基于Modbus/TCP的EPON配網自動化通信系統

劉 冉，莊紅山，汪凱威，於湘濤，黃 輝

（國網新疆電力調度控制中心，烏魯木齊 830092）

0 引言

目前，由于我國經濟的高速發展，對于電力能源供應的安全性和穩定性的要求逐步提高。隨著配電網信息通信智能化、自動化與信息化的飛速發展，配電網的安全通信問題以及能夠穩定地運行被提上日程[1～3]。配網通訊系統作為電力系統的核心部分直接對電力系統運行的可靠性、穩定性、安全性有著重要的影響[4～6]?；谝蕴W的無源光網絡（EPON）作為一點對多點結構的單纖雙向光接入技術，具備可靠性強、安全性高、經濟性及擴容能力好等優點，可以有效地用于配網自動化通訊系統，以保證配電網數據安全傳輸[7～9]。

為了緩解配電網建設的成本，減少配網自動化通訊的損耗，本文設計了基于無源光網絡（EPON）實現配網自動化通信的系統，采用Modbus/TCP通訊協議實現處理系統與其他系統的通訊，同時通過組網系統進行光功率損耗的通信試驗和測算[10～12]，證明基于EPON實現通訊組網系統方案的可行性，下文將進一步詳細說明。

1 配網自動化通信系統設計

配電自動化系統（Distribution Automation System）是電力系統中對配電網上的設備實施遠程、實時監控、控制、協調的集成系統[13～15]。常用的通信技術有工業以太網技術、無線專網技術，比如WIMAX、無線傳感技術等，本文為基于Modbus/TCP通訊協議實現配電設備的遠程通訊，并且基于EPON（以太網無源光網絡）技術配網自動化通信系統。Modbus/TCP通訊協議在OSI模型中屬于應用層。協議在基于EPON的配網自動化通信系統中，其主要的組成部分包含配電主站、配電子站、配電終端、通信信道等。如圖1所示。

配電主站是整個通信系統的功能核心，主要用于實現數據處理、存儲及人機交互等控制功能。同時，配電主站還能夠進行配電SCADA、故障處理及信息收集。在配電終端，其通常包含饋線終端（FTU）、配變終端（TTU）及遠方終端（RTU），能夠實現開關、配電變壓器設備的信息采集、處理與監控。通信信道能夠連接配電自動化系統各個部分的紐帶，以便實現信息的傳輸。EPON自動化通信系統包含光線路終端（OLT）、光分配網絡（ODN）和用戶側光網絡單元（ONU）。其中光分配網絡（ODN）包含有光纖和無源光分路器，進行光通信的光通道介于OLT和ONU之間，在該通道中進行分發下行信息數據，同時將上行信息數據聚合起來，能夠實現光信號功率分配、波長復用。EPON通過波分復用技術能夠柔性處理雙向信息傳輸數據，并且能夠將下行數據聚集到中心局端OLT。

圖1 配網自動化通信系統架構示意圖

EPON技術的應用范圍比較廣，通常應用在單模光釬介質敷設式的光纜中，數據傳輸速度快，且效率高。在多種組網結構中可組合使用，其通信系統結構操作方便、快捷。在系統的組網結構數據傳輸中，其存在多種形式，比如鏈形、星形、樹形、環形、總線型等。其接入的基本架構如圖2所示。

圖2 配電網通信接入網基本架構

2 基于EPON 技術的研究

2.1 EPON 技術原理

EPON 技術用于將業務節點接口之間連接起來，采用其內部的Modbus/TCP通訊協議標準，利用一點到多點的單纖雙向光接入技術結構，采用無源光纖通信傳輸的技術方式，經由以太網，提供不同的業務，使用戶的網絡接口與用戶的設備連接起來，實現信息的互連、互通。其原理架構如圖3所示。

圖3 EPON原理結構示意圖

EPON大體上由ONU、ODN和OLT組成，其中OLT為EPON內的關鍵部件，其主要作用是發送ONU廣播數據、分配寬帶等，在使用時，通常將OLT設置在中心機房。而ODN是一點對多點的結構特征或通信特征，在ODN中，通過1：N的無源分光器將信息數據分配到PON中的各個ONU單元。則來自不同的ONU的多種業務信息各自獨立、互不干擾地通過ODN內設置的1：N無源分光器，然后共同耦合到相同的光纖上，最后信息被輸出至位于局端OLT的接收端。通常其可利用樹狀形、環形、總線型、等互聯方式實現各個點之間的信息互聯。ODN還可使用以太網通信網絡實現協議通信，實現數據的全雙工雙向傳輸。傳輸速度可達1.25Gbps～10Gbps，能夠滿足覆蓋信息傳輸業務的需求。

2.2 EPON通信協議

EPON技術可以理解為是一種寬帶綜合接入網絡技術，按照網絡分層協議，可以將EPON劃分到ISO/IEC OSI第二層協議，EPON的通信協議的依據標準為Modbus/TCP通訊協議，Modbus/TCP通訊協議是運行在TCP/IP協議上的Modbus報文傳輸協議?？刂破鞅舜酥g通過該協議能夠實現和其它設備的通信。Modbus/TCP屬于開放型的協議，在工作時間，向Modbus/TCP協議向TCP賦予端口號碼，Modbus/TCP在傳輸過程中，采用TCP/IP的以太網模型進行參考，圖4為顯示其5層的模型架構示意圖。

圖4 Modbus/TCP模型架構示意圖

Modbus通信協議棧如圖5所示。

圖5 Modbus通信協議棧

EPON技術采用上述通訊方式實現信息的傳遞，在鏈路層中，其采用以太網通信方式，如圖6所示。

在物理層中，其采用PON技術，借助于PON的拓撲架構進行接入以太網，采用100BASE的以太PHY，通過MAC控制命令來實現優化、控制各光網絡單元（ONU）、光線路終端（OLT）之間突發的數據通信以及實時的TDM通信，從而實現網絡信息的交互。在EPON網絡中，在不同的ONU接入系統中，其大部分是采用時分的方式，使OLT和ONU在通信過程中實現信息同步。在MAC控制子層中，通過MPCP通信消息、狀態機、定時器來控制、訪問P2MP的拓撲架構，進而實現OUN發送的時隙分配、動態帶寬分配等。在通信過程中，EPON按照Modbus/TCP協議的規定，使得包長可以變至高達1518字節來進行傳送數據。在通信協議的第二層中，EPON借助于TDM，使用健全的以太技術/全雙工技術，使光信息數據精確地傳輸到用戶終端。通過該通信協議，組網容易、可靠性強、實時性高。

圖6 EPON通信結構示意圖

3 通信測試

在廣西電網有限責任公司防城港供電局，按照上述方案進行組網測試。在組網測試中，以配網調、110kV變電站作為測試點，首先選擇通信匯聚節點，其分別為A區、B區、C區、D區、E區、F區、G區、H區變電站。將這些地區作為區域配電通信網的核心層。然后，再選配網調主站，其作為整個配網系統的監控中心，在配網調主站內安裝2臺光纖以太網交換機，用于實現配電信息的采集、計算、處理。然后再在每個區安裝OLT設備6～10臺，按照圖3的連接方式進行試驗。

圖7 測試結構示意圖

在上述試驗中，供電系統大體上采用就地取電的方式供電，開閉所、配電室、計算終端采用交流220V電壓供電，配網調、110kV變電站采用-48V電壓進行供電，柱上開關及環網柜采用-24V供電等。在通信時采用上述介紹的方式，利用上文介紹的一點對多點的結構，采用無源光纖進行數據通信，通過以太網提供各種不同的業務，在本文試驗時，得出測試數據如表1所示。

表1 通信試驗數據表

通過上述試驗，在采用上述同樣硬件，在不采用EPON技術的情況下，再次進行信息通信測試。通過測試，最后得出光功率損耗百分比如表2所示。

表2 光功率通信損耗對比表

通過上述通信試驗，基于IEEE802.3通信協議的EPON技術能夠大大減少光線路的衰減率。能夠滿足光通信冗余要求，測試結果表明，基于EPON的通信系統使得光功率損耗百分比大大降低，所提出的EPON通信系統具有較好的合理性和可靠性。使得系統的整體運行效率得以提高。

4 結語

本文通過采用EPON技術實現配網自動化通信，通過將一點到多點作為通信的基礎結構，實現了多個終端用戶服務，并且定義了新型的、應用于EPON系統的物理層的通信協議規范和擴展的以太網數據鏈路層協議，便于在點到多點的PON中以太網幀的TDM接入。通過在廣西電網有限責任公司防城港供電局內選擇七個不同的區域進行通信試驗測試，測試結果表明本系統方案具有實時性強、傳輸速率快、數據吞吐量大、光損耗低等優點。