EPON技術(shù)在配電自動(dòng)化及智能化中的應用研究

摘要：配電通信網(wǎng)絡(luò )是保證配電網(wǎng)安全運行的重要系統，是配電自動(dòng)化及智能化運行的核心部分。為了提高配電網(wǎng)運行的安全性及可靠性，本文針對EPON技術(shù)在配電系統中的應用情況進(jìn)行了分析。首先，對配電自動(dòng)化智能系統和EPON系統的特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)分析，提出了基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)建設需求分析及組網(wǎng)構架原則，設計了一種基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)通信技術(shù)方案。針對該方案進(jìn)行了性能分析，并以工程實(shí)例進(jìn)行了性能驗證，結果表明，EPON技術(shù)的運用有效提高了配電自動(dòng)化及智能化運行的安全性及可靠性。

引言

　　隨著(zhù)配電網(wǎng)信息通信智能化與現代化的快速發(fā)展，配電網(wǎng)的安全及穩定運行不得不面臨嚴峻的挑戰?；诎踩煽康耐ㄐ畔到y，配電自動(dòng)化系統才能實(shí)現數據的傳輸，以保證控制中心與終端采集數據的同步性與可靠性?；谝蕴W(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(EPON)作為一種點(diǎn)對點(diǎn)結構的單纖雙向光接入技術(shù)，具備可靠性強、安全性高、經(jīng)濟性及擴容能力好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地用于保證配電網(wǎng)數據安全傳輸過(guò)程。

　　全面實(shí)現配電網(wǎng)自動(dòng)化及智能化需要構建安全、可靠、高效、經(jīng)濟的配電網(wǎng)通信系統。20世紀80年代初，PON技術(shù)^[1]用于電力通信網(wǎng)構架建設中，該技術(shù)網(wǎng)絡(luò )構架與配電網(wǎng)結構天然匹配，但是，PON技術(shù)的成熟度欠缺，無(wú)法更好的滿(mǎn)足帶寬與安全性能的需求。2005年，基于以太網(wǎng)的EPON技術(shù)^[2]走向成熟，具備良好的組網(wǎng)可靠性與帶寬分配能力，在國際上被廣泛使用。GPON[3]雖然具備更好的帶寬，但是經(jīng)濟要求較高，性?xún)r(jià)比不高，還未達到廣泛使用的要求。

　　本文結合實(shí)際配電網(wǎng)智能化及自動(dòng)化建設項目，著(zhù)重進(jìn)行EPON在配電網(wǎng)建設中的需求分析，討論EPON的技術(shù)特點(diǎn)，給出基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)組網(wǎng)方案。

1 配電智能化結構分析

　　智能配電網(wǎng)要求實(shí)現配電網(wǎng)運行監控、操作及應急處理功能，對配電網(wǎng)通信系統的安全性、可靠性及高效性提出了更高的要求。

1.1 配電自動(dòng)化系統

　　配電自動(dòng)化系統^[4]主要組成部分為：配電主站、配電子站、配電終端及通信信道。配電主站作為系統的功能核心，主要用于實(shí)現數據處理、存儲及人機交互等控制功能;配電子站主要完成配電SCADA、故障處理及信息收集功能;配電終端包含饋線(xiàn)終端(FTU)、配變終端(TTU)及遠方終端(RTU)，主要進(jìn)行開(kāi)關(guān)及配電變壓器設備的信息采集、處理與監控功能;通信信道是連接配電自動(dòng)化系統各個(gè)部分的紐帶，實(shí)現信息的傳輸。

1.2 智能配電網(wǎng)數據傳輸

　　智能配電網(wǎng)數據傳輸主要包含以下內容：

　　(1)配電自動(dòng)化系統的數據采集。主要包含配變、故障信息、配電終端狀態(tài)、儲能信息及通信信道狀態(tài)等信息數據的采集及上傳;

　　(2)配電自動(dòng)化系統的設備監控信息。主要包含配電網(wǎng)設備及周?chē)h(huán)境的運行監控信息等;

　　(3)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統的設備控制信號。主要包含配電網(wǎng)開(kāi)關(guān)的控制信息，用于實(shí)現配電網(wǎng)保護與遠方重合閘的運行控制;

　　(4)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統的查詢(xún)信息。如儲能情況、分布式電源及電網(wǎng)狀態(tài)信息的查詢(xún)。

2 EPON通信技術(shù)

　　IEEE802.3EFM研究組提出一種新興的寬帶接入技術(shù)，即基于以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )^[5](EPON)。該技術(shù)在鏈路層采用以太網(wǎng)技術(shù)，在物理層使用PON技術(shù)，通過(guò)PON技術(shù)的拓撲結構完成以太網(wǎng)的接入，具備帶寬較高、組網(wǎng)容易、便于用戶(hù)接入、可靠性及實(shí)時(shí)性高、安全性能優(yōu)良且不易受環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 EPON技術(shù)基本原理

　　EPON技術(shù)是一種點(diǎn)對點(diǎn)結構的單纖雙向光接入技術(shù)，主要由光線(xiàn)路終端(局端，OLT)、光網(wǎng)絡(luò )(用戶(hù)端，ONU)及光分配網(wǎng)絡(luò )(ODN)組成(如圖1所示)。

　　EPON系統通過(guò)OLT將數據以廣播下發(fā)的方式分別分給下掛的ONU，以實(shí)現一對多點(diǎn)的數據傳輸方式。ONU采用時(shí)分復用的方式將數據傳輸至OLT，在此傳輸模式下，實(shí)現了數據的全雙工雙向傳輸。

2.2 EPON技術(shù)的主要性能

　　對比常見(jiàn)的通信技術(shù)，即無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)、配電載波^[6]等，EPON技術(shù)具備以下優(yōu)勢：

　　(1)傳輸速度。EPON系統的帶寬較高，通?？梢赃_到1.25Gbps，甚至可以升級高至10Gbps，足以覆蓋信息傳輸業(yè)務(wù)的需求;

　　(2)安全性能。EPON系統上升使用TDMA技術(shù)，用戶(hù)端ONU可以實(shí)現時(shí)隙傳輸數據的功能，避免數據干擾的發(fā)生?；谌財_動(dòng)及AES128加密技術(shù)，EPON系統可以實(shí)現采用動(dòng)態(tài)更新密鑰以阻止惡意攻擊的發(fā)生;

　　(3)可靠性能。作為無(wú)源系統，EPON從源頭上阻止電磁及雷電的干擾。ONU設備采用并聯(lián)接入的方式，如發(fā)生部分中斷或損壞，不會(huì )影響其他ONU設備進(jìn)行正常運行。該系統同時(shí)采用1+1保護機制，極大提高網(wǎng)絡(luò )的可靠性;

　　(4)擴容能力。EPON系統基于點(diǎn)到多點(diǎn)的構建方式，增加終端用戶(hù)時(shí)，只需更改光分路器，無(wú)需中斷數據傳輸業(yè)務(wù);

　　(5)經(jīng)濟性能較好。EPON系統無(wú)需電子部件，維護費用較低，有利于節省長(cháng)期運行及維護、管理成本。

3 基于EPON的配電智能化網(wǎng)絡(luò )分析

　　配電智能系統的EPON系統主要承載配電網(wǎng)安全運行、電費計量及配電自動(dòng)化等關(guān)鍵數據的傳輸^[7]，因此，安全性是重要的影響因素。

3.1 配電智能系統對通信系統的需求

　　目前，配電網(wǎng)基本實(shí)現全光纖覆蓋，骨干傳輸層采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸的SDH光纖傳輸模式。為了保證數據傳輸的安全，對配電網(wǎng)通信系統應具備如下要求：

　　(1)安全性。配電系統傳輸的數據均為電力系統的重要數據，數據的安全性直接影響配電網(wǎng)的穩定運行，因此，通信系統必須具備有效阻止外界攻擊的能力。EPON技術(shù)采用無(wú)源的特點(diǎn)，有效保證數據傳輸的安全;

　　(2)可靠性。配電網(wǎng)運行過(guò)程中不免遭受外界及惡劣天氣的影響，一旦發(fā)生供電中斷，應該不能影響大面積供電情況。EPON系統中的ONU采用并聯(lián)接入的方式，不會(huì )影響其他ONU的運行，且EPON系統基于無(wú)源系統，不會(huì )受到雷電的干擾;

　　(3)業(yè)務(wù)能力。配電網(wǎng)傳輸數據量大，針對帶寬要求較高，EPON系統可以有效適應帶寬及時(shí)延的特點(diǎn)，同時(shí)支持各種主流接口，可以達到與配電設備實(shí)現無(wú)縫對接;

　　(4)可拓展性。配電系統的網(wǎng)絡(luò )規模需要根據地區的經(jīng)濟及供電狀況的變化進(jìn)行改變，EPON系統具備易拓展的特點(diǎn)，可以有效應用于配電智能系統中。

3.2 EPON技術(shù)在配電智能系統中的應用

　　配電網(wǎng)的構建以樹(shù)形組網(wǎng)方式(如圖2所示)為主，與EPON系統的組網(wǎng)模式天然匹配，結合EPON技術(shù)的特點(diǎn)與配電網(wǎng)的需求，EPON技術(shù)可以有效地用于配電自動(dòng)化及智能化系統中。

　　EPON網(wǎng)絡(luò )的接入根據配電網(wǎng)饋線(xiàn)結構進(jìn)行方案設計，通常具備兩種結構，即單光源輻射狀連接與手拉手環(huán)網(wǎng)連接方式。

　　(1)單光源輻射狀連接方式

　　輻射狀通信方式具備分段與分叉多、TTU分散的難點(diǎn)(如圖3所示)。該方式下，開(kāi)閉所/環(huán)網(wǎng)柜/分支箱出現多回路分段分叉情況，終端信息隨TTU分散。

　　(2)手拉手環(huán)網(wǎng)連接方式

　　手拉手環(huán)網(wǎng)通過(guò)主干線(xiàn)末端間進(jìn)行直接連接，實(shí)現開(kāi)環(huán)運行和閉網(wǎng)接線(xiàn)的特點(diǎn)(如圖4所示)。在該方式下，RTU根據環(huán)網(wǎng)柜/開(kāi)閉所進(jìn)行分別，接入至兩個(gè)配電子站中，針對主設備形成通信保護。

4 配電智能化方案實(shí)現

　　本文針對配電網(wǎng)自動(dòng)化工程某一實(shí)例進(jìn)行EPON接入構架設計及實(shí)例分析。

4.1 網(wǎng)絡(luò )構架

　　本系統采用分區自治的方式(如圖5所示)，將配電網(wǎng)分為多個(gè)區域，進(jìn)行獨立IP段分配，通過(guò)以太網(wǎng)交換機及路由器實(shí)現OLT的互聯(lián)。

　　基于該結構設計，網(wǎng)絡(luò )被劃分成接入層、匯聚層及交換層，結構清晰。多套OLT設備用于單一的IP段，并通過(guò)GE口實(shí)現2層互聯(lián)，快速實(shí)現樹(shù)狀鏈路。如果整個(gè)構架系統中的一部分設備發(fā)生變化，由于保持相對獨立的架構，因此，不會(huì )產(chǎn)生大面積互聯(lián)，進(jìn)一步提升了系統的穩定可靠性。

4.2 實(shí)例分析

　　某配電工程的鏈路測試記錄數據如表1所示，該段工程光纜長(cháng)4533米。

　　可見(jiàn)，該組網(wǎng)方式運行便利，可以實(shí)現分區自治的方案，不會(huì )受到其他區域的影響，且組網(wǎng)方法簡(jiǎn)單，更加安全可靠。

　　根據數據可知，該方案具備采用核心交換機及路由器處理數據的能力，提高了系統的運行速率，同時(shí)保證了配電通信系統的穩定可靠性。

5 結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)中信息傳輸的安全問(wèn)題也面臨巨大的挑戰，為了提高數據傳輸安全問(wèn)題，進(jìn)一步保證電力系統的安全可靠運行，本文將EPON技術(shù)運用到配電自動(dòng)化及智能化建設中。本文分析了配電網(wǎng)與EPON的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)討論了EPON技術(shù)可用于配電自動(dòng)化的需求分析，通過(guò)設計了一個(gè)基于EPON技術(shù)的配電網(wǎng)通信技術(shù)方案，驗證了該技術(shù)的運用可以有效提高配電網(wǎng)運行可靠性及安全性。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第51頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。