魏 勇 宋小會(huì) 許偉國(guó) 李俊剛

（1.許繼電氣股份有限公司, 河南 許昌 461000；2.浙江省電力公司紹興電力局, 浙江 紹興 312000）

智能電網(wǎng)技術(shù)是世界電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)，是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動(dòng)向，電網(wǎng)智能化已成為世界范圍內(nèi)能源和電力行業(yè)發(fā)展的必由之路，智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)被提升到國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的高度。國(guó)家電網(wǎng)公司提出了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃，并規(guī)劃“十二五”期間新建智能變電站 5000座，“十三五”期間新建智能變電站7700座[1]。

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)結(jié)點(diǎn)，是智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、互動(dòng)化、自動(dòng)化、智能化的支撐，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是智能變電站的核心技術(shù)之一，目前智能變電站主要采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行通信系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)，工業(yè)交換機(jī)相對(duì)普通交換機(jī)價(jià)格高昂，據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的智能變電站，僅工業(yè)交換機(jī)部分的成本幾乎和整個(gè)變電站二次保護(hù)控制設(shè)備成本相當(dāng)，甚至更高。著眼于未來(lái)將要建設(shè)的上萬(wàn)座智能變電站，尋求一種與采用工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)相比更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的通信方案，值得探討和研究。

EPON（Ethernet Passive Optical Network）以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種光纖接入網(wǎng)技術(shù)[2]，在廣電行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，在電力系統(tǒng)的配網(wǎng)[3]和用電業(yè)務(wù)領(lǐng)域有成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，如浙江海鹽基于EPON的配網(wǎng)應(yīng)用、江西瑞昌基于EPON的用電信息采集應(yīng)用?；?EPON和 OPLC（Optical Fiber Composite Low-voltage Cable）光纖復(fù)合低壓電纜的電力光纖入戶技術(shù)在智能小區(qū)及智能家居、電動(dòng)汽車充換電站、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景，EPON通信技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用將是未來(lái)一段時(shí)間的研究熱點(diǎn)。

智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)于全站保護(hù)控制功能的可靠實(shí)現(xiàn)具有重要的意義，本文對(duì)智能變電站過(guò)程層通信系統(tǒng)的采樣值SV傳輸及GOOSE傳輸機(jī)制進(jìn)行了分析，提出在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用EPON技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，搭建模擬測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)年P(guān)鍵性能指標(biāo)SV離散度及GOOSE時(shí)延進(jìn)行了測(cè)評(píng)[4]，為便于對(duì)比分析，還給出了現(xiàn)階段智能變電站過(guò)程層組網(wǎng)所采用的工業(yè)以太網(wǎng)方案的測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

1 業(yè)務(wù)分析

1.1 通信應(yīng)用要求

智能變電站采用IEC 61850作為全站唯一的通信及建模標(biāo)準(zhǔn)，各種功能應(yīng)用都依賴于網(wǎng)絡(luò)。保護(hù)功能（包括采樣值傳輸，跳閘動(dòng)作等有嚴(yán)格時(shí)限要求的環(huán)節(jié)）的實(shí)現(xiàn)借助于站內(nèi)過(guò)程層通信網(wǎng)絡(luò)，因此，智能變電站過(guò)程層通信網(wǎng)絡(luò)必須具備較高的實(shí)時(shí)性能。依據(jù)IEC 61850的要求，過(guò)程總線上的電流、電壓互感器與保護(hù)、測(cè)控單元之間的實(shí)時(shí)電壓電流采樣值和保護(hù)單元發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備的保護(hù)跳閘 GOOSE信號(hào)的信息傳輸時(shí)間需求最緊急，信息傳輸時(shí)間應(yīng)小于 2ms；保護(hù)單元之間的保護(hù)閉鎖GOOSE信息具有較高的傳輸速率，通常信息傳輸時(shí)間為 2～10ms，同步相量測(cè)量信息的傳輸時(shí)間可以大于10ms，合并單元發(fā)送采樣值SV的離散度要求偏差在+/-10μs內(nèi)（參見(jiàn)《國(guó)網(wǎng)智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》6.4.4：MU采樣值發(fā)送間隔離散值應(yīng)小于 10μs）[5]。

1.2 通信應(yīng)用現(xiàn)狀

智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)現(xiàn)階段主流采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，能滿足過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信的業(yè)務(wù)需求，但存在價(jià)格昂貴、服務(wù)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，且這些產(chǎn)品基本都從國(guó)外進(jìn)口，從智能變電站安全運(yùn)行的角度考慮存在安全隱患。

2 EPON及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)對(duì)比分析

EPON通信技術(shù)屬于PON系列技術(shù)應(yīng)用最廣泛的一種，由IEEE802.3提出，它將以太網(wǎng)技術(shù)與PON技術(shù)結(jié)合起來(lái)，物理層采用PON技術(shù)，鏈路層采用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入。其目標(biāo)是用最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的吉比特以太網(wǎng)光纖接入系統(tǒng)。其消除了ATM和SDH層，降低了初始成本和運(yùn)行成本，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)展和維護(hù)，與現(xiàn)有的以太網(wǎng)兼容、管理方便等優(yōu)點(diǎn)。

EPON 系統(tǒng)主要由 OLT（光線路終端），ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元），ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)）三部分組成，采用數(shù)據(jù)復(fù)用的通信方式，利用WDM（波分復(fù)用）技術(shù)實(shí)現(xiàn)單纖雙向傳輸，上行數(shù)據(jù)流采用TDMA（時(shí)分復(fù)用）技術(shù)，下行數(shù)據(jù)流采用廣播技術(shù)。

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在以太網(wǎng)原有的速率高、兼容性強(qiáng)、成本低、標(biāo)準(zhǔn)性好等優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，加入了工業(yè)化設(shè)計(jì)，主要指對(duì)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的支持和工業(yè)環(huán)境工況的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，現(xiàn)階段是智能變電站過(guò)程層所采用的唯一通信技術(shù)。

3 智能變電站過(guò)程層EPON應(yīng)用測(cè)試

為了驗(yàn)證EPON通信平臺(tái)是否適用于智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)三網(wǎng)合一模式和國(guó)網(wǎng)直采直跳組網(wǎng)模式分別進(jìn)行EPON系統(tǒng)應(yīng)用于過(guò)程層的性能測(cè)試。

測(cè)試設(shè)備包括用于發(fā)送采樣值SV的合并器（下面簡(jiǎn)稱 MU）若干臺(tái)，用于模擬網(wǎng)絡(luò)背景數(shù)據(jù)的FLUKE網(wǎng)絡(luò)報(bào)文發(fā)生儀一臺(tái)，用于模擬GOOSE報(bào)文的NPI測(cè)試工具一套，EPON設(shè)備一套，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)一套（采用羅杰康設(shè)備），中元華電網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄及分析儀一套。

3.1 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文抖動(dòng)測(cè)試

為便于比對(duì)分析，首先對(duì)合并器發(fā)送采樣值SV的離散度均勻性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試案例如圖1所示。

測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，MU發(fā)送SV的離散度偏差在+/-5μs之內(nèi)，滿足智能變電站對(duì)SV離散度的要求。

接下來(lái)再將MU發(fā)送的采樣值SV經(jīng)過(guò)工業(yè)交換機(jī)后的離散度均勻性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試案例如圖 3所示。

測(cè)試結(jié)果如圖4～5所示。圖4是MU經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)送2組SV的離散度偏差曲線，圖5是MU經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)送8組SV的離散度偏差曲線。

從圖4可以看出，MU經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)后發(fā)送2組SV的離散度偏差基本在+/-5μs之內(nèi)，發(fā)送8組SV（MU在實(shí)際應(yīng)用中，一般都少于8組）的離散度偏差基本在+/-10μs之內(nèi)，這說(shuō)明工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的抖動(dòng)和時(shí)延非常小，滿足智能變電站對(duì)SV離散度的要求。

圖1 MU直接發(fā)送采樣值離散度測(cè)試方案

圖2 MU直接發(fā)送采樣值離散度測(cè)試結(jié)果

圖3 MU發(fā)送采樣值經(jīng)交換機(jī)后離散度測(cè)試方案

圖4 MU發(fā)送采樣值經(jīng)交換機(jī)后離散度測(cè)試結(jié)果1

圖5 MU發(fā)送采樣值經(jīng)交換機(jī)后離散度測(cè)試結(jié)果2

接下來(lái)進(jìn)行MU經(jīng)EPON通信系統(tǒng)（ONU、分光器、OLT）后離散度均勻性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試案例如圖6所示。

測(cè)試過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄及協(xié)議分析儀出現(xiàn)頻繁報(bào)超時(shí)現(xiàn)象，相鄰兩幀 SV的最大間隔為1424μs，最小間隔為 28μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 250μs理論值。不滿足SV離散度要求。

測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

3.2 單個(gè)ONU壓力測(cè)試

EPON測(cè)試系統(tǒng)ONU設(shè)備的3個(gè)以太網(wǎng)口接入3個(gè)MU，每個(gè)MU發(fā)送2組SV采樣值，同時(shí)利用FLUKE網(wǎng)絡(luò)分析儀給ONU的第四個(gè)以太網(wǎng)口施加50M b/s的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，分別模擬長(zhǎng)度為 256、1276字節(jié)長(zhǎng)度的兩種報(bào)文，測(cè)試案例如圖8所示。

圖6 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后離散度測(cè)試方案

圖7 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后離散度測(cè)試結(jié)果

圖8 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后壓力測(cè)試方案

測(cè)試過(guò)程中，未出現(xiàn)報(bào)文丟幀現(xiàn)象，但網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄及協(xié)議分析儀出現(xiàn)頻繁報(bào)超時(shí)現(xiàn)象，相鄰兩幀 SV的最大間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 250μs理論值。不滿足SV離散度要求。

測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

3.3 分光器接入多個(gè)ONU壓力測(cè)試

EPON測(cè)試系統(tǒng)分光器接入4個(gè)ONU設(shè)備，每個(gè)ONU的以太網(wǎng)口接入1個(gè)MU，每個(gè)MU發(fā)送2組SV采樣值，測(cè)試案例如圖10所示。

測(cè)試過(guò)程中，未出現(xiàn)SV報(bào)文丟幀及假同步現(xiàn)象，但網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄及協(xié)議分析儀出現(xiàn)頻繁報(bào)單組SV接收超時(shí)現(xiàn)象，相鄰兩幀SV的最大時(shí)間間隔為1483μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于250μs理論值。不滿足SV離散度要求。

3.4 單幀GOOSE報(bào)文時(shí)延測(cè)試

首先，測(cè)試單幀 GOOSE報(bào)文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)后的通信時(shí)延，測(cè)試方案如圖11所示。

同一幀 GOOSE報(bào)文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)后，分別從A、B兩個(gè)網(wǎng)口被網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄及分析儀捕獲，并打時(shí)間標(biāo)簽，一幀變位 GOOSE報(bào)文測(cè)試時(shí)間標(biāo)簽的差如圖12所示，偏差值時(shí)間單位μs。

圖9 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后壓力測(cè)試結(jié)果

圖10 MU發(fā)送采樣值經(jīng)EPON后壓力測(cè)試方案2

圖11 GOOSE經(jīng)交換機(jī)后時(shí)延測(cè)試方案

圖12 GOOSE經(jīng)交換機(jī)后時(shí)延測(cè)試結(jié)果

從圖12可知工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的GOOSE傳輸偏差值大致在6.5μs，很好地滿足了智能變電站過(guò)程層通信傳輸?shù)膽?yīng)用需求。

接下來(lái)測(cè)試同一幀 GOOSE報(bào)文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和EPON網(wǎng)絡(luò)后的通信時(shí)延，測(cè)試方案如圖13所示。

圖13 GOOSE經(jīng)EPON網(wǎng)絡(luò)后時(shí)延測(cè)試方案

同一幀 GOOSE報(bào)文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)后 1分為 2，其中一路 GOOSE報(bào)文經(jīng)過(guò) EPON網(wǎng)絡(luò)，兩路報(bào)文被網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄及分析儀捕獲，并打時(shí)間標(biāo)簽，一幀變位 GOOSE報(bào)文測(cè)試時(shí)間標(biāo)簽的差如圖14所示，偏差值時(shí)間單位μs。

從圖14可知EPON網(wǎng)絡(luò)的GOOSE傳輸偏差值大致在 2657.8μs，不能滿足智能變電站過(guò)程層通信傳輸?shù)膽?yīng)用需求。

最后模擬GOOSE報(bào)文在EPON組網(wǎng)的智能變電站過(guò)程層典型應(yīng)用場(chǎng)景下的通信時(shí)延，測(cè)試方案如圖15所示。

圖14 GOOSE經(jīng)EPON網(wǎng)絡(luò)后時(shí)延測(cè)試結(jié)果

圖15 GOOSE在EPON組網(wǎng)的智能變電站過(guò)程層典型應(yīng)用測(cè)試方案

同一幀 GOOSE報(bào)文經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)后 1分為 2，其中一路 GOOSE報(bào)文經(jīng)過(guò) EPON網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，在ONU3施加40組，每秒變位1次的GOOSE變位背景報(bào)文，在ONU4施加20M/50M，長(zhǎng)度256字節(jié)的背景報(bào)文，兩路報(bào)文被網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄及分析儀捕獲，并打時(shí)間標(biāo)簽，一幀變位 GOOSE報(bào)文測(cè)試時(shí)間標(biāo)簽的差如圖16所示，偏差值時(shí)間單位μs。

圖16 GOOSE在EPON組網(wǎng)的智能變電站過(guò)程層典型應(yīng)用測(cè)試結(jié)果

從圖15可知EPON網(wǎng)絡(luò)的GOOSE傳輸偏差值在50M背景流量下大致在812.9μs，在20M背景流量下大致在930.5μs，不能滿足智能變電站過(guò)程層通信傳輸?shù)膽?yīng)用需求。

4 結(jié)論

在智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用EPON通信平臺(tái)進(jìn)行采樣值 SV傳輸時(shí)，均勻性差，不能滿足傳送保護(hù)采樣值的需求，且存在假同步現(xiàn)象。

在智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用EPON通信平臺(tái)進(jìn)行GOOSE傳輸時(shí)，傳送一幀730字節(jié)的GOOSE報(bào)文所需時(shí)間最大為1287μs。不滿足《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的6.2.3中對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的要求為：傳輸各種幀長(zhǎng)數(shù)據(jù)時(shí)交換機(jī)固有延時(shí)應(yīng)小于10μs。

EPON通信技術(shù)在智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的通信性能指標(biāo)不能滿足應(yīng)用需求。

[1]智能變電站技術(shù)導(dǎo)則. 國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).Q/GDW 383-2009.

[2]IEEE 802.3ah Ethernet in the First Mile Task Force[EB/OL].[2010-11-05].http://www.ieee802.org/3/efm/.

[3]孫曉霞, xPON及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在配網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究,碩士論文.

[4]EPON測(cè)試方法.中國(guó)電科院.Q/EPRI 040－2010.

[5]智能變電站繼電保護(hù)規(guī)范. 國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).Q/GDW 441-2010.