環境的適應能力非常強，工作穩定、不易損壞。

靈活的擴展能力：EPON網絡在擴展新終端和新線路的時候對網絡的影響很小，無源分光器的設計使EPON網絡擴容變得簡單、靈活。

強大的網管能力：單點或多點故障不影響系統穩定運行，彼此間有明確的業務界點，在OLT設備的網管上可以清晰地區分出不同的ONU設備。

3 EPON應用于配電網通信

3.1 通信介質

各省市電力公司已建成以光纖通信網絡為主的調度通信網，光纜布放隨著電纜走向實施，所轄電網內35 kV、110 kV及以上變電站基本實現光纖全覆蓋，光纖網絡具備向110 kV或35 kV以下的配電線路延伸的網絡基礎，具備了EPON組網的通信介質條件。

3.2 組網結構

光纜布放是隨著配電網電纜走向實施的，通信網絡的結構應與電力配電網纜線結構相符合，結合現有幾種常用的配電網絡拓撲結構，設計EPON系統的網絡結構如下。

圖2所示為EPON鏈形組網，其結構契合單電源輻射網絡，在配電子站布放OLT，通過OLT的1個PON口級聯多個POS，POS可置于每一個分段開關處（例如桿塔或纜線分支箱），每個ONU置于FTU或其他箱體內。

圖2單電源輻射網——EPON鏈形組網

圖3手拉手環網——EPON全鏈路保護組網

圖3所示為EPON全鏈路保護組網，其結構契合雙電源手拉手網絡，在2個配電子站分別布放OLT，通過2個方向利用POS進行級聯延伸，每個ONU的上行鏈路都通過雙PON口進行鏈路1＋1冗余保護。設備布放位置同鏈形組網方式。

圖4所示為EPON雙T組網，其結構契合雙電源雙T網絡，在2個配電子站分別布放OLT，相對于手拉手網絡，其OLT的光方向基本一致，設備布放位置也區域相同。

3.3 設備取電

在配電網自動化系統中，EPON設備的取電通常可以通過電壓互感器變換電壓、二次側可輸出220VAC，就近配電變壓器取電等方式進行，工程實際中，開閉所、負荷中心、用戶電表處取電相對方便，環網柜、柱上開關、變壓器等處可靠電壓互感器+蓄電池（UPS）方式取電。目前市場上的ONU設備基本能夠采用寬泛的電壓設計或者交直流雙備份的方式實現電源保障。

圖4雙電源雙T網——EPON雙T組網

3.4 帶寬及接口

現有配電網通信終端（FTU/DTU/RTU）的通信接口以RS232/485為主，隨著以太網技術應用的不斷發展，以太口（RJ45）最終會取代絕大部分的電力通信設備的接口。與傳統的調度自動化系統相比，配電系統自動化終端節點數量極大，并且節點分散、通信距離短、每個節點的數據量較小、實時性要求高，各種不同類型終端的速率要求大致分布在300 bps～2 Mbps之間，而EPON系統基本可提供1.25 Gbps的上下行速率，并提供以以太口為主、RS232/485口為輔的數據接口，滿足配電自動化系統的帶寬和接口的發展要求。

3.5 網絡性能

業務保護。網絡的抗單點、多點失效性直接決定著整個配電自動化系統的網絡健壯性。EPON系統中各個ONU設備通過POS采用并聯方式組網，每臺ONU設備收到OLT設備以點到多點的方式發送的光信號，當網絡同時出線單纖中斷、PON口損壞或OUN死機等故障時，不會影響其他ONU的正常工作；同時，ONU設備通常能夠支持雙PON口，能夠形成主干光纖1+1保護和支路1+1保護，當ONU檢測到主干主用光纖中斷或多條分支主用光纖失效時能迅速切換到備用光纖上工作。

圖5 EPON系統應用于配電網自動戶系統方案

信息安全。配電網自動化通信系統是一個綜合通信平臺，業務的隔離和信息安全是一個十分重要的問題。EPON系統上行采用TDMA方式，各ONU只在屬于自己的時隙內發送數據，避免了數據的碰撞，實現了通道的隔離；在OLT側和ONU側可以使用VLAN等方式進行劃分，實現業務邏輯的隔離；在EPON的上行和下行數據中可以對業務數據進行三重攪動加密等，防止非法的ONU獲取數據。

擴容性。配電網自動化是一個長期工程，其通信系統必需具備很好的擴容性。相對于常見的光傳輸網絡，EPON系統的網絡擴容在設備上只需添加分光器和ONU，節點設備數量沒有限制，擴容成本低廉。一般，光接口板及SFP光模塊的價格一般為無源分光器的5倍以上，單臺工業交換機、小型SDH/MSTP設備的成本一般為ONU設備的5倍以上。

3.6 EPON系統在配電網自動化中的應用方案

配電網自動化系統包括主站系統、子站系統和RTU等，根據其系統結構設計EPON分層應用方案如圖5所示。

該系統通信介質為光纖，根據網架結構，按照“分區、分級、分層、就近接入”的原則規劃EPON網絡，采用OLT和ONU兩級通信網的方式，使每個子站接入的RTU、FTU的數量大致相似。子站通信系統核心網利用現有的MSTP/SDH傳輸網絡，節省了主干網絡和線路的投資。子站接入層以變電站為中心，采用EPON核心設備OLT，終端按照就近接入的原則，根據實際分布特點選擇組網方式。

4 小結

通過上述分析可知，EPON技術作為一種施工簡單、成本低廉、性能優越的光纖通信方式，能良好地滿足配電子站到自動化終端這個層面通信可靠、投資經濟的需求，利用EOPN技術建設的智能、穩定、可靠、經濟、實用的基礎通信平臺，在配電網自動化建設和智能電網的建設中具有良好的發展前景和較高的實用價值。

［1］肖世杰.構建中國智能電網技術思考［J］.電力系統自動化,2009,9 （33）:1～4.

［2］EPRI.Profiling and mapping of intelligent grid R&D programs，1014600［R］.Palo Alto，CA and EDF R&D，Clamart，France：EPRI,2006.

［3］李文偉,邱利斌.配網自動化及通信系統的規劃建設［J］.電力系統通信,2009,196（30）:5～7.

［4］徐曉軍,李立剛.PON在寬帶光接入網絡中的應用［J］．通信管理與技術，2006（6）：27-29.

［5］張繼東，陶智勇.EPON的發展現狀與技術關鍵［J］．光通信研究,2002（1）：26～30.

［6］徐榮，龔倩，張光海.城域網光網絡（第一版） ［M］.北京:人民郵電出版社,2003.