以太无源光网络组网在配网故障自愈通信中的应用

李建云，屈俊宏，黄滇生，束洪春，董俊

(1.云南电网公司大理供电局，云南 大理 671000；2.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650051)

以太无源光网络组网在配网故障自愈通信中的应用

李建云1，屈俊宏1，黄滇生1，束洪春2，董俊2

(1.云南电网公司大理供电局，云南 大理 671000；2.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650051)

介绍以太无源光网络 (Ethernet Passive Optical Network，EPON)的优点，基于EPON系统的组成、原理、技术特性及组网优势，针对配电网故障自愈通信系统的需求分析了EPON技术在配电网故障自愈通信系统中应用的可行性，对几种不同的配网拓扑结构提出了相对应的EPON组网技术应用方案。

智能配电网；EPON；组网策略；配网故障自愈

0 前言

实现配网故障自愈是提高供电服务水平的重要手段，配电网故障自愈系统是利用电力电子技术、通信技术、自动化技术、计算机及网络技术进行集成，构成一套比较完整的自动化系统[1-2]。欲实现配电网故障自愈，选择合理的通信方式是一个关键环节，配网分布式故障自愈技术要求智能终端之间的能够进行实时、可靠的对等通信。以太无源光网络 (EthernetPassive Optical Network，EPON以下简称EPON)EPON组网技术具有高带宽、高速率、可扩展性好、实时性等特点[3]，已经在配网自动化中得到广泛的应用[4-8]。本文通过对EPON组网技术优势的分析以及EPON在配电网故障自愈系统中应用的可行性进行分析，并给出了EPON技术在配网故障自愈系统中的应用实例。

1 EPON技术

1.1 EPON工作的原理

EPON系统是由光线路终端 (OLT)、光分配网络 (ODN)和用户侧光网络单元 (ONU)组成的单纤双向传输系统[9]。OLT主要是为应用提供网络侧与本地内容服务器之间的接口，并经ODN与用户侧ONU通信；ODN由光纤和无源光分路器(POS，Passive Optical Splitter)或连接器组成，在OLT与ONU之间提供光通道，主要负责分发下行数据并集中上行数据，完成光信号功率分配和波长复用等功能。EPON采用波分复用技术实现单纤同时处理双向信号传输，别使用上行1 310 nm和下行1 490 nm光波传送数据[9]。下行数据以点到多点传 (P2MP，Point to Multi-Point)的广播方式从OLT发送到所有的ONU，上行数据则从各个ONU采用TDMA(时分多址接入)的方式统一汇聚到中心局端OLT。EPON的基本网络结构见图1。EPON网络可根据网络需求组成树形、总线型、星形、环形和总线型等拓扑形式。

图1 EPON的基本结构图

1.2 EPON网络管理系统

EPON网管系统按照网管功能分为四大模块：配置管理、性能管理、故障管理和安全管理。EPON系统的管理对象为1个OLT和32个ONU。目前大部分的EPON网管系统是基于SNMP协议[10]，其结构如图2所示。SNMP(简单网络管理协议)是一种基于TCP/IP的网络管理协议，它使用UDP作为传输层协议，能管理支持代理进程的网络设备。SNMP主要包括SMI(管理信息结构)、MIB(管理信息库)和SNMP协议几部分。SMI给出了管理对象定义的一般框架。MIB是设备所维护的全部被管理对象的结构集合。启动时，针对EPON网络，可自动或手动生成OLT、ONU设备拓扑图，显示当前网络中各OLT、ONU设备的状态。在网络拓扑图生成后，SNMP管理进程采用轮询的方式定期查询SNMP代理进程，收集设备信息用于更新数据库，以实现配置信息的实时性。

图2 EPON网络管理系统

2 故障自愈通信的EPON解决方案

2.1 配网故障自愈对通信的要求

配电网故障自愈主要包括配网状态监测、故障快速隔离及恢复供电等功能，随着技术的发展，配网故障自愈系统的功能将愈发强大，对通信系统也提出了以下要求。

1)配电网故障自愈系统所需的信息数据量不大，但随着配网的发展，自愈系统将具有信息量大、在线分析或离线分析相结合、应用分析与终端设备相结合等特点，这就要求通信系统有足够的带宽以确保信息的传递速率。

2)配电网故障自愈对通信的可靠性、快速性、安全性、适应性等有着极高的要求，同时也要兼顾成本和经济效益。

3)随着配网故障自愈技术的不断升级与发展，配网的远端设备数量会随着不断扩充，配网自愈通信系统必须具有良好的可扩展性，以接纳新增加的配网终端。

4)配网系统结构复杂，配网故障自愈通信系统的结构也应当对配网的拓扑结构有良好的适应性。

5)配网故障自愈通信系统需适应电力应用场景的需求，通信设备与通信线路大部分都安装在户外，需适应复杂的温度、湿度、雨雪等室外环境，具有抗电磁干扰能力。

6)配网故障自愈的大部分功能对通信的实时性要求特别高，因此各种远端设备的时钟需保持同步。

2.2 EPON的特点

1)目前，EPON可以提供上下行对称的1.25 Gbit/s的带宽，并随着以太网技术的发展以及通信的的需求，带宽可以提升到10 Gbit/s，这样完全能够满足配网故障自愈系通信业务的带宽需求，可以作为配网故障系统的主干通信网。

2)EPON系统中各个ONU之间是并联关系，任一个ONU或多个ONU故障，不会影响其他ONU以及整个通信系统的稳定可靠运行，而且当光纤某一根纤芯出了问题，其余的纤芯可以通过跳线投入使用，而不需重新熔接或架设光纤，做到备用，可靠性极高。OLT与ONU之间仅有光纤、光分路器等无源器件，EPON不采用昂贵的ATM设备和SONET设备，就能与现有的以太网相兼容，仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20 km，因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力[11]。

3)EPON网络中若需要加入新的终端，只需要相应增加无源分光器和ONU即可，无需再铺设新的光纤，ONU可自动加入，无需配置，OLT可自动发现ONU，并更新测距算法，开通方便，在ONU侧通过光分路器最多可以分送给32个用户，可以满足配网远端设备众多的需求。

4)EPON系统网络拓扑能够与电力配电网环形、链形结构完全吻合，通过适当的改造，EPON可以组成总线型、环型、树型、星形、混合型等网络结构可以适应各种形式的配网拓扑结构，这样也能够节省光纤的成本。

5)在EPON系统中，安装在户外的设备都设置了防水、防雨雪、防雷击等保护。

6)在EPON系统中是通过时间标记来实现各个ONU到OLT的同步的[12]，在OLT里有一个总的计时器，OLT根据这个计时器来设置各个ONU的计时器，同步过程首先是测出往返时间，然后由OLT来补偿各个ONU到OLT距离的不等，来实现各ONU的同步，这对于配网自动化中的某些功能的实现极其重要。

2.3 EPON组网方案

目前配电网中常见的拓扑结构有3种： “手拉手”式环形网，双电源闭环型网络，辐射性配电网。其中 “手拉手”式环网应用在城镇中使用最为普遍，未来可能会有分布式电源接入到配电网中[13]。根据配电网的网络拓扑形式来配置通信设备的网络结构可以很大程度上节省通信系统的建设成本，下面对不同的拓扑结构的配网组网方式进行具体分析。

2.3.1 “手拉手”式环形网络拓扑

“手拉手”式环网一般是环网接线，开环运行，在目前城镇配电网络中得到了普遍应用，供电可靠性高。针对 “手拉手”式环网的特点，EPON采取总线型组网结构。为了提高通信的可靠性，可以进行EPON全链路保护组网，即采用双总线型组网结构。 “手拉手”环网组网方式如图3所示。分别在2个配电子站安装OLT设备，只需一根光纤的纤芯分为两路，第一路纤芯给第一个链路，取另外一路给第二条链路，然后根据ONU与OLT的距离设置不同分光比的分光器，使末端的ONU也能获得充足的光功率。分光器一般放置在每个分段开关处，也可以与ONU一起放置于FTU箱体内，可以减少防水设备的投入。ONU一般具有双MAC地址，通过双PON口连接到两个ODN中，并分别在两个OLT上注册，并完成认证、授权、配置等操作。OLT的光纤通信半径为20 km左右，完全可以满足 “手拉手”式环网的供电范围。此组网方式可节省大量光纤而且可靠性高。当后期配电网需要扩容升级或要在环网支线上安装设备时，为满足配网变压器节点数量以及分段数量变化等需求，在ODN设计时要保留光功率裕量，便于扩容和升级。ODN的扩容示意如图4所示。扩容升级很方便，只需在预留光功率裕量的分光器上再接上分光器即可。对于架空线选用24芯ADSS，电缆沟可以选用普通24芯光缆，具备冗余纤芯资源，光缆网络建设和改造与一次电缆、线路建设同期进行。

图3 手拉手环网EPON双总线组网示意图

图4 ODN扩容示意图

2.3.2 闭环形网络

对于具备闭环运行条件的配网，当环网闭合后，线路都是由双电源或多电源供电，双电源闭环接线方式是应用比较多的一种闭环接线方式。闭环接线方式能节省电力电缆的用量，提供高的供电可靠性，运行方式灵活，通过配网故障自愈系统的建设，当线路上发生故障时，通过分段开关的隔离，可大大减少停电范围。针对双电源环网的特点，若闭环环网的两条馈线来自同一个变电站，兼顾通信可行性与成本可以选择一种EPON全链路保护组网。只需在10kV变电站放置一个OLT设备，利用同一个OLT中的两个PON口按照单变压器型线缆结构进行组网。若闭环环网的两条馈线来自不同的变电站，可采用 “手拉手环网”通信的组网模式。对于有分布式电源接入的闭环网，只需在分布式电源的接入点增装分光器，分布式电源的通信网部分按照树形结构组网，如图5所示。

图5 含分布式电源的双电源闭环网EPON组网示意图

2.3.3 辐射型配电网

辐射性配电网是市郊和农村配电网络广泛采用的一种接线形式，一般采用单电源辐射形式。控制设备由变电站主开关作保护，配电线路可根据需要设多级重合器和分段器保护，达到自动隔离和恢复供电的条件。在我国目前配电网的实际情况下，大量采用断路器 (重合器)作为配电网线分支线自动开关，尚不具备充足的资金条件，以分段器更为合适。对于某些重要的单电源辐射配电网可实现配网自动化，通信组网方式可按照单总线型组网结构组网，如图6所示，可节省一部分成本。

图6 辐射型网络组网示意图

3 EPON组网应用方案

在大理智能配电网故障自愈示范项目中，整个通信系统可分为4层：主站控制层、子站通信层、主干通信层和馈线通信层，如图7所示。配网自动化主站设在大理供电公司调度大楼，主站上可以显示各个FTU获取的电流、电压、开关状态、网络拓扑结构等信息，各个分段开关的开合状态可以实现远方控制也可以就地控制，可以在主站上完成 “三遥”功能。配网故障自愈功能主要由FTU完成。主干通信层全部采用基于EPON技术的专用光纤网络，未来二期项目采用无线通信的方式实现分支线路的通信。实现EPON网络全部覆盖2条 “手拉手”式环网。OLT安装在电力公司调度大楼中，考虑到以后网络的扩容、改造和升级，网络拓扑可能会发生变化，所以本项目中预留一部分光功率裕量，初期规划OLT的一个PON口所带ONU数量为6个，另一个PON口带5个ONU。根据两条配电环网的地理结构及网络结构，线路采用总线型结构组网，可以在很大程度上节省成本。由于选用总线型结构，考虑到距离远近以及分支数量对不同ONU所分得的光量的影响，分光器采用9：1的分光比，确保每个ONU分得足够的光量。ONU和光分路器均安装在FTU旁的室外保护箱内，由FTU给ONU提供24V直流电源，ONU通过10M/100M自适应以太网接口 (RJ45)与配电终端进行数据交换。FTU与其相邻的FTU经对应的ONU通过OLT相互交互获取的电流电压信息

图7 基于EPON的配网故障自愈通信系统

项目建成后，试点的配网故障自愈系统将实现如下功能：

1)主干和分支线路发生两项或三相故障时，配合限时电流速断保护，在180 ms内自动对故障区间分段隔离，通过对联络开关的控制实现对健全段的供电恢复。

2)线路电压、线路电流、开关储能位置、开关分合位置、终端设备状态、SOE事件记录等实时、非实时数据的采集和远程传输功能，并可以将所采集到的各种遥测、遥信等数据送入实时数据库进行保存和分析。

3)通过数据处理和分析自动定位故障区间，并且通过通信平台向运行人员发送故障信息，实现自动报警功能。

4 结束语

在配网自动化通信系统中，采用EPON组网方案的通信网是一种纯介质网络，由于消除了局端与客户端之间的有源设备，所以它能避免外部设备的电磁干扰和雷电的影响，减少线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性。能够适应多种配电网络结构，成本低廉，可扩展性强，完全能够满足现有配电网络以及未来配网扩充的需求。缺点的是目前大部分OLT的PON口的光功率在出厂时已经固定，不能根据现场设备对光功率的需求情况进行调整。

[1] 徐丙垠，李天友，薛永端.智能配电网与配电自动化[J].电力系统自动化，2009，33(17)：38-41.

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图12 OPS原理结构图

OTN网络结构为线型、环型、网孔型相结合的复杂结构，而业务的分布则为双星型结构，如图13所示。因此，从网络结构、业务分布、设备特性、倒换时间等方面综合考虑，网络保护选用E-SNCP方式。

图13 云南电力省级OTN网络业务分布图

综前所述，E-SNCP保护方式，结构简单，容易实现且保护倒换时间短。对于业务结构为星型的OTN网络，采用E-SNCP作为网络保护方式，是一种较好的选择。

6 结束语

随着OTN技术的不断成熟与商用化，特别是在电力通信网络中的不断推广，TN网络作为大颗粒业务的承载网络，其网络保护显得尤为重要。因此，对OTN网络的保护机制，应充分重视，科学选用。电力通信网络中的业务多为星型结构，根据云南电力省级OTN网络中的应用实践情况看，电力OTN网络选用E-SNCP作为网络保护方式，是一种较好的选择。

参考文献：

[1] Alcatel-Lucent 1830 Photonic Service Switch(PSS)Product Information and Planning Guide Release 6.0.0

[2] 刘国辉.光传输网原理与技术.北京邮电大学出版社

[3] 光传送网理论.Alcatel-Lucent

收稿日期：2014-03-13

作者简介：

罗进发 (1978)，云南电力调度控制中心，主要从事通信专业工作 (e-mail)149366964＠qq.com。

田之俊 (1976)，云南电力调度控制中心，主要从事通信专业工作。

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，高级工程师，云南电网公司大理供电局，从事电力系统输配电管理。

屈俊宏 (1984)，女，工程师，云南电网公司大理供电局云南电网，主要从事继电保护工作 (e-mail)517696638＠qq.com。

黄滇生 (1956)，男，高级工程师，继电保护三级助理技术专家，云南电网公司大理供电局，主要从事配网管理工作 (email)hds1791＠163.com。