智能变电站过程层网络采用EPON技术实用性研究

魏 勇 宋小会 许伟国 李俊刚

（1.许继电气股份有限公司, 河南 许昌 461000；2.浙江省电力公司绍兴电力局, 浙江 绍兴 312000）

智能电网技术是世界电网发展的新趋势，是当今世界电力系统发展变革的最新动向，电网智能化已成为世界范围内能源和电力行业发展的必由之路，智能电网建设已经被提升到国家战略发展的高度。国家电网公司提出了“坚强智能电网”的发展规划，并规划“十二五”期间新建智能变电站 5000座，“十三五”期间新建智能变电站7700座[1]。

智能变电站是智能电网的重要基础结点，是智能电网实现数字化、互动化、自动化、智能化的支撑，网络通信技术是智能变电站的核心技术之一，目前智能变电站主要采用工业以太网交换机进行通信系统的组网设计，工业交换机相对普通交换机价格高昂，据调研，国内已投运的智能变电站，仅工业交换机部分的成本几乎和整个变电站二次保护控制设备成本相当，甚至更高。着眼于未来将要建设的上万座智能变电站，寻求一种与采用工业级以太网交换机相比更经济实用的通信方案，值得探讨和研究。

EPON（Ethernet Passive Optical Network）以太网无源光网络技术是一种光纤接入网技术[2]，在广电行业得到了广泛应用，在电力系统的配网[3]和用电业务领域有成功的应用经验，如浙江海盐基于EPON的配网应用、江西瑞昌基于EPON的用电信息采集应用。基于 EPON和 OPLC（Optical Fiber Composite Low-voltage Cable）光纤复合低压电缆的电力光纤入户技术在智能小区及智能家居、电动汽车充换电站、物联网等领域有着光明的应用前景，EPON通信技术在智能电网领域的应用将是未来一段时间的研究热点。

智能变电站过程层网络通信对于全站保护控制功能的可靠实现具有重要的意义，本文对智能变电站过程层通信系统的采样值SV传输及GOOSE传输机制进行了分析，提出在过程层网络采用EPON技术进行组网，搭建模拟测试系统，对过程层网络通信传输的关键性能指标SV离散度及GOOSE时延进行了测评[4]，为便于对比分析，还给出了现阶段智能变电站过程层组网所采用的工业以太网方案的测评数据对比分析。

1 业务分析

1.1 通信应用要求

智能变电站采用IEC 61850作为全站唯一的通信及建模标准，各种功能应用都依赖于网络。保护功能（包括采样值传输，跳闸动作等有严格时限要求的环节）的实现借助于站内过程层通信网络，因此，智能变电站过程层通信网络必须具备较高的实时性能。依据IEC 61850的要求，过程总线上的电流、电压互感器与保护、测控单元之间的实时电压电流采样值和保护单元发送到现场开关设备的保护跳闸 GOOSE信号的信息传输时间需求最紧急，信息传输时间应小于 2ms；保护单元之间的保护闭锁GOOSE信息具有较高的传输速率，通常信息传输时间为 2～10ms，同步相量测量信息的传输时间可以大于10ms，合并单元发送采样值SV的离散度要求偏差在+/-10μs内（参见《国网智能变电站继电保护技术规范》6.4.4：MU采样值发送间隔离散值应小于 10μs）[5]。

1.2 通信应用现状

智能变电站过程层网络组网现阶段主流采用工业以太网技术，能满足过程层网络通信的业务需求，但存在价格昂贵、服务周期长等问题，且这些产品基本都从国外进口，从智能变电站安全运行的角度考虑存在安全隐患。

2 EPON及工业以太网技术对比分析

EPON通信技术属于PON系列技术应用最广泛的一种，由IEEE802.3提出，它将以太网技术与PON技术结合起来，物理层采用PON技术，链路层采用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。其目标是用最简单的方式实现一个点到多点结构的吉比特以太网光纤接入系统。其消除了ATM和SDH层，降低了初始成本和运行成本，具有实现简单，易于扩展和维护，与现有的以太网兼容、管理方便等优点。

EPON 系统主要由 OLT（光线路终端），ONU（光网络单元），ODN（光分配网络）三部分组成，采用数据复用的通信方式，利用WDM（波分复用）技术实现单纤双向传输，上行数据流采用TDMA（时分复用）技术，下行数据流采用广播技术。

工业以太网技术在以太网原有的速率高、兼容性强、成本低、标准性好等优势基础上，加入了工业化设计，主要指对优先级队列的支持和工业环境工况的适应性设计，现阶段是智能变电站过程层所采用的唯一通信技术。

3 智能变电站过程层EPON应用测试

为了验证EPON通信平台是否适用于智能变电站过程层网络，针对三网合一模式和国网直采直跳组网模式分别进行EPON系统应用于过程层的性能测试。

测试设备包括用于发送采样值SV的合并器（下面简称 MU）若干台，用于模拟网络背景数据的FLUKE网络报文发生仪一台，用于模拟GOOSE报文的NPI测试工具一套，EPON设备一套，工业以太网交换机一套（采用罗杰康设备），中元华电网络报文记录及分析仪一套。

3.1 网络转发报文抖动测试

为便于比对分析，首先对合并器发送采样值SV的离散度均匀性进行测试，测试案例如图1所示。

测试结果如图2所示。

从图2可以看出，MU发送SV的离散度偏差在+/-5μs之内，满足智能变电站对SV离散度的要求。

接下来再将MU发送的采样值SV经过工业交换机后的离散度均匀性进行测试，测试案例如图 3所示。

测试结果如图4～5所示。图4是MU经工业以太网交换机发送2组SV的离散度偏差曲线，图5是MU经工业以太网交换机发送8组SV的离散度偏差曲线。

从图4可以看出，MU经工业以太网交换机后发送2组SV的离散度偏差基本在+/-5μs之内，发送8组SV（MU在实际应用中，一般都少于8组）的离散度偏差基本在+/-10μs之内，这说明工业以太网交换机的抖动和时延非常小，满足智能变电站对SV离散度的要求。

图1 MU直接发送采样值离散度测试方案

图2 MU直接发送采样值离散度测试结果

图3 MU发送采样值经交换机后离散度测试方案

图4 MU发送采样值经交换机后离散度测试结果1

图5 MU发送采样值经交换机后离散度测试结果2

接下来进行MU经EPON通信系统（ONU、分光器、OLT）后离散度均匀性进行测试，测试案例如图6所示。

测试过程中，网络报文记录及协议分析仪出现频繁报超时现象，相邻两帧 SV的最大间隔为1424μs，最小间隔为 28μs，远远大于 250μs理论值。不满足SV离散度要求。

测试结果如图7所示。

3.2 单个ONU压力测试

EPON测试系统ONU设备的3个以太网口接入3个MU，每个MU发送2组SV采样值，同时利用FLUKE网络分析仪给ONU的第四个以太网口施加50M b/s的网络负载，分别模拟长度为 256、1276字节长度的两种报文，测试案例如图8所示。

图6 MU发送采样值经EPON后离散度测试方案

图7 MU发送采样值经EPON后离散度测试结果

图8 MU发送采样值经EPON后压力测试方案

测试过程中，未出现报文丢帧现象，但网络报文记录及协议分析仪出现频繁报超时现象，相邻两帧 SV的最大间隔远远大于 250μs理论值。不满足SV离散度要求。

测试结果如图9所示。

3.3 分光器接入多个ONU压力测试

EPON测试系统分光器接入4个ONU设备，每个ONU的以太网口接入1个MU，每个MU发送2组SV采样值，测试案例如图10所示。

测试过程中，未出现SV报文丢帧及假同步现象，但网络报文记录及协议分析仪出现频繁报单组SV接收超时现象，相邻两帧SV的最大时间间隔为1483μs，远远大于250μs理论值。不满足SV离散度要求。

3.4 单帧GOOSE报文时延测试

首先，测试单帧 GOOSE报文经工业以太网交换机后的通信时延，测试方案如图11所示。

同一帧 GOOSE报文经工业以太网交换机后，分别从A、B两个网口被网络报文记录及分析仪捕获，并打时间标签，一帧变位 GOOSE报文测试时间标签的差如图12所示，偏差值时间单位μs。

图9 MU发送采样值经EPON后压力测试结果

图10 MU发送采样值经EPON后压力测试方案2

图11 GOOSE经交换机后时延测试方案

图12 GOOSE经交换机后时延测试结果

从图12可知工业以太网交换机的GOOSE传输偏差值大致在6.5μs，很好地满足了智能变电站过程层通信传输的应用需求。

接下来测试同一帧 GOOSE报文经工业以太网交换机和EPON网络后的通信时延，测试方案如图13所示。

图13 GOOSE经EPON网络后时延测试方案

同一帧 GOOSE报文经工业以太网交换机后 1分为 2，其中一路 GOOSE报文经过 EPON网络，两路报文被网络报文记录及分析仪捕获，并打时间标签，一帧变位 GOOSE报文测试时间标签的差如图14所示，偏差值时间单位μs。

从图14可知EPON网络的GOOSE传输偏差值大致在 2657.8μs，不能满足智能变电站过程层通信传输的应用需求。

最后模拟GOOSE报文在EPON组网的智能变电站过程层典型应用场景下的通信时延，测试方案如图15所示。

图14 GOOSE经EPON网络后时延测试结果

图15 GOOSE在EPON组网的智能变电站过程层典型应用测试方案

同一帧 GOOSE报文经工业以太网交换机后 1分为 2，其中一路 GOOSE报文经过 EPON网络，同时，在ONU3施加40组，每秒变位1次的GOOSE变位背景报文，在ONU4施加20M/50M，长度256字节的背景报文，两路报文被网络报文记录及分析仪捕获，并打时间标签，一帧变位 GOOSE报文测试时间标签的差如图16所示，偏差值时间单位μs。

图16 GOOSE在EPON组网的智能变电站过程层典型应用测试结果

从图15可知EPON网络的GOOSE传输偏差值在50M背景流量下大致在812.9μs，在20M背景流量下大致在930.5μs，不能满足智能变电站过程层通信传输的应用需求。

4 结论

在智能变电站过程层网络采用EPON通信平台进行采样值 SV传输时，均匀性差，不能满足传送保护采样值的需求，且存在假同步现象。

在智能变电站过程层网络采用EPON通信平台进行GOOSE传输时，传送一帧730字节的GOOSE报文所需时间最大为1287μs。不满足《智能变电站继电保护技术规范》的6.2.3中对网络延时的要求为：传输各种帧长数据时交换机固有延时应小于10μs。

EPON通信技术在智能变电站过程层网络的通信性能指标不能满足应用需求。

[1]智能变电站技术导则. 国家电网企业标准.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]孙晓霞, xPON及工业以太网技术在配网领域的应用研究,硕士论文.

[4]EPON测试方法.中国电科院.Q/EPRI 040－2010.

[5]智能变电站继电保护规范. 国家电网企业标准.Q/GDW 441-2010.