無源光網絡和工業以太網在配電網通信建設中的技術比較研究

姜 念，宋 宇

（天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引 言

“十三五”期間，配電自動化和智能配電網成為國網公司配網建設的重點內容。而通信作為“感知-通信-控制”中的關鍵一環，是配電自動化和智能電網建設的重要內容。

光纖通信是配網通信的主要方式之一。文獻[1]規定了配網通信中光纖通信的使用范圍，文獻[2]對光纖通信應采取EPON和工業以太網的方式做了明確要求，文獻[3]研究了EPON在電力通信中的應用，文獻[4]研究了工業以太網在電力通信中的應用。由于配電網通信建設的具體方案一直缺少相關規范、典型設計與參考文獻，同時電力系統又具有龐大、復雜、差異性及變化性的特點，因此設計人員在確定通信方案時較為困難。

本文以配電網對通信系統的要求為出發點，從實時性、可靠性、擴展性、適應性以及經濟性5個方面對EPON和工業以太網進行技術分析，并總結出兩種通信方式的適用范圍，供設計人員在方案決策時應用。

1 配電網對通信系統的要求

國網公司先后于2009年、2010年及2012年集中開展了3批配電自動化試點工程，建設過程中積累了很多經驗，但是依然存在標準體系不完善等問題。文獻[5]對電力傳輸網的指標做了明確規定，但缺少配電網對應接入網的標準要求，而文獻[6]僅對不同配電業務信息的實時性做了要求。根據配電網的特點和自動化要滿足的功能需求，配電網對通信系統的要求可以歸納為以下5個方面。

一是實時性。配電網通信主要用來傳遞開關、負荷或分布式電源等設備的狀態信息、運行參數以及動作控制命令，這些數據點多面廣，具有嚴格的時效性，要求通信系統具有高速傳遞效率。二是可靠性。配電網設備通常放置在戶外，工作環境復雜，且電力作為重要能源與人們的生產生活息息相關，因此通信系統要具有高度的可靠性。三是擴展性。根據負荷發展與供電可靠性的需求，配電網的規模和結構會不斷發生變化，配電自動化通信的建設是一項長期系統的過程，通信系統需具有靈活的擴展性。四是適應性。配電網規模、結構與環境多種多樣，通信設備部署與電力設備趨于同一點，通信線路的敷設也可以利用電力線路廊道，通信系統組網需適應各種配電網結構。五是經濟性。配電網規模龐大，終端采集量大、面廣且地理位置相對分散，通信系統建設要在保障通信質量的同時最大程度降低投資成本。

2 EPON與工業以太網技術比較

2.1 實時性比較

2.1.1 EPON

EPON是一種采用點到多點結構的單纖雙向光接入網絡，其典型結構如圖1所示。

圖1 EPON系統結構

EPON通信系統由中心側的光網絡終端（Optical Line Terminal，OLT）、用戶側的光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）以及光纖分配網絡（Optical Distribution Network，ODN）組成。EPON采用了波分復用技術在一根纖芯上進行上行和下行兩個方向的信息傳送。下行方向采用廣播的方式，OLT發送信號通過ODN到達每個ONU，目的ONU進行選擇接收。上行方向采用申請—授權機制，數據到達ONU后先保存在緩沖區，ONU周期性的向OLT發出傳送申請，OLT授權并給每個ONU分配時隙，ONU在分配的時隙上傳數據至OLT。在EPON網絡通信中，信息由一個終端發送至另一個終端，通信延時可分為上行延時、OLT處理轉發延時以及下行延時。PON通信延時示意如圖2所示。

圖2 EPON通信延時示意圖

其中，上行延時為：

式中，Tw為從數據到達ONU緩存到ONU上傳時隙的等待時間；Ti為從時隙開始到數據被完全發送的時間；Tp為數據在光纖中傳輸到達OLT的時間。Tw與數據到達ONU的時間有關，如果數據在ONU的發送時隙內到達則無需等待，立刻傳輸，此時Tw=0。如果數據在ONU的發送時隙前到達則需要等待，等待的最長時間為：

式中，Tc為輪詢周期時間；Tx為該ONU分配的時隙長度。

對于主流的OLT設備，輪詢周期為2 ms。EPON網中同一光纖下允許接入的最大ONU數為8個。假設EPONE采取靜態時隙分配的方式，每個ONU分配的時隙大約為0.25 ms，那么其延時最大約為1.75 ms。

Ti與ONU一個時隙里上傳數據的多少及數據的優先級有關，一般認為三遙信息具有最高優先級，可在分配到時隙時優先發送，此時Ti可忽略不計。Tp與ONU和OLT之間的光纖距離有關，EPON傳輸半徑最長可達20 km。按最遠傳輸距離20 km考慮，光纖的傳輸延時按照5 μs/km計算，則光纖傳輸最大延時為 100 μs。

OLT的授權和處理轉發時間一般為微秒級，可以忽略不計。下行延時是從數據到達OLT到ONU收到數據再送出的這段時間，大約是下行的光纖傳輸時間加上ONU的處理時間。ONU的處理時間與芯片處理速度有關，一般為微秒級，可忽略不計，因此下行延時主要來自光纖傳輸延時。按最遠傳輸距離20 km考慮，光纖傳輸延時為100 μs。由以上結果估算可知，EPON中信息從一個ONU發送到另一個ONU總的最大延時約為1.95 ms。

2.1.2 工業以太網

工業以太網中信息需經過兩個節點間的交換機轉發才能到達目的端。根據測算，數據流每經過1個百兆工業以太網交換機帶來的時延和抖動為120 μs，設兩個變電站間一個環網中有n個節點，則兩個節點間的最大通信需經過n/2+1個交換機的轉發。工業以太網光纖的最大傳輸距離可達到100 km，傳輸延時為0.5 ms，總延時為：

實際工程中，兩個變電站間一個環網節點數有限，一般不超過20個，則總延時最大值約為1.82 ms。

2.2 可靠性比較

通信系統的可靠性跟設備本身可靠性和冗余配置有關，而冗余配置取決于通信系統的拓撲結構，下面從設備本身可靠性和系統拓撲結構兩方面進行可靠性的比較。

2.2.1 設備本身可靠性

EPON與工業以太網以光纖為傳播媒介，屬于有線信道，通信質量不受天氣、地形以及電磁干擾等的影響。EPON網帶寬為1.25 Gb/s，除去20%開銷，可用帶寬約為1 000 Mb/s，假設一根光纖帶8個ONU，每個ONU分配帶寬約為125 Mb/s。現有主流工業以太網二層交換機帶寬達到155 Mb/s，交換機上下行采用不同光芯，一個交換機形成一個沖突域，可享受所有帶寬。EPON與工業以太網頻帶寬、信息傳輸量大、抗干擾性能好且誤碼率低。此外，EPON與工業以太網設備均采用工業級標準設計，能夠在惡劣環境下運行，使用壽命長。而且EPON與工業以太網技術均已發展多年，產品成熟穩定，可靠性高。

2.2.2 拓撲結構

電力通信系統中重要的信息需具備雙向通道，EPON與工業以太網均有符合要求的典型拓撲結構。

（1）EPON拓撲結構分析。“手拉手”雙鏈路結構是EPON在配網通信應用中最為常見的一種拓撲結構，具體如圖3所示。兩根光纖兩端各接入一臺OLT設備，一供一備，并在通信路由上形成兩個方向的通道。兩根光纜各級聯一個分光器至ONU，ONU配置雙PON口雙MAC物理地址，構成從OLT到光纖和分光器再到ONU的全鏈路雙冗余。冗余設備以熱備份的形式運行，當一臺設備發生故障時，冗余設備立即替代故障設備實現相同的功能，可以實現網絡的無縫切換。在冗余通道上，當OLT監測到光纖中斷時，可立即啟用備用光纖，形成無縫切換。當光纜中斷時，OLT設備可重新生成拓撲模型，故障段前和故障段后的ONU分別接入不同OLT設備運行，新拓撲生成時間小于50 ms。

圖3 EPON“手拉手”雙鏈路結構

（2）工業以太網拓撲結構分析。單環拓撲結構是工業以太網常用的拓撲結構，具體如圖4所示。交換機依次連接，頭尾交換機接入上聯節點交換機形成環，不同環之間由節點交換機相連形成相切環。環上節點的工業以太網交換機布放在終端位置，并通過以太網接口和配電終端連接。上聯節點的工業以太網交換機一般配置在變電站內，負責收集環上所有通信終端的業務數據，并接入骨干層通信網絡。

圖4 工業以太網環狀拓撲結構

工業以太網單環拓撲結構為信息提供了冗余通道，使網絡中兩個設備之間存在一條以上的通信路徑，某點網絡故障發生或一條路徑被破壞，數據仍然可以經由其他冗余路徑傳輸。

為了避免引起數據的廣播風暴，不允許存在環路。因此需要冗余管理協議對物理拓撲進行網絡配置，阻塞冗余的網絡并生成樹狀拓撲，使所有節點之間僅存在唯一的通信路徑。當系統發生故障時，冗余管理協議重新配置網絡的生成樹拓撲，恢復網絡通信。

2.3 擴展性比較

2.3.1 EPON擴展性

由于采用了以太網的技術，EPON在組網上繼承了以太網擴展性強的特點。其采用鏈式結構的組網方式，擴展方式如圖5所示。

圖5 EPON鏈式結構組網擴展方式示意圖

當光纜路徑上有新的終端接入時，新終端可直接級聯在光纖上，鏈式結構的分光器采用不等比分光，分光比一般為10:90。由于光衰的限制，每根光纖接入終端數不超過8個，超過8個時可利用預留光纖構成新的鏈路，以24芯光纜為例，考慮一供一備的情況，一根光纜可接終端數為96個。當光纜路徑周圍有新的終端接入時可以利用預留纖芯敷設新的路由，并將新的終端接入，從而形成新的鏈路。樹型結構組網擴展方式如圖6所示。

圖6 EPON樹型結構組網擴展方式示意圖

當光纜路徑上有新的終端接入時，新的終端可直接接入EPON網中。樹型結構的分光器采用等比分光，接入新的終端時若更換分光器則會改變原有分光比，影響下層網絡的光衰，此時需重新校核該網絡的光衰，若光衰校核不通過需接入預留的光纖。當光纜路徑周圍有新的終端接入時，可新建光纜就近接入網絡中。由于EPON的傳輸半徑不超過20 km，不管采用鏈式結構的組網方式還是樹型結構的組網方式，網絡擴展時的最大路徑都不能超過20 km。

2.3.2 以太網擴展性

采用環式結構的工業以太網，擴展方式見圖7。

圖7 工業以太網擴展方式示意圖

當光纜路徑上有新的終端接入時，新的終端可π接在原有環中，單環接入超過20個終端時可接入預留光纖形成新的環。工業以太網上下行采用不同的光纖，以24芯光纜為例，1根光纜可接終端數為240個。當光纜路徑周圍有新的終端接入時，可將現有環拆分為多個環（或新建環），在新接入終端可靠性要求不高時可接入現有環節點下一層級，構成環形樹型混合結構。采用樹型結構的工業以太網，擴展方式與EPON樹型結構類似，由于最大傳輸半徑不超過100 km，在擴展時工業以太網的可擴展范圍比EPON大。

2.4 適應性比較

配電網由變電站、電力線以及其他設備組成，EPON由局端設備OLT、傳輸媒介光分配網ODN以及用戶端設備ONU組成，工業以太網由匯聚交換機、光纜以及節點交換機組成。配電網、EPON及工業以太網在網絡結構上有著很大相似度。配電網結構按聯絡關系可分為多聯絡、單聯絡及輻射線路，多聯絡和單聯絡線路與EPON鏈式和工業以太網環式結構的匹配度高，而輻射線路與EPON和工業以太網樹型結構的匹配度高。當聯絡線路的主干線與分支線路上均有終端接入需求時，適合采用工業以太網環網樹型混合結構。根據國家電網配電自動化導則10 kV線路供電半徑的要求，原則上A+、A、B類供電區域供電半徑不宜超過3 km，C類不宜超過5 km，D類不宜超過15 km，E類供電區域供電半徑應根據需要計算確定。根據此導則要求，考慮線路聯絡點在線路末端，A+、A、B及C類供區通信距離少于20 km，適合EPON與工業以太網，C類與D類或D類以下聯絡線路以及E類輻射線路的通信距離均可能超過20 km，只適合工業以太網。

2.5 經濟性比較

在終端接入相同的情況下，無論采用EPON還是工業以太網組網，可以認為光纜的路由基本相同，光纜建設的投資也是相同的，投資差異主要取決于通信設備，其參考價格如表1所示。當網絡規模較小時，采用工業以太網組網經濟性較好，當網絡規模達到一定程度時采用EPON組網經濟性較好。

表1 通信設備參考價格

2.6 總 結

EPON和工業以太網在通信實時性上均能達到毫秒級，具有較高的可靠性。EPON“手拉手”鏈式結構全鏈路雙冗余可抗多點失效，在可靠性上優于工業以太網環網結構的通道冗余。EPON和工業以太網均能滿足配網通信的擴展需求，工業以太網較EPON組網更加靈活，擴展性更高。兩者組網結構與配電網結構匹配度高，工業以太網傳輸距離比EPON遠，使用范圍更廣。網絡規模較小時采用工業以太網組網經濟性較好，當網絡規模達到一定程度時采用EPON組網經濟性較好。

3 工程案列

以筆者參與的上饒市兩個工程為例，介紹配電網通信組網技術方案的確定。工程1采用了智能分布式饋線自動化模式，根據變電站綜合自動化通信體系的IEC61850協議，GOOSE報文對通信延時要求在4 ms內。光纜通信對象為線路分段聯絡開關終端與分布式光伏終端。工程所在地為B類供電區域，電網網架結構為多分段適度聯絡，一次電網已按目標網架建設成熟，光纜通信涉及變電站4座、10 kV線路18回以及終端155個。該工程光纜通信采用EPON“手拉手”鏈式結構，共新建光纜5回，通信設備投資7.51×105元，比采用工業以太網投資少8.4×104元。

工程2為高滲透率分布式可再生能源發電集群并網優化規劃設計、分布式電源靈活并網配套設備、儲能設備以及群控群調等的示范項目，以消除扶貧光伏大量接入對電網造成的影響。光纜通信對象為分布式電源及儲能設備終端，工程所在地為D類供電區域，網架結構為單輻射，線路供電半徑超過20 km，光纜通信涉及變電站兩座、線路兩回以及終端19個。該工程光纜通信采用工業以太網樹型結構，新建光纜5回，通信設備投資1.25×105元，比EPON網投資少1.89×105元。

4 結 論

作為成熟的光纜通信技術，EPON和工業以太網已廣泛應用于配電網通信建設，兩者既有共同點也存在差異。在進行配電網通信建設時，設計人員應根據電網的特點及項目要實現的功能，綜合衡量實時性、可靠性、擴展性、適應性以及經濟性等因數來選擇合適的技術方案。