農村電網的雙平面緊耦合通信機制研究

徐 鑫 侯興哲 姜建倫

(重慶市電力公司電力科學研究院1，重慶 401123;重慶大學通信工程學院2，重慶 400044)

0 引言

在電網配用電系統建設中，智能電網需要實現用電信息、配電自動化等智能終端設備信息的實時傳輸。然而，農村配用電通信網絡存在建設成本高、維護難、可靠性低、安全隱患多等問題。為此，本文提出了采用光纖網絡和無線網絡雙平面緊耦合的通信機制。同時，在光纖網絡中，提出了以太網無源光網絡(Ethernet passive optical network，EPON)［1-2］和分組傳輸網絡(packet transport network，PTN)［3］無縫對接的通信機制，以適應農村配用電通信網絡信息節點多、用戶分散、業務量小等特點。該通信機制也支持農村配用電通信網絡的平滑演進。

1 現狀分析

相比城市配用電網絡，農村配用電網絡具有覆蓋范圍廣、用戶分散等特點。由于終端設備特殊的地理環境和分布分散的特點，農村配用電通信網絡存在建設成本高、維護難、可靠性低、安全性隱患多等問題。

現有適用于電力通信的通信技術主要有光纖通信技術和無線通信技術。前者具有帶寬高、可靠性好、容錯與自恢復能力低、單位成本高和維護困難等特點;而后者具有容錯與自恢復能力高、線路維護方便、單位成本低和可靠性差等特點。無論是光纖通信還是無線通信，都不能單獨地實現配用電終端設備與主站之間信息的實時、可靠傳遞。

綜上所述，本文提出了光纖網絡和無線網絡從終端設備側到主站側全程緊耦合的通信機制。在有效綜合無線網絡和光纖網絡優勢的基礎上，在光纖網絡中提出了EPON和PTN無縫對接的通信機制，以滿足電網業務隔離性高的要求。

在雙平面緊耦合機制的基礎上，本文還提出了通信網絡平滑演進策略，即建設初期以無線網絡為主，而以光纖網絡為輔;后期以光纖網絡為主，而將無線網絡作為光纖網絡的補充和備份。補充，即光纖網絡無法覆蓋的區域，采用無線網絡;備份，即在農村配用電通信網絡中對重要的節點做雙備份。

2 現有的電力通信技術

2.1 EPON 光纖網絡

根據設備是否有源，光纖網絡可以分為有源光網絡(active optical network，AON)和無源光網絡(passive optical network，PON)兩類。由于農村配用電通信網絡受傳輸設備供電、維護和建設成本等限制，因此組建農村配用電通信網絡時通常采用EPON技術［4］。

2.2 無線網絡

根據使用的技術標準不同，無線網絡可以分為IEEE 802.11、IEEE 802.16 和 2G/3G 蜂窩網絡(典型的有GSM)［5-6］三種。通用分組無線服務技術(general packet radio service，GPRS)是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，其通過基站廣域覆蓋，提供大范圍的數據傳輸服務。然而，由于建設和運行成本、對偏遠地區覆蓋能力、實時性和可靠性等原因制約了蜂窩網絡在農村配用電通信網絡中的作用。

以 IEEE 802.11 和 IEEE 802.16［7-8］為標準的WiFi和WiMAX無線通信技術，由于通信能力以及無線頻段資源等原因制約了它們的發展。電力系統現有的230 MHz無線通信網絡也由于頻段資源等原因限制了其網絡容量［4］。

2.3 PTN 技術

目前，PTN的代表技術包括T-MPLS和PBB-TE兩類。PBB-TE是PBB/IEEE 802.1ah標準規范的最新演進［9］。作為有源通信網絡，PBB-TE具有高實時性和可靠性，并支持大規模終端接入能力，成為目前電力通信中的新興技術。同時，它也滿足農村配用電通信網絡中信息節點多、業務類型復雜和業務流量小等特點，但難以支持無供電條件下的終端接入。

綜上所述，單一的通信技術均有其局限性。目前，農村配用電通信網絡多采用混合多種通信技術的建設策略。

3 緊耦合通信機制

3.1 緊耦合結構

現有電力通信混合組網技術均為主站側匯聚、終端側獨立組網的松耦合方式，即信息終端獨立地接入光纖網絡或無線網絡，不提供冗余通道的手拉手環網。本文所提出的農村配用電通信網絡雙平面緊耦合的通信機制由光纖網絡傳輸平面和無線網絡傳輸平面組成。雙平面緊耦合結構如圖1所示。其中，OLT(optical line terminal)表示光纜終端設備，ONU(optical network unit)表示光節點。

圖1中，光纖網絡平面由主站側 EPON設備(OLT、ONU)和PTN設備組成由主站到終端的樹狀拓撲，覆蓋主輸電線路和部分輸電支路到配變臺區。無線網絡平面由無線基站和無線終端組成蜂窩網絡，覆蓋全部輸電線路和終端。重要終端設備都配置有光纖接口和無線接口，以構成本文所提出的“異構手拉手”環網。

圖1 雙平面緊耦合結構Fig.1 Two plane tightly coupled architecture

3.2 緊耦合通信機制的特征

農村配用電網的雙平面緊耦合通信機制用來將兩種異構網絡融合成統一的通信網絡，其特征包括信息接口耦合和管理接口耦合等。

①信息接口耦合

當主站側OLT的光纖通道出現故障時，啟用無線網絡，以保護重要配用電終端設備信息的傳輸。

②管理接口耦合

主站側OLT的帶內網管通過光網絡平面實現，帶外網管通過無線網絡平面實現。當主站側OLT的光纖網絡出現故障時，利用無線網絡提供的帶外網管功能實現光纖網絡的設備管理。

4 光纖網絡與PTN無縫對接

EPON作為無源光網絡，具有良好的農村環境適應性和成本優勢，但由于其結構的固有特征，無法滿足終端設備眾多、業務類型復雜和業務流量小等實際通信的需求。本文提出了EPON與PTN的無縫對接方案，具體介紹如下。

①農村配用電終端設備的數據信息根據IEEE 802.3標準，封裝成數據幀;

②數據幀進入ONU之后，根據數據幀的業務類型或數據幀的目的MAC地址，采用IEEE 802.1Q封裝為不同的S-VID;

③帶有S-VID標記的數據幀進入PTN設備后，根據S-VID標記進行IEEE 802.1Q封裝。

圖2 數據幀的封裝過程Fig.2 Encapsulation process of the data frame

數據幀的封裝過程如圖2所示［10-11］。圖2中，VID為 VLAN ID;S-VID為 Sensor VID;B-VID為Backbone VID;I-VID為Instance VID。

通過這種無縫對接機制，實現了端到端連接網絡的同步傳遞以及農村配用電終端數據的匯聚、透傳和交換。

5 性能分析

在國家電網公司的農村電網重點通信科技項目和國家“863”計劃所開展的工程實踐中，主站側建設的由光纖網絡和無線網絡構成的異構手拉手農村配用電通信環網與其他在農村構建的光纖手拉手農村配用電通信環網的比較具體如下。

①成本分析

按如下公式，對比手拉手環網與本文提出的異構手拉手環網的建設成本。

光纖手拉手環網的單價計算公式為:

異構手拉手環網的單價計算公式為:

其成本分析對比如圖3所示。

圖3 成本對比Fig.3 Cost comparison

②可靠性分析

網絡設備供應商提供的設備性能參數如下:光纖線路誤碼率的數量級為10-9;OLT設備的可靠性為99.99%，并發數為4094×4094=16760836;ONU設備的可靠性為99%;無線線路誤碼率的數量級為10-6;無線基站設備的可靠性為99.999%。

單條鏈路的可靠性計算公式為:

光纖手拉手環網的可靠性計算公式為:

異構手拉手環網的可靠性計算公式為:

通過比較以上公式可以得出，在同等數量的終端設備條件下，異構手拉手環網和手拉手環網的可靠性相接近。

③安全性和可擴展性分析

在農村配用電網雙平面緊耦合的通信機制中，采用MAC-in-MAC封裝方式。該方式屏蔽了配用電終端設備網絡側的信息，解決了網絡安全性問題。此外，MAC-in-MAC封裝也具有清晰的層次化結構。在傳輸網設備的MAC幀頭中增加具有24 bit業務標簽I-TAG，理論上可以支持1600萬用戶，這從根本上解決了終端設備眾多、業務類型復雜、業務流量小以及管理困難等問題［6］。

④可維護性分析

在農村配用電網的雙平面緊耦合通信機制中，綜合帶內、帶外網絡管理方式，即帶內網管采用光纖網絡通道，帶外網管則采用無線通道，提高了設備的配置和管理能力。

6 工程實踐和平滑演進

某農村變電站的雙平面緊耦合通信機制工程圖如圖4所示。

圖4 通信機制工程圖Fig.4 Engineering drawing of the communication mechanism

圖4中，CPE(customer premise equipment)表示客戶終端設備。

在變電站架設EPON光網局端OLT，在10 kV輸電線路主線(有控制命令等重要信息節點的線路)架設電力光纖。在該主線配用變電站架設PTN和ONU設備，構建覆蓋該路主線的光配線網絡(optical distribution network，ODN)。

在變電站建設無線寬帶網絡基站，實現對該變電站片區的全覆蓋。在輸電主線上的配用變電站、聯絡開關等配用電終端設備上架設無線網絡接入終端。在重要配用電終端設備間建設雙備份通道，并配合綜合網管系統，實現光纖網絡和無線網絡的緊耦合。

在工程初期，配用電終端數量較少且以無線網絡為主，單位成本較低;在工程建設后期，建設以光纖為主的農村配用電通信網絡，無線網絡逐步作為光纖網絡的補充及備份。

7 結束語

本文在國家電網公司的面向農村電網的通信技術研究和應用試點項目中提出了農村電網的雙平面緊耦合通信機制。該機制將現有的光纖網絡和無線網絡技術相融合［12-18］，且在光纖網絡中采用EPON和PTN無縫對接機制，實現了電力信息處理與通信技術的緊密結合。同時，該機制也較好地解決了以往農村配用電通信網中出現的成本高、維護困難以及安全性差等問題。

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