電力隧道視頻及環境監控系統的網絡結構方案之比較

劉 穎 賀紹鵬 郭小凱

（1.廣東電網公司珠海供電局，廣東 珠海519000；2.國網物資有限公司，北京100120）

0 引言

電力隧道中經常會出現水位過高，CO、CH4、H2S等有害氣體過高和氧氣過低的情況，危及電纜的安全運行和檢測人員的生命安全。在這種情況下，如果能夠有效地排風和通風，將會減少工作人員生命安全危險和火災危險。隧道防盜也很重要，經常有人從出入口強行進入隧道偷電力設備和接地線，這對電纜安全運行造成了很大影響，如果能在隧道出入口安裝防盜和監控設備，則能有效地防止其他人員進入。由于隧道中信號較弱，因而要進行通信聯絡就很麻煩，為此安裝網絡通信電話成為一種很好的選擇。

為適應珠海橫琴島電力電纜隧道建設的需要，提高電纜隧道運行和維護的安全性及可靠性，實現電網的可視化監控和調度以及隧道內分區之間、隧道內外的通信聯絡，加強電力隧道視頻及環境監控系統技術管理，需要對電力電纜隧道進行視頻及環境監控。由于電力隧道監控具有監控點多、信息量大的特點，如何設計視頻及環境監控系統的網絡結構就顯得非常關鍵，為此本文分析了當前最為流行的2種網絡結構，并進行對比分析，最后得出了最佳網絡結構方案。

1 設計方案

珠海橫琴多聯供電廠至琴韻變電站電纜隧道全長16.2 km，在220kV環澳變電站工程中解口進220kV環澳站。線路解口點距離多聯供電廠約8.5 km，距離琴韻變電站約7.7 km，距離環澳變電站約2.95 km（環澳段2.95 km電纜隧道不屬于本工程范圍）。

本工程電纜隧道共設80個防火分區（約200 m一個防火分區），28個隧道出入口，主要監控內容如下：

（1）監視電力電纜隧道各主要出入口情況；

（2）監視電力電纜隧道與變電站連接處的隧道內及出入口情況；

（3）監測電力電纜隧道監控室內溫度、濕度等情況；

（4）監測電力電纜隧道內溫度、濕度、空氣含氧量、有害氣體濃度及水浸情況；

（5）實現電纜隧道井蓋防盜監控和各出入口門禁監控等。

因此，要對整個隧道的視頻及環境信息進行監控，監控點多，信息量大。現在常用的網絡結構有EPON組網和光交換機組網方式，下面介紹這2種組網方式的優劣。

1.1 方案1：EPON組網

1.1.1 EPON組網簡介

EPON（Ethernet Passive Optical Network），即以太網無源光網絡，產品展示如圖1所示。IEEE802.3定義了以太網的2種基本操作模式：第一種模式采用載波偵聽多址訪問／沖突檢測（CSMA／CD）協議應用在共享媒質上；第二種模式為各個站點采用全雙工的點到點的鏈路通過交換機連接到一起。相應地，以太網MAC可以工作于這2種模式之一：CSMA／CD模式或全雙工模式。

圖1 EPON產品展示

EPON網絡的性質是共享媒質和點到點網絡的結合。在下行方向，擁有共享媒質的鏈接性，而在上行方向其行為特性就如同點到點網絡。

下行方向：OLT發出的以太網數據包經過一個1：n的無源光分路器傳送到每一個ONU。n的典型取值在4～64之間（由可用的光功率預算所限制）。這種行為特征與共享媒質網絡相同。在下行方向，以太網具有廣播特性，與EPON結構相匹配：OLT廣播數據包，目的ONU有選擇地提取數據包。

上行方向：由于無源光合路器的方向特性，任何一個ONU發出的數據包只能到達OLT，而不能到達其他的ONU。EPON在上行方向上的行為特點與點到點網絡相同，但卻不同于真正的點到點網絡，在EPON中，所有的ONU都屬于同一個沖突域——來自不同的ONU的數據包如果同時傳輸依然可能產生沖突。因此在上行方向，EPON需要采用某種仲裁機制來避免數據沖突。

局端（OLT）與用戶（ONU）之間僅有光纖、光分路器等無源光器件，無需租用機房、配備電源及有源設備維護人員，因此可有效節省建設和運營維護成本；EPON采用以太網的傳輸格式同時也是用戶局域網／駐地網的主流技術，二者具有天然的融合性，消除了復雜的傳輸協議轉換帶來的成本因素；采用單纖波分復用技術（下行1 490 nm，上行1 310 nm），僅需一根主干光纖和一個OLT，傳輸距離就可達20 km。在ONU側通過光分路器最多分送給32個用戶，因此可大大降低OLT和主干光纖的成本壓力；上下行均為千兆速率，下行采用針對不同用戶加密廣播傳輸的方式共享帶寬，上行利用時分復用（TDMA）共享帶寬。高速寬帶，充分滿足了接入網客戶的帶寬需求，并可方便靈活地根據用戶需求的變化動態分配帶寬；點對多點的結構，只需增加ONU數量和少量用戶側光纖即可方便地對系統進行擴容升級，有力控制了運營商的投資規模。

1.1.2 具體項目分析

隧道內每200 m設置了一個防火分區，每個防火分區的通風室內安裝一臺光網絡單元ONU，作為一個網絡節點，每10個網絡節點形成一個光纖環網，整個電纜隧道共設置8個光纖環網。再由每個光纖環網兩端引光纜至站端OLT光線路終端設備，形成了8個獨立的光路環網，結構簡單，維護方便。

1.2 方案2：用光交換機組自愈環網

1.2.1 用光交換機組自愈環網簡介

自愈環以太網交換機采用世界最新光纖技術，結合目前應用最廣的以太網技術，是一款集光通信、以太網于一體的綜合通信單元，專門為電力配網自動化、工業自動化、SCADA（數據采集及監控）等工業行業數據通信領域而設計。自愈環以太網交換機可以將多個站點的以太網信號、232／485信號、視頻信號、語音信號等復合到環形光纖鏈路中傳輸。自愈環以太網交換機支持對光纖環路的自動檢測和倒換，全負載下故障恢復時間＜20 ms。

雙環自愈以太網光端機（圖2）支持4個環路光口和1～2個支路光口，可組建鏈形、環形、T形等各種復雜的光纖網絡。當配置為4個環路光口時可組成相切環。設備使用工業級元件生產，支持電源冗余，符合工業級設計要求。

圖2 雙環自愈以太網光端機

功能特性：

（1）環路光口兼容IEEE802.3標準；

（2）具有廣播風暴抑制功能，自動對數據包進行過濾和MAC地址記憶，MAC地址表8K環路、支路光接口均兼容IEEE802.3U－100M－FX；

（3）支持2～4個光口環路同時傳輸，每站最高帶寬400 Mbps；

（4）支持光纖環路的檢測和自愈合，光口冗余故障倒換時間不大于20 ms；

（5）光口可組建鏈形、環形、T形、復合形等各種光纖網絡。

1.2.2 具體項目分析

隧道內每200 m設置了一個防火分區，每個防火分區的通風室內安裝一臺級聯網絡交換機作為一個網絡節點，前25個網絡節點形成第一個光纖環網A，中間10個網絡節點形成第二個光纖環網B，后45個網絡節點形成第三個光纖環網C，每個光纖環網再分別引光纜至站端以太網交換機。整個電纜隧道共設置3個光纖環網。

2 2種設計方案對比分析

EPON組網的優點：

（1）網絡拓撲靈活，通過分路器實現鏈、樹、環型的拓撲；

（2）采用無源分路器，維護方便；

（3）單個設備節點的失效對網絡無影響；

（4）網絡層級簡單，網絡性能和傳輸延時更有保障；

（5）成本低于工業以太網。

缺點：

（1）光分路器插入損耗1 dBm，導致網絡不能太大；通道衰耗（含節點光功率衰耗、光纜損耗、光分路器插入損耗、法蘭盤損耗）容限考慮為28 dBm，理論計算最多可接入13個節點；

（2）EPON的功耗大，尤其是發光器件功耗大，不利于長期在高溫環境中工作；

（3）ONU之間不能實現通信，只能是OLT對ONU之間實現點對多點的通信；

（4）EPON網絡設備為國內廠家生產，質量難以保證；

（5）后期擴展不便；

（6）與南網及廣東電網視頻及環境監測系統的標準不一致。

交換機組網的優點：

（1）以太網技術具有擴展性好、價格較便宜、接入速率高、成熟簡單等優勢；

（2）每個節點放置一臺交換機，配置簡單，僅需要配置相應的級聯光口即可組成自愈環網；

（3）環網站點個數理論上無限制，但考慮業務正常傳送時的延時和保護倒換時間，建議采用多環少節點方式，且每個環少于50個節點；

（4）網絡安全性高，如果環網連接中斷，可自動啟動環網保護，正常時可以對每個節點交換機狀態進行監測；

（5）網絡擴充性強，當接入新節點時，網絡可自動發現并生成樹，整個過程對現有業務無影響；

（6）傳輸距離長，如采用多級光再生放大，理論上可無限擴展；

（7）采用光交換機組網方式和南網的視頻及環境標準結構一致。

缺點：

（1）光交換機組網只支持點到點的信息傳遞，因此組網有局限性；

（2）每臺級聯交換機均需要電源；

（3）投入成本較高。

通過對這2種組網方式進行對比，筆者建議采用光交換機組自愈環網方式，因此應選方案2。

3 結語

隨著人們生活水平的提高，對用電質量的要求也越來越高，安全輸電成為一個非常重要的問題。在城市電網中，架空輸電線路存在著越來越多的問題，對居民的生活和城市交通造成了很大影響，因而通過電力隧道進行高壓電纜輸電成為一種更好的選擇。為了電力隧道電纜的安全運行和維護人員的安全，需要對電力電纜隧道進行視頻及環境監控。本文分析了當前最為流行的2種網絡結構并進行對比，最后得出了最佳網絡結構方案：采用光交換機組成自愈環網。