李建云，屈俊宏，黃滇生，束洪春，董俊

(1.云南電網(wǎng)公司大理供電局，云南 大理 671000；2.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650051)

以太無源光網(wǎng)絡組網(wǎng)在配網(wǎng)故障自愈通信中的應用

李建云1，屈俊宏1，黃滇生1，束洪春2，董俊2

(1.云南電網(wǎng)公司大理供電局，云南 大理 671000；2.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650051)

介紹以太無源光網(wǎng)絡 (Ethernet Passive Optical Network，EPON)的優(yōu)點，基于EPON系統(tǒng)的組成、原理、技術特性及組網(wǎng)優(yōu)勢，針對配電網(wǎng)故障自愈通信系統(tǒng)的需求分析了EPON技術在配電網(wǎng)故障自愈通信系統(tǒng)中應用的可行性，對幾種不同的配網(wǎng)拓撲結構提出了相對應的EPON組網(wǎng)技術應用方案。

智能配電網(wǎng)；EPON；組網(wǎng)策略；配網(wǎng)故障自愈

0 前言

實現(xiàn)配網(wǎng)故障自愈是提高供電服務水平的重要手段，配電網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)是利用電力電子技術、通信技術、自動化技術、計算機及網(wǎng)絡技術進行集成，構成一套比較完整的自動化系統(tǒng)[1-2]。欲實現(xiàn)配電網(wǎng)故障自愈，選擇合理的通信方式是一個關鍵環(huán)節(jié)，配網(wǎng)分布式故障自愈技術要求智能終端之間的能夠進行實時、可靠的對等通信。以太無源光網(wǎng)絡 (EthernetPassive Optical Network，EPON以下簡稱EPON)EPON組網(wǎng)技術具有高帶寬、高速率、可擴展性好、實時性等特點[3]，已經(jīng)在配網(wǎng)自動化中得到廣泛的應用[4-8]。本文通過對EPON組網(wǎng)技術優(yōu)勢的分析以及EPON在配電網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)中應用的可行性進行分析，并給出了EPON技術在配網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)中的應用實例。

1 EPON技術

1.1 EPON工作的原理

EPON系統(tǒng)是由光線路終端 (OLT)、光分配網(wǎng)絡 (ODN)和用戶側光網(wǎng)絡單元 (ONU)組成的單纖雙向傳輸系統(tǒng)[9]。OLT主要是為應用提供網(wǎng)絡側與本地內容服務器之間的接口，并經(jīng)ODN與用戶側ONU通信；ODN由光纖和無源光分路器(POS，Passive Optical Splitter)或連接器組成，在OLT與ONU之間提供光通道，主要負責分發(fā)下行數(shù)據(jù)并集中上行數(shù)據(jù)，完成光信號功率分配和波長復用等功能。EPON采用波分復用技術實現(xiàn)單纖同時處理雙向信號傳輸，別使用上行1 310 nm和下行1 490 nm光波傳送數(shù)據(jù)[9]。下行數(shù)據(jù)以點到多點傳 (P2MP，Point to Multi-Point)的廣播方式從OLT發(fā)送到所有的ONU，上行數(shù)據(jù)則從各個ONU采用TDMA(時分多址接入)的方式統(tǒng)一匯聚到中心局端OLT。EPON的基本網(wǎng)絡結構見圖1。EPON網(wǎng)絡可根據(jù)網(wǎng)絡需求組成樹形、總線型、星形、環(huán)形和總線型等拓撲形式。

圖1 EPON的基本結構圖

1.2 EPON網(wǎng)絡管理系統(tǒng)

EPON網(wǎng)管系統(tǒng)按照網(wǎng)管功能分為四大模塊：配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。EPON系統(tǒng)的管理對象為1個OLT和32個ONU。目前大部分的EPON網(wǎng)管系統(tǒng)是基于SNMP協(xié)議[10]，其結構如圖2所示。SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)是一種基于TCP/IP的網(wǎng)絡管理協(xié)議，它使用UDP作為傳輸層協(xié)議，能管理支持代理進程的網(wǎng)絡設備。SNMP主要包括SMI(管理信息結構)、MIB(管理信息庫)和SNMP協(xié)議幾部分。SMI給出了管理對象定義的一般框架。MIB是設備所維護的全部被管理對象的結構集合。啟動時，針對EPON網(wǎng)絡，可自動或手動生成OLT、ONU設備拓撲圖，顯示當前網(wǎng)絡中各OLT、ONU設備的狀態(tài)。在網(wǎng)絡拓撲圖生成后，SNMP管理進程采用輪詢的方式定期查詢SNMP代理進程，收集設備信息用于更新數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)配置信息的實時性。

圖2 EPON網(wǎng)絡管理系統(tǒng)

2 故障自愈通信的EPON解決方案

2.1 配網(wǎng)故障自愈對通信的要求

配電網(wǎng)故障自愈主要包括配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、故障快速隔離及恢復供電等功能，隨著技術的發(fā)展，配網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)的功能將愈發(fā)強大，對通信系統(tǒng)也提出了以下要求。

1)配電網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)所需的信息數(shù)據(jù)量不大，但隨著配網(wǎng)的發(fā)展，自愈系統(tǒng)將具有信息量大、在線分析或離線分析相結合、應用分析與終端設備相結合等特點，這就要求通信系統(tǒng)有足夠的帶寬以確保信息的傳遞速率。

2)配電網(wǎng)故障自愈對通信的可靠性、快速性、安全性、適應性等有著極高的要求，同時也要兼顧成本和經(jīng)濟效益。

3)隨著配網(wǎng)故障自愈技術的不斷升級與發(fā)展，配網(wǎng)的遠端設備數(shù)量會隨著不斷擴充，配網(wǎng)自愈通信系統(tǒng)必須具有良好的可擴展性，以接納新增加的配網(wǎng)終端。

4)配網(wǎng)系統(tǒng)結構復雜，配網(wǎng)故障自愈通信系統(tǒng)的結構也應當對配網(wǎng)的拓撲結構有良好的適應性。

5)配網(wǎng)故障自愈通信系統(tǒng)需適應電力應用場景的需求，通信設備與通信線路大部分都安裝在戶外，需適應復雜的溫度、濕度、雨雪等室外環(huán)境，具有抗電磁干擾能力。

6)配網(wǎng)故障自愈的大部分功能對通信的實時性要求特別高，因此各種遠端設備的時鐘需保持同步。

2.2 EPON的特點

1)目前，EPON可以提供上下行對稱的1.25 Gbit/s的帶寬，并隨著以太網(wǎng)技術的發(fā)展以及通信的的需求，帶寬可以提升到10 Gbit/s，這樣完全能夠滿足配網(wǎng)故障自愈系通信業(yè)務的帶寬需求，可以作為配網(wǎng)故障系統(tǒng)的主干通信網(wǎng)。

2)EPON系統(tǒng)中各個ONU之間是并聯(lián)關系，任一個ONU或多個ONU故障，不會影響其他ONU以及整個通信系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，而且當光纖某一根纖芯出了問題，其余的纖芯可以通過跳線投入使用，而不需重新熔接或架設光纖，做到備用，可靠性極高。OLT與ONU之間僅有光纖、光分路器等無源器件，EPON不采用昂貴的ATM設備和SONET設備，就能與現(xiàn)有的以太網(wǎng)相兼容，僅需一根主干光纖和一個OLT，傳輸距離可達20 km，因此可大大降低OLT和主干光纖的成本壓力[11]。

3)EPON網(wǎng)絡中若需要加入新的終端，只需要相應增加無源分光器和ONU即可，無需再鋪設新的光纖，ONU可自動加入，無需配置，OLT可自動發(fā)現(xiàn)ONU，并更新測距算法，開通方便，在ONU側通過光分路器最多可以分送給32個用戶，可以滿足配網(wǎng)遠端設備眾多的需求。

4)EPON系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲能夠與電力配電網(wǎng)環(huán)形、鏈形結構完全吻合，通過適當?shù)母脑欤珽PON可以組成總線型、環(huán)型、樹型、星形、混合型等網(wǎng)絡結構可以適應各種形式的配網(wǎng)拓撲結構，這樣也能夠節(jié)省光纖的成本。

5)在EPON系統(tǒng)中，安裝在戶外的設備都設置了防水、防雨雪、防雷擊等保護。

6)在EPON系統(tǒng)中是通過時間標記來實現(xiàn)各個ONU到OLT的同步的[12]，在OLT里有一個總的計時器，OLT根據(jù)這個計時器來設置各個ONU的計時器，同步過程首先是測出往返時間，然后由OLT來補償各個ONU到OLT距離的不等，來實現(xiàn)各ONU的同步，這對于配網(wǎng)自動化中的某些功能的實現(xiàn)極其重要。

2.3 EPON組網(wǎng)方案

目前配電網(wǎng)中常見的拓撲結構有3種： “手拉手”式環(huán)形網(wǎng)，雙電源閉環(huán)型網(wǎng)絡，輻射性配電網(wǎng)。其中 “手拉手”式環(huán)網(wǎng)應用在城鎮(zhèn)中使用最為普遍，未來可能會有分布式電源接入到配電網(wǎng)中[13]。根據(jù)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲形式來配置通信設備的網(wǎng)絡結構可以很大程度上節(jié)省通信系統(tǒng)的建設成本，下面對不同的拓撲結構的配網(wǎng)組網(wǎng)方式進行具體分析。

2.3.1 “手拉手”式環(huán)形網(wǎng)絡拓撲

“手拉手”式環(huán)網(wǎng)一般是環(huán)網(wǎng)接線，開環(huán)運行，在目前城鎮(zhèn)配電網(wǎng)絡中得到了普遍應用，供電可靠性高。針對 “手拉手”式環(huán)網(wǎng)的特點，EPON采取總線型組網(wǎng)結構。為了提高通信的可靠性，可以進行EPON全鏈路保護組網(wǎng)，即采用雙總線型組網(wǎng)結構。 “手拉手”環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式如圖3所示。分別在2個配電子站安裝OLT設備，只需一根光纖的纖芯分為兩路，第一路纖芯給第一個鏈路，取另外一路給第二條鏈路，然后根據(jù)ONU與OLT的距離設置不同分光比的分光器，使末端的ONU也能獲得充足的光功率。分光器一般放置在每個分段開關處，也可以與ONU一起放置于FTU箱體內，可以減少防水設備的投入。ONU一般具有雙MAC地址，通過雙PON口連接到兩個ODN中，并分別在兩個OLT上注冊，并完成認證、授權、配置等操作。OLT的光纖通信半徑為20 km左右，完全可以滿足 “手拉手”式環(huán)網(wǎng)的供電范圍。此組網(wǎng)方式可節(jié)省大量光纖而且可靠性高。當后期配電網(wǎng)需要擴容升級或要在環(huán)網(wǎng)支線上安裝設備時，為滿足配網(wǎng)變壓器節(jié)點數(shù)量以及分段數(shù)量變化等需求，在ODN設計時要保留光功率裕量，便于擴容和升級。ODN的擴容示意如圖4所示。擴容升級很方便，只需在預留光功率裕量的分光器上再接上分光器即可。對于架空線選用24芯ADSS，電纜溝可以選用普通24芯光纜，具備冗余纖芯資源，光纜網(wǎng)絡建設和改造與一次電纜、線路建設同期進行。

圖3 手拉手環(huán)網(wǎng)EPON雙總線組網(wǎng)示意圖

圖4 ODN擴容示意圖

2.3.2 閉環(huán)形網(wǎng)絡

對于具備閉環(huán)運行條件的配網(wǎng)，當環(huán)網(wǎng)閉合后，線路都是由雙電源或多電源供電，雙電源閉環(huán)接線方式是應用比較多的一種閉環(huán)接線方式。閉環(huán)接線方式能節(jié)省電力電纜的用量，提供高的供電可靠性，運行方式靈活，通過配網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)的建設，當線路上發(fā)生故障時，通過分段開關的隔離，可大大減少停電范圍。針對雙電源環(huán)網(wǎng)的特點，若閉環(huán)環(huán)網(wǎng)的兩條饋線來自同一個變電站，兼顧通信可行性與成本可以選擇一種EPON全鏈路保護組網(wǎng)。只需在10kV變電站放置一個OLT設備，利用同一個OLT中的兩個PON口按照單變壓器型線纜結構進行組網(wǎng)。若閉環(huán)環(huán)網(wǎng)的兩條饋線來自不同的變電站，可采用 “手拉手環(huán)網(wǎng)”通信的組網(wǎng)模式。對于有分布式電源接入的閉環(huán)網(wǎng)，只需在分布式電源的接入點增裝分光器，分布式電源的通信網(wǎng)部分按照樹形結構組網(wǎng)，如圖5所示。

圖5 含分布式電源的雙電源閉環(huán)網(wǎng)EPON組網(wǎng)示意圖

2.3.3 輻射型配電網(wǎng)

輻射性配電網(wǎng)是市郊和農(nóng)村配電網(wǎng)絡廣泛采用的一種接線形式，一般采用單電源輻射形式?？刂圃O備由變電站主開關作保護，配電線路可根據(jù)需要設多級重合器和分段器保護，達到自動隔離和恢復供電的條件。在我國目前配電網(wǎng)的實際情況下，大量采用斷路器 (重合器)作為配電網(wǎng)線分支線自動開關，尚不具備充足的資金條件，以分段器更為合適。對于某些重要的單電源輻射配電網(wǎng)可實現(xiàn)配網(wǎng)自動化，通信組網(wǎng)方式可按照單總線型組網(wǎng)結構組網(wǎng)，如圖6所示，可節(jié)省一部分成本。

圖6 輻射型網(wǎng)絡組網(wǎng)示意圖

3 EPON組網(wǎng)應用方案

在大理智能配電網(wǎng)故障自愈示范項目中，整個通信系統(tǒng)可分為4層：主站控制層、子站通信層、主干通信層和饋線通信層，如圖7所示。配網(wǎng)自動化主站設在大理供電公司調度大樓，主站上可以顯示各個FTU獲取的電流、電壓、開關狀態(tài)、網(wǎng)絡拓撲結構等信息，各個分段開關的開合狀態(tài)可以實現(xiàn)遠方控制也可以就地控制，可以在主站上完成 “三遙”功能。配網(wǎng)故障自愈功能主要由FTU完成。主干通信層全部采用基于EPON技術的專用光纖網(wǎng)絡，未來二期項目采用無線通信的方式實現(xiàn)分支線路的通信。實現(xiàn)EPON網(wǎng)絡全部覆蓋2條 “手拉手”式環(huán)網(wǎng)。OLT安裝在電力公司調度大樓中，考慮到以后網(wǎng)絡的擴容、改造和升級，網(wǎng)絡拓撲可能會發(fā)生變化，所以本項目中預留一部分光功率裕量，初期規(guī)劃OLT的一個PON口所帶ONU數(shù)量為6個，另一個PON口帶5個ONU。根據(jù)兩條配電環(huán)網(wǎng)的地理結構及網(wǎng)絡結構，線路采用總線型結構組網(wǎng)，可以在很大程度上節(jié)省成本。由于選用總線型結構，考慮到距離遠近以及分支數(shù)量對不同ONU所分得的光量的影響，分光器采用9：1的分光比，確保每個ONU分得足夠的光量。ONU和光分路器均安裝在FTU旁的室外保護箱內，由FTU給ONU提供24V直流電源，ONU通過10M/100M自適應以太網(wǎng)接口 (RJ45)與配電終端進行數(shù)據(jù)交換。FTU與其相鄰的FTU經(jīng)對應的ONU通過OLT相互交互獲取的電流電壓信息

圖7 基于EPON的配網(wǎng)故障自愈通信系統(tǒng)

項目建成后，試點的配網(wǎng)故障自愈系統(tǒng)將實現(xiàn)如下功能：

1)主干和分支線路發(fā)生兩項或三相故障時，配合限時電流速斷保護，在180 ms內自動對故障區(qū)間分段隔離，通過對聯(lián)絡開關的控制實現(xiàn)對健全段的供電恢復。

2)線路電壓、線路電流、開關儲能位置、開關分合位置、終端設備狀態(tài)、SOE事件記錄等實時、非實時數(shù)據(jù)的采集和遠程傳輸功能，并可以將所采集到的各種遙測、遙信等數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫進行保存和分析。

3)通過數(shù)據(jù)處理和分析自動定位故障區(qū)間，并且通過通信平臺向運行人員發(fā)送故障信息，實現(xiàn)自動報警功能。

4 結束語

在配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)中，采用EPON組網(wǎng)方案的通信網(wǎng)是一種純介質網(wǎng)絡，由于消除了局端與客戶端之間的有源設備，所以它能避免外部設備的電磁干擾和雷電的影響，減少線路和外部設備的故障率，提高了系統(tǒng)的可靠性。能夠適應多種配電網(wǎng)絡結構，成本低廉，可擴展性強，完全能夠滿足現(xiàn)有配電網(wǎng)絡以及未來配網(wǎng)擴充的需求。缺點的是目前大部分OLT的PON口的光功率在出廠時已經(jīng)固定，不能根據(jù)現(xiàn)場設備對光功率的需求情況進行調整。

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圖12 OPS原理結構圖

OTN網(wǎng)絡結構為線型、環(huán)型、網(wǎng)孔型相結合的復雜結構，而業(yè)務的分布則為雙星型結構，如圖13所示。因此，從網(wǎng)絡結構、業(yè)務分布、設備特性、倒換時間等方面綜合考慮，網(wǎng)絡保護選用E-SNCP方式。

圖13 云南電力省級OTN網(wǎng)絡業(yè)務分布圖

綜前所述，E-SNCP保護方式，結構簡單，容易實現(xiàn)且保護倒換時間短。對于業(yè)務結構為星型的OTN網(wǎng)絡，采用E-SNCP作為網(wǎng)絡保護方式，是一種較好的選擇。

6 結束語

隨著OTN技術的不斷成熟與商用化，特別是在電力通信網(wǎng)絡中的不斷推廣，TN網(wǎng)絡作為大顆粒業(yè)務的承載網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡保護顯得尤為重要。因此，對OTN網(wǎng)絡的保護機制，應充分重視，科學選用。電力通信網(wǎng)絡中的業(yè)務多為星型結構，根據(jù)云南電力省級OTN網(wǎng)絡中的應用實踐情況看，電力OTN網(wǎng)絡選用E-SNCP作為網(wǎng)絡保護方式，是一種較好的選擇。

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[3] 光傳送網(wǎng)理論.Alcatel-Lucent

收稿日期：2014-03-13

作者簡介：

羅進發(fā) (1978)，云南電力調度控制中心，主要從事通信專業(yè)工作 (e-mail)149366964＠qq.com。

田之俊 (1976)，云南電力調度控制中心，主要從事通信專業(yè)工作。

Application of EPON Network Technology in Distribution Network Fault Self-healing Communication

LI Jianyun1，QU Junhong1，HUANG Diansheng1，SHU Hongchun2，DONG Jun2

(1.Yunnan Dali Power Supply Bureau，Dali，Yunnan 671000；2.Faculty of Electric Power Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051)

This paper analyzed the applied feasibility of EPON technology in distribution automation communication system，It puts forward the corresponding EPON networking technology solutions Aimed at several different distribution network topology structure

smart distribution network；EPON；network strategy；distribution network fault self-healing

TM76

B

1006-7345(2014)04-0044-05

2014-02-18

李建云 (1974)，男，高級工程師，云南電網(wǎng)公司大理供電局，從事電力系統(tǒng)輸配電管理。

屈俊宏 (1984)，女，工程師，云南電網(wǎng)公司大理供電局云南電網(wǎng)，主要從事繼電保護工作 (e-mail)517696638＠qq.com。

黃滇生 (1956)，男，高級工程師，繼電保護三級助理技術專家，云南電網(wǎng)公司大理供電局，主要從事配網(wǎng)管理工作 (email)hds1791＠163.com。