礦區配電網自動化EPON通信的可靠性分析

趙元蘇 曹福凱 郭 蕊

(1.北京工業職業技術學院信息工程學院,北京 100042;2.華北理工大學冀唐學院,河北 唐山 063210)

隨著礦山企業生產技術的電氣化與智能化發展,礦區配電網自動化已成為礦區供電系統的關鍵技術。配電網自動化能夠保證礦區供電的可靠性與安全性,進而提升礦山企業的生產效率,降低運維成本[1-3]。在礦區配電網自動化中通信系統起著關鍵作用,其可靠性直接影響到配電網能否實現自動化運營。礦區工作環境相對惡劣,尤其在地下存在高溫高濕、電磁干擾嚴重等不利因素,而礦山的生產特點要求其通信網絡必須具有極高的可靠性。以太網無源光網絡(Ethernet Passive Optical Network,EPON)具有可靠性高、傳輸距離長、抗電磁干擾、拓展性強等優勢,目前已有越來越多的礦區采用EPON作為其配電網自動化的通信方式[4-6]。

對于配電網自動化中EPON通信可靠性已有相關學者進行了大量研究。文獻[7-11]分析了配電網自動化采用EPON通信的優勢并提出了具體的構網方案;文獻[12-16]研究了基于EPON的分布式配電網自動化,并通過分布式故障自愈技術提高了配電網的可靠性;文獻[17-20]從信息物理系統層面對基于EPON通信的配電網進行了可靠性評估。上述研究主要針對城市配電網中的EPON通信展開的,受到礦區特殊環境因素影響,礦區配電網自動化的通信場景更為復雜。因此,需要針對礦區環境下EPON通信的特殊結構,分析其可靠性,以便更好地滿足礦山企業的實際生產需求。本研究通過分析礦區災害強度、網絡覆蓋半徑等因素對不同EPON結構的影響,提出了礦區配電網自動化EPON通信的可靠性數學模型,可定量評估3種不同網絡結構EPON通信的可靠性,為礦山企業選用合適的網絡結構提供理論依據。

1 基于EPON的配電網自動化通信網絡

配電網自動化的EPON通信網絡一般可分為兩種拓撲結構:直線形結構和樹形結構。其中直線形結構組網較為簡單,如圖1所示。圖中,SDH表示數字同步體系(Synchronous Digital Hierarchy),OLT代表光線路終端(Optical Line Terminal),POS代表無源光纖分路器(Passive Optical Splitter),ONU代表光網絡單元(Optical Network Unit),DTU代表數據終端單元(Data Terminal Unit)。

圖1 配電網自動化中EPON通信結構示意Fig.1 Schematic of EPON communication structure in distribution automation

配電子站是配電網自動化EPON通信網絡中的起點與核心,其中包含可接收外部光網絡數據的SDH設備、交換機和OLT。OLT是EPON系統中的局端設備,可實現基于設備的網元管理和基于業務的安全管理和配置管理,進而實現對設備和端口的監測與管理,以及業務開通和帶寬分配等高級功能。OLT通過主干光纖將其信息發送給與之相連接的POS并接收該POS的信息,POS可通過支路光纖與ONU通信或通過聯系光纖與向下POS通信[10]。EPON系統中一個OLT的光纖通信半徑約為20 km,可以滿足配電網自動化需求[21]。

在評估配電網通信網絡的可靠性程度時,有效性是一個重要指標。通信網絡的有效性取決于平均故障修復時間(Mean Time to Repair,MTTR)和平均故障間隔時間(Mean Time between Failure,MTBF),具體計算公式[22]為

式中,tMTBF為網絡平均故障間隔,其值也等于故障率的倒數;tMTTR為網絡平均維修時間。

2 無冗余結構的礦區配電網自動化EPON可靠性評估模型

在礦區配電網自動化的EPON系統中,除了配電子站中的OLT位于地上,其余設備均位于地下。考慮到地下礦井中巷道分布較為分散,EPON通信網絡通常采用樹形結構,如圖2所示。

圖2 礦區配電網自動化EPON的樹形結構Fig.2 Tree structure of EPON in mining area distribution automation

由圖2可知:在樹形結構的通信網絡中,OLT與地下網絡中頂部的主POS直接相連,對于含有n個子樹的網絡,主POS通過聯系光纖L1、L2、L3、…、Ln與子樹中的POS相連。在樹形結構的EPON中,OLT被稱為樹的根節點,末端的ONU1、ONU2、ONU3、…、ONUi被稱為樹的葉子節點。

相較于一般的城市配電網自動化,礦區系統的特殊性在于更容易發生坍塌等災害,導致通信網絡中的節點和鏈路出現大范圍故障。因此,災害后網絡的生存性是評價礦區配電網自動化通信可靠性的重要指標。通信網絡的生存性是指網絡對災害引發的業務干擾和抵抗能力,即在災害發生后網絡中某些節點和鏈路在一定概率故障的情況下,網絡保持正常通信的概率。基于通信網絡的可靠性理論,EPON的生存型可用概率方法進行衡量。

災害發生后EPON通信出現故障的原因可分為節點故障和鏈路故障,節點故障是指通信網絡中OLT、POS和ONU等設備發生故障,鏈路故障是指通信光纖中發生故障。考慮到礦區災害強度與光纖發生故障之間的概率關系,設災害發生后發生的災害強度概率為k,災害均勻作用在礦區配電網自動化EPON光纖鏈路l上的故障概率為P(l)。當光纖鏈路l的分段長度ΔL無限接近于0時,在長度為ΔL的光纖中發生故障的概率可表示為

根據極限定理,礦區配電網自動化EPON光纖鏈路l發生故障的概率可進一步表示為

在礦區發生災害后,EPON光纖鏈路能夠保持正常通信的概率為

根據圖2所示的樹形結構礦區EPON,若地下巷道的通信網絡中含有n條光纖鏈路且任意光纖中發生故障的概率相互獨立,則當災害出現時,m段光纖鏈路發生故障的概率分布可表示為

式中,為從N個不同元素中取出i個元素的所有組合的個數;PS為一段光纖鏈路正常通信的概率。

設礦區發生災害后光纖鏈路Li能夠保持正常通信的概率為Pi,則此時礦區配電網自動化EPON能夠正常通信的概率ST(k)可表示為

式中,STi(k)為光纖鏈路Li的可靠性。

若樹形結構的礦區配電網自動化EPON中包含m個葉子節點,假設它們能夠在災后保持正常通信的概率為分別為P1、P2、…、Pm。假設EPON通信網絡的覆蓋半徑為L,且根節點到各個葉子節點的通信距離均勻地分布在0到L之間,則式(6)可進一步表示為

式中,P(ONUi)表示從OLT設備到葉子節點ONUi的通信網絡正常工作的概率。

根據上述分析,礦區配電網自動化的可靠性可以表示為

3 有冗余結構的礦區配電網自動化EPON可靠性評估模型

在礦區配電網自動化EPON系統中,位于地面配電子站的OLT和地下配電終端處的ONU發生故障后容易被修復,也可以通過增強節點設備的固有可靠性來增強通信網絡的可靠性,它們對EPON整體的可靠性影響較小;相比之下,POS以及光纖鏈路的故障難以被快速定位并修復,對EPON的可靠性影響較大[5]。由于礦區配電網發生災害的程度遠高于普通配電網,因此有必要通過增加EPON中光纖鏈路冗余度的方式提高通信網絡的可靠性。目前,礦區配電網自動化EPON中常用的冗余結構可分為樹形、雙環形和雙總線形。

3.1 樹形冗余結構

礦區配電網自動化的EPON通信中最常見的冗余結構為樹形冗余,如圖3所示。樹形冗余結構采用共享光纖分配電網(Optical Distribution Network,ODN)的方式實現網絡冗余備份設計。ODN由若干個POS、主光纖鏈路和分支光纖鏈路組成。在圖3中,實線代表主光纖鏈路,位于地面配電子站內的OLT設備通過多級POS和地下巷道中的各個ONU組成主鏈路;虛線代表后備光纖鏈路,OLT設備也可以通過后備光纖鏈路連接地下巷道中的全部POS和ONU。EPON的樹形冗余結構通過對OLT設備中的PON接口和ODN網絡的主干光纖鏈路進行冗余備份設計,通過雙光纖鏈路和雙份的POS進行連接。

圖3 礦區配電網自動化EPON的樹形冗余結構Fig.3 Tree structure of EPON with redundancy in mining area distribution automation

在樹形冗余結構的礦區配電網自動化EPON系統中,定義根節點R與OLT設備之間的距離為d,各個葉子節點ONUi到根節點R的距離l均勻分布于0～L。當礦區發生災害時,若只有一個光纖鏈路中的設備發生故障,顯然不會對具備冗余結構設計的礦區配電網自動化EPON系統造成影響,因此只需考慮主光纖與后備光纖鏈路中同時出現故障時對葉子節點ONUi通信造成的影響,此時從OLT設備到根節點R的通信網絡正常工作的概率為

從根節點R到葉子節點ONUi的通信網絡正常工作的概率為

在礦區發生災害時,從OLT設備到葉子節點ONUi的通信網絡正常工作的概率為

將(11)代入式(8)中,可得礦區配電網自動化采用樹形冗余結構設計時的可靠性為

3.2 雙環形冗余結構

礦區配電網自動化EPON通信網絡的環形冗余結構為共享光纖分配電網的雙環形結構,如圖4所示。雙環形冗余結構的EPON由一條主光纖鏈路和一條后備光纖鏈路組成雙鏈路冗余。在圖4中,主光纖鏈路沿逆時針方向連接OLT設備與地下巷道中的多個POS構成主環,各個葉子節點中的ONU通過附近的POS接入EPON通信網絡;后備光纖鏈路沿與主鏈路相反的方向連接OLT設備與地下巷道中的多個POS構成備用環。雙環形冗余結構設計保證了所有葉子節點中的ONU都能在EPON中實現冗余通信,當礦區發生災害導致某一鏈路完全失效時,對EPON中網絡覆蓋和平均路徑距離的影響較小;任意一個葉子節點發生故障時也不會影響其他葉子節點的正常通信。雙環形冗余結構的礦區配電網自動化EPON通信網絡可有效地保護通信鏈路的有效性,解決了傳統環形結構的光纖以太網在發生鏈路故障時的不足,可實現光纖鏈路的快速愈合,更好地提高EPON通信網絡的容錯能力。雙環形冗余結構雖然增加了通信網絡中節點度,但能夠明顯地提高礦區配電網自動化EPON的可靠性和容錯能力。

圖4 礦區配電網自動化EPON的雙環形冗余結構Fig.4 Dual-ring structure of EPON with redundancy in mining area distribution automation

對于采用雙環形冗余結構設計的礦區配電網自動化EPON通信網絡,在分析其可靠性時也應主要分析主光纖和后備光纖兩鏈路同時故障時對各葉子節點ONU通信的影響。假設在EPON的主光纖鏈路中,葉子節點ONUi距離中心節點OLT設備的距離為li,且各葉子節點到OTL設備的距離均勻分布在0～L范圍內,根據雙環形冗余結構的設計原則,在后備光纖鏈路中該葉子節點到OTL設備的距離l'i滿足:

為便于計算,定義環形鏈路中距ONUi最近的POS的距離同樣為d,該鏈路能夠正常通信的概率為

當礦區發生災害后,ONUi在主光纖鏈路和后備光纖鏈路中能夠正常通信的概率分別為

在采用雙環形冗余結構的網絡中,災害后ONUi能夠保持正常通信的概率可表示為

將(17)代入式(8)中,可得礦區配電網自動化采用雙環形冗余結構設計時的可靠性為

3.3 雙總線形冗余結構

礦區配電網自動化EPON通信網絡的雙總線形冗余結構也被稱為“手拉手”網絡,如圖5所示。該結構是由一條主光纖鏈路和一條后備光纖鏈路組合而成的雙總線形通信網絡。在圖5中,實線代表主光纖鏈路,位于地上配電網子站中的OLT設備通過多級POS與分布在地下巷道中的全部ONU依次相連;虛線代表后備光纖鏈路,該鏈路同樣始于OLT設備,但在地下巷道中它以與主光纖鏈路相反的方向通過多級POS與全部ONU依次相連。這樣的設計方法可以保證EPON中OLT設備和ODN終端間的光纖鏈路存在冗余備份,全部的光通道均具有雙光纖配置和多個無源分光器。實際運行中,主光纖鏈路和后備光纖鏈路分別通過兩組分光器與OLT和各ONU相連,互為備用。EPON通信網絡中雙總線形冗余結構的最大優勢是地下巷道中任意一處ONU產生故障時均不會對其余ONU造成影響,具備非常高的可靠性。

圖5 礦區配電網自動化EPON的雙總線形冗余結構Fig.5 Dual-bus structure of EPON with redundancy in mining area distribution automation

對于存在N個葉子節點的礦區配電網自動化EPON通信網絡,當采用雙總線形冗余結構時,為便于分析,近似認為各個葉子節點到根節點的距離符合均勻分布。發生礦區災害后,由于存在冗余配置,只需考慮主光纖鏈路和備用光纖鏈路同時存在故障時地下巷道內的各個ONU能否保持正常通信。與上一小節中分析的雙環形冗余結構類似,假設在EPON的主光纖鏈路中葉子節點ONUi到根節點的距離為li,則在后備光纖鏈路中該葉子節點到根節點的距離l'i同樣滿足式(13)。當礦區發生災害后,ONUi在主光纖鏈路和后備光纖鏈路中能夠正常通信的概率依然如式(15)和式(16)所示。發生災害后ONUi能夠維持正常通信的概率為

將式(19)代入式(8)中,可得礦區配電網自動化采用雙總線形冗余結構設計時的可靠性為

4 算例分析

通過對不同網絡結構的概率分析與近似計算,得到了可評估礦區配電網自動化EPON可靠性的數學模型。根據各個網絡結構的可靠性數學模型可以看出,礦區發生災害后EPON通信的可靠性與災害強度k、網絡覆蓋半徑L相關。然而,由于數學模型為含有指數運算的復雜模型,難以直接分析出可靠性與災害強度、網絡覆蓋半徑的具體關系,因此本研究利用MATLAB程序對不同網絡結構的可靠性進行算例編程計算。在計算時,定義OLT設備到根節點的距離d為單位長度且網絡覆蓋半徑L最大值為100。在本節中L對應的數值即為單位長度的倍數。

4.1 災害強度對不同結構EPON可靠性的影響

為研究災害強度對礦區配電網自動化EPON可靠性的影響,將網絡覆蓋半徑固定為10,此時設置災害強度變化范圍為0.1～1.0,不同網絡結構的EPON可靠性計算結果見表1。

表1 不同災害強度下各種網絡結構的可靠性Table 1 Reliability of various network structures under different disaster intensities

由表1可知:對于不同網絡結構,EPON的可靠性均會隨著災害強度增加而降低;另外,在災害強度相同的條件下,雙總線形結構可靠性最高,雙環形結構次之,樹形結構的可靠性相對另外兩種結構明顯更低。因此,在對通信網絡可靠性要求較高的礦區配電網自動化中,應優先采用雙總線形和雙環形結構的EPON。對比不同災害強度下雙總線形結構和雙環形結構的可靠性可以看出,當災害強度為0.1時,雙總線形結構的可靠性是雙環形結構的1.108 6倍;當災害強度為1.0時,雙總線形結構的可靠性可以達到雙環形結構的2.218 8倍,因此災害強度越高時雙總線形結構的可靠性優勢越明顯。

4.2 網絡覆蓋半徑對不同結構EPON可靠性的影響

為研究網絡覆蓋半徑對礦區配電網自動化EPON可靠性的影響,將礦區災害強度固定,并設置網絡覆蓋半徑從10到100變化。當礦區災害強度分別為0.1、0.5、0.9時,在不同網絡覆蓋半徑條件下各種網絡結構的EPON可靠性計算結果分別見表2至表4。

表2 災害強度為0.1時各種網絡結構的可靠性Table 2 Reliability of various network structures when the disaster intensity is 0.1

表3 災害強度為0.5時各種網絡結構的可靠性Table 3 Reliability of various network structures when the disaster intensity is 0.5

表4 災害強度為0.9時各種網絡結構的可靠性Table 4 Reliability of various network structures when the disaster intensity is 0.9

由表2至表4可知:當災害強度相同時,隨著網絡覆蓋半徑增加,不同結構EPON的可靠性均會下降。當災害強度為0.1、網絡覆蓋半徑為100時,3種EPON結構的網絡可靠性為覆蓋半徑為10時的15.81% ～ 21.87%;而當災害強度為0.5和0.9、網絡覆蓋半徑為100時,3種EPON結構的網絡可靠性僅為覆蓋半徑為10時的10%左右。因此,當災害強度越高時,網絡覆蓋半徑增加對EPON可靠性的影響越大。考慮到雙總線形結構的可靠性最高,對于網絡覆蓋半徑較長的礦區配電網應優先選用雙總線形結構的EPON通信網絡。

5 結 論

(1)研究了不同網絡結構下EPON通信的可靠性數學模型,計算結果表明:礦區配電網自動化的EPON通信網絡的可靠性與災害強度、網絡覆蓋半徑和網絡結構有關。

(2)當EPON網絡中單點發生故障時,無論是樹形、雙環形還是雙總線形冗余結構均具有極高的可靠性。當礦區發生災害時,EPON網絡的可靠性與災害強度和網絡覆蓋半徑有關,且二者的數值越高EPON通信網絡的可靠性越低。

(3)在相同災害強度和網絡覆蓋半徑條件下,采用雙總線形冗余結構EPON網絡的可靠性最高,雙環形冗余結構的可靠性次之,樹形冗余結構的可靠性最低。特別是在網絡覆蓋半徑較高的情況下,雙總線形冗余結構的可靠性優勢尤為明顯。因此,在條件允許的情況下,礦區配電網自動化的EPON通信網絡應盡量采用雙總線形冗余結構,以便更好地保護礦區生產安全,提高礦區生產效率。