何松生，張宇

（北京智芯微電子科技有限公司，北京100192）

符合電力應(yīng)用特點(diǎn)的EPON關(guān)鍵技術(shù)研究

何松生，張宇

（北京智芯微電子科技有限公司，北京100192）

介紹了以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPO N）在電力領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合配用電業(yè)務(wù)的新需求，提出了電力EPO N未來的發(fā)展方向。詳細(xì)分析了電力EPO N在成本、功耗、時(shí)延抖動(dòng)以及時(shí)鐘同步精度等關(guān)鍵技術(shù)方向的研究，論證了方法的可行性。

智能電網(wǎng)；EPO N；差動(dòng)保護(hù)；光纖抄表；時(shí)延抖動(dòng)；BO B；IRIG-B碼

0 引言

近年來，EPON技術(shù)在智能電網(wǎng)用電信息采集和配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用逐年增加并得到了大家的一致認(rèn)可[1]。目前研究電力EPON通信技術(shù)的主體是傳統(tǒng)大型通信設(shè)備制造商，這些廠商業(yè)務(wù)集成能力強(qiáng)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成熟，且很多廠商直接參與了EPON國際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，但他們對(duì)智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、業(yè)務(wù)需求理解并不深。EPON在電力領(lǐng)域的應(yīng)用，其運(yùn)行環(huán)境、接入業(yè)務(wù)的廣泛性仍需要進(jìn)一步研究和實(shí)驗(yàn)。目前電力EPON大都按照電信運(yùn)營商的應(yīng)用需求（追求高帶寬）和應(yīng)用環(huán)境來設(shè)計(jì)，對(duì)于電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景以及未來電力業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)并未充分適應(yīng)。具體表現(xiàn)在：①在用電領(lǐng)域，現(xiàn)有EPON方案成本高、功耗高，這兩大問題可能會(huì)限制EPON在該領(lǐng)域大規(guī)模推廣。②在配電領(lǐng)域，隨著分布式網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)保護(hù)以及IEC 61850對(duì)象模型的引入，對(duì)配電通信網(wǎng)提出了更高的技術(shù)要求，現(xiàn)有電力EPON技術(shù)較難滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需求。本文針對(duì)EPON在電力領(lǐng)域應(yīng)用存在的問題，給出詳細(xì)的解決方案。

1 EPON技術(shù)在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用

EPON技術(shù)代表著接入網(wǎng)未來發(fā)展的方向，在通信運(yùn)營商FTTC/FTTB/FTTH中取得了廣泛的應(yīng)用。在電力領(lǐng)域，EPON主要應(yīng)用于用電信息采集和配網(wǎng)自動(dòng)化等電力業(yè)務(wù)的承載。

1.1 用電信息采集業(yè)務(wù)承載

在用電領(lǐng)域，與主流無線、載波通信技術(shù)相比，EPON技術(shù)的可靠性、抄表成功率優(yōu)勢(shì)明顯[2]；同時(shí)，OPLC復(fù)合電纜的推廣解決了電力最后一公里的光纖資源問題。可以預(yù)見，未來隨著電力抄表業(yè)務(wù)向更精細(xì)化管理方向的發(fā)展，EPON技術(shù)將成為該領(lǐng)域最重要的通信方式。2013年，國網(wǎng)用電信息采集標(biāo)準(zhǔn)修訂中已新增EPON遠(yuǎn)程信道的通信方式，主要應(yīng)用于集中器I型、集中器II型和專變采集終端III型[3]。EPON在用電信息采集系統(tǒng)中主要應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 基于EPON技術(shù)的用電信息采集應(yīng)用場(chǎng)景

1.2 配網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)承載

在配電領(lǐng)域，配網(wǎng)自動(dòng)化目前還處于規(guī)模試點(diǎn)階段，EPON是最主要的通信方式。EPON技術(shù)與10kV配電線路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮呛隙葮O高，支持樹型、星型各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持電力手拉手保護(hù)方案。在配網(wǎng)應(yīng)用中應(yīng)用，EPON技術(shù)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無線通信，同時(shí)也避免了工業(yè)以太網(wǎng)多點(diǎn)故障問題[4]。2014年國網(wǎng)信通部組織編寫的《配網(wǎng)通信總體設(shè)計(jì)》明確指出，EPON是配網(wǎng)自動(dòng)化首選的通信技術(shù)。因此，EPON在未來配網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域的市場(chǎng)份額將占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，其在配網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 基于EPON技術(shù)的配網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)景

2 電力EPON技術(shù)的發(fā)展方向

與電信運(yùn)營商EPON技術(shù)追求高帶寬的發(fā)展趨勢(shì)不同，電力EPON技術(shù)發(fā)展方向更多考慮的是電力業(yè)務(wù)的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①降低ONU模塊的成本。用電信息采集通信解決方案中，本地信道微功率無線和電力線載波模塊成本只有30～40元，遠(yuǎn)程信道GPRS的模塊成本也只有50～60元（使用時(shí)有月租費(fèi)），而目前ONU模塊的成本高達(dá)300元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它通信方式。所以，EPON雖然具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但性價(jià)比并不高，降低ONU模塊的成本刻不容緩。

②降低ONU模塊的功耗。由于用電設(shè)備數(shù)量龐大，功耗的降低具有極大的經(jīng)濟(jì)效益。目前ONU模塊的功耗約為1.5W，遠(yuǎn)高于GPRS模塊的功耗，這對(duì)集中器基表提出了極高的要求，降低ONU模塊的功耗才能使集中器整機(jī)功耗存有一定的結(jié)余。

③降低EPON系統(tǒng)的時(shí)延與抖動(dòng)。未來配網(wǎng)的建設(shè)方向是在原有饋線自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，通過軟件功能的增加，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障保護(hù)的全線速動(dòng)[5]?；诰W(wǎng)絡(luò)的差動(dòng)保護(hù)，引入IEC 61850模型，實(shí)現(xiàn)面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）、采樣測(cè)量值（SMV）和自動(dòng)化數(shù)據(jù)的“三網(wǎng)合一”，由此對(duì)通信系統(tǒng)P2P業(yè)務(wù)要求盡可能做到低時(shí)延、低抖動(dòng)。傳統(tǒng)EPON上行時(shí)隙輪詢周期較大，DBA帶寬分配采用排隊(duì)的方法，時(shí)延和抖動(dòng)指標(biāo)無法保證。降低EPON系統(tǒng)的時(shí)延與抖動(dòng)，可以滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需求。

④實(shí)現(xiàn)電力IRIG-B碼的網(wǎng)絡(luò)傳輸。基于IEEE 802.1AS協(xié)議的EPON時(shí)鐘同步技術(shù)在電信運(yùn)營商中有著廣泛應(yīng)用；電力設(shè)備的時(shí)鐘同步接口通常是IRIG-B碼，目前IRIG-B碼只能采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式。配電網(wǎng)對(duì)時(shí)鐘同步的要求也越來越高，實(shí)現(xiàn)電力IRIG-B碼的網(wǎng)絡(luò)傳輸更能體現(xiàn)電力特色。

3 電力EPON關(guān)鍵技術(shù)的研究

電力EPON關(guān)鍵技術(shù)的研究最終目標(biāo)是“符合電力應(yīng)用特點(diǎn)”，為此本文在充分借鑒EPON和其它領(lǐng)域先進(jìn)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，融入了“電力”因素。在EPON領(lǐng)域，引入了BoB（Bosa on Board）模式和IEEE 802.1AS時(shí)鐘同步協(xié)議；在電力領(lǐng)域，選擇IRIG-B碼電力通用的時(shí)鐘同步接口協(xié)議規(guī)范；在業(yè)務(wù)支撐上，根據(jù)電力業(yè)務(wù)需求對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 低成本方向的研究

目前EPON產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟，ONU設(shè)備成本已經(jīng)做到極致，利用現(xiàn)有技術(shù)成本下降的空間不大。光模塊在ONU設(shè)備成本中占有很大比例，光模塊核心部件BOSA的產(chǎn)能成為光模塊成本下降的瓶頸。最近兩年，ONU設(shè)備的BoB模式受到了業(yè)界的認(rèn)可，并在GPON領(lǐng)域取得了成功。采用BoB模式，尋求器件和系統(tǒng)的結(jié)合是降低EPON光模塊成本的唯一出路。

獨(dú)立光模塊模式的ONU設(shè)備框圖如圖3所示，ONU設(shè)備由光模塊、ONU芯片、Flash、以太網(wǎng)PHY、電源模塊以及PCB板組成；光模塊有獨(dú)立的金屬外殼封裝，內(nèi)部由BOSA、激光器驅(qū)動(dòng)、限幅放大器、DDM功能模塊以及PCB板組成?；贐oB模式的ONU設(shè)備框圖如圖4所示，BOSA直接安裝在ONU的PCB上；同時(shí)ONU芯片采用高集成度設(shè)計(jì)，集成激光器驅(qū)動(dòng)、限幅放大器、Flash和以太網(wǎng)PHY模塊，光模塊DDM功能也可以由ONU芯片內(nèi)置CPU來實(shí)現(xiàn)。

圖3 獨(dú)立光模塊模式ONU設(shè)備框圖

圖4 BoB模式ONU設(shè)備框圖

3.2 低功耗方向的研究

在ONU設(shè)備功耗組成中，光模塊的功耗近1W，占設(shè)備總功耗的2/3左右，降低光模塊的功耗意義重大。獨(dú)立ONU光模塊的功耗組成如表1所示。

表1 獨(dú)立光模塊模式ONU設(shè)備功耗組成

在BoB模式中，BOSA直接安裝在ONU的PCB板上，光器件的整體功耗降低0.5W。ONU芯片在集成限幅放大器、激光器驅(qū)動(dòng)和DDM模塊的同時(shí)，刪除不必要的電路單元，芯片硬件整體功耗只增加 0.1～0.2W。同時(shí)，在軟件上可以進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，主要包括：①精簡(jiǎn)EPON通信協(xié)議；②采用靈活而豐富的休眠模式，降低平均功耗；③修改DDM模塊的檢測(cè)機(jī)制，由定時(shí)檢測(cè)調(diào)整為按需檢測(cè)；④ONU光模塊可設(shè)置為單工模式，降低設(shè)備的最大功耗。通過以上優(yōu)化，ONU設(shè)備的最大功耗和平均功耗均大幅降低。相對(duì)于通用設(shè)備，ONU模塊功耗設(shè)計(jì)目標(biāo)在原有基礎(chǔ)上降低一半，約0.7W，基本接近于GPRS模塊的性能。

3.3 低時(shí)延、低抖動(dòng)方向的研究

EPON的時(shí)延組成如表2所示，從表中分析：①每個(gè)ONU的線路傳輸距離恒定，時(shí)延固定，不存在抖動(dòng)；②EPON下行是廣播，沒有業(yè)務(wù)等待時(shí)間，不存在抖動(dòng)；③EPON上行采用時(shí)分復(fù)用，每個(gè)ONU只能在指定的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，除了幀收發(fā)時(shí)延外，增加了幀的排隊(duì)時(shí)延，同時(shí)也帶來了抖動(dòng)；④EPON的時(shí)延抖動(dòng)可控可管理，主要是指上行幀排隊(duì)時(shí)延的可控可管理。

表2 EPON的上下行時(shí)延組成

為了降低上行數(shù)據(jù)的時(shí)延和抖動(dòng)，同時(shí)也為了時(shí)延可控可管理，EPON時(shí)隙采用靜態(tài)分配機(jī)制，具體方法如下：

①根據(jù)每個(gè)配電終端的業(yè)務(wù)需求，分配不同的時(shí)隙，為了減少幀排隊(duì)時(shí)間，每個(gè)ONU分配的時(shí)隙不宜太大。單個(gè)ONU時(shí)隙大小設(shè)計(jì)為可傳輸時(shí)鐘同步幀（最大幀長82Bytes）、SMV幀 （最大幀長159Bytes）、GOOSE幀（最大幀長752Bytes）各一個(gè)為宜，考慮一些冗余，傳輸數(shù)據(jù)設(shè)定為1518Bytes，需分配的時(shí)隙大小為：1518×8=12144ns≈12μs?？紤]到光模塊開關(guān)開銷以及幀間距消耗約1μs，MPCP消耗約1μs，初步確定每個(gè)時(shí)隙損耗為15μs。時(shí)隙分配可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)的需求進(jìn)行個(gè)性化配置。

②減少時(shí)隙的輪詢周期。配電終端（上聯(lián)ONU）主要安裝在環(huán)網(wǎng)柜、開關(guān)柜等位置，典型10kV配電線路中配電終端總數(shù)量不超過10個(gè)。ONU時(shí)隙分配如圖5所示，圖中每個(gè)ONU分配的時(shí)隙是15μs，共10個(gè)ONU，輪詢周期為150μs，其中ONU時(shí)隙大小和數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行配置。

圖5 配網(wǎng)EPON時(shí)隙分配

③自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口發(fā)送頻率可配置。標(biāo)準(zhǔn)EPON系統(tǒng)中，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口帶來的時(shí)延與最遠(yuǎn)ONU的距離以及注冊(cè)幀發(fā)送時(shí)間相關(guān)。幀發(fā)送時(shí)間小于2μs，可忽略；若最遠(yuǎn)ONU距離是5km，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口帶來的時(shí)延：2×5/（200000×10-6）=50μs（2代表往返）。若自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口太過頻繁，占用時(shí)隙較多，帶來總時(shí)延也較大。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)一條線路ONU設(shè)備安裝完畢后，可選擇關(guān)閉自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口，新增ONU設(shè)備使用手動(dòng)方式添加；也可以降低自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口發(fā)送頻率，在連續(xù)多個(gè)業(yè)務(wù)輪詢周期后插入一個(gè)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口，如圖6所示。與自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口的相鄰上行業(yè)務(wù)窗口中，最大幀排隊(duì)時(shí)間是1個(gè)業(yè)務(wù)輪詢周期+1個(gè)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口，理論上幀排隊(duì)最大時(shí)延為200μs，即抖動(dòng)200μs。

圖6 EPON自動(dòng)發(fā)現(xiàn)窗口時(shí)隙分配

④配置基于業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)。在配電終端業(yè)務(wù)中，時(shí)鐘同步、SMV、GOOSE數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)最高，饋線自動(dòng)化數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)較低。當(dāng)ONU在一個(gè)時(shí)隙無法傳輸緩存內(nèi)所有數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先保證優(yōu)先級(jí)較高的業(yè)務(wù)傳輸，盡可能減少其等待時(shí)延。

通過上述對(duì)時(shí)延抖動(dòng)性能的優(yōu)化，在單臺(tái)OLT設(shè)備下掛10個(gè)ONU、最遠(yuǎn)ONU距離5km的應(yīng)用場(chǎng)景下，按照表2中的參數(shù)計(jì)算EPON P2P時(shí)延如下：

由此可知，EPON P2P最小時(shí)延100μs，最大時(shí)延300μs，抖動(dòng)小于200μs，可以滿足網(wǎng)絡(luò)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求。

3.4 高精度電力時(shí)鐘同步方向的研究

在綜合分析電信和電力時(shí)鐘同步應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出基于IEEE 802.1AS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過EPON技術(shù)傳輸IRIG-B碼的全新設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)IRIG-B碼一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。該方案OLT側(cè)支持IEEE 1588、IRIG-B碼或 1PPS+TOD時(shí)鐘輸入，ONU側(cè)支持IRIG-B碼輸出。時(shí)鐘同步由EPON芯片硬件實(shí)現(xiàn)，有利于獲得精準(zhǔn)的發(fā)送時(shí)間，避免軟件協(xié)議棧處理時(shí)間造成的誤差，時(shí)鐘同步的精度可達(dá)亞微秒。

基于IEEE 802.1AS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的電力時(shí)鐘同步誤差主要有以下幾個(gè)方面：①光纖中上/下行波長不同造成的誤差約為170ppm，不同距離誤差計(jì)算公式：L/（200000×10-9）×（170×10-6）=0.85L（L為傳輸距離），20km極限情況下誤差約為17ns，這個(gè)誤差可以通過上述公式計(jì)算補(bǔ)償；②Serdes串并轉(zhuǎn)換引入的誤差，在使用16bit位寬的Serdes的情況下，按照1.24Gb/s傳輸速率計(jì)算為：16/（1.24×109×10-9）=12.8ns，這個(gè)誤差補(bǔ)償要求MAC芯片在ONU每次上線激活以后，提取Serdes偏移，然后對(duì)其補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)較困難，暫不做補(bǔ)償；③測(cè)距引入的誤差，EPON的時(shí)間戳漂移門限為12個(gè)TQ，每個(gè)TQ為16ns，換算成時(shí)間為：12×16=192ns（測(cè)距為雙向），單向引入的最大誤差為96ns，這個(gè)誤差由EPON協(xié)議決定的，也很難補(bǔ)償。

在實(shí)現(xiàn)了因光纖上/下行波長不同而引入誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下，IRIG-B碼由OLT到ONU單向傳輸理論精度為：12.8+96=108.8ns。針對(duì)本文的P2P業(yè)務(wù)，時(shí)鐘傳輸路徑為ONU1→OLT→ONU2，理論時(shí)鐘精度為：108.8×2=217.6ns。

4 結(jié)束語

本文展望了未來電力EPON技術(shù)的發(fā)展方向，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)做了可行性分析?！胺想娏?yīng)用特點(diǎn)”是電力EPON方案的核心，方案在成本、功耗、時(shí)延抖動(dòng)以及時(shí)鐘同步等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯。

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Research on the key technologies of EPON in line with the characteristics of power

HE Song-sheng，ZHANG Yu
(Beijing Smartchip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China)

The paper describes the application status of EPON in electric power field,combines with the new demand of electric power business,proposes the future development direction of power EPON.It analyzes the key technologies of power EPON in cost,power consumption,delay jitter and clock synchronization in detail, demonstrates the feasibility of the method.

smart grid,EPON,differential protection,fiber meter reading,delay jitter,BoB,IRIG-B

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0005-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.002

2015-10-23。

何松生（1975-），男，本科，主要從事電力通信網(wǎng)絡(luò)方向的研究。