EPON技术在智能变电站状态监测和视频监控系统中的应用

杨臻，赵燕茹(中国电力科学研究院，北京市100192)

EPON技术在智能变电站状态监测和视频监控系统中的应用

杨臻，赵燕茹
(中国电力科学研究院，北京市100192)

以太无源光网络(ethernet passive optical network，EPON)是一种新型的光纤接入网络技术，它具有低成本、高带宽、电磁干扰小、扩展性强、兼容性强等特点。在智能变电站中状态监测和视频监控系统数据量较大、实时性要求较低。采用EPON技术构建站内状态监测与视频监控系统，能够有效地解决出口带宽分配问题，且无需使用交换机，大大节省网络建设投资与全寿命周期维护成本，是智能变电站状态监测和视频监控系统有效的新型组网方案。分析了智能变电站状态监测和视频监控系统应用EPON技术的可行性，并提出220 kV智能变电站EPON网络构建方案，为智能变电站状态监测和视频监控系统的数据传输提供了一种新型方案。

以太无源光网络(EPON);状态监测;视频监控;组网方案

0 引言

变电站电气设备状态监测系统实时获取设备运行状态和周围环境信息，通过分析相关数据，预测评估变电站内设备的运行状态，是实现状态检修的基础;视频监控系统实现变电站内图像监控、安防等远程控制功能，并可与火灾告警系统、变电站自动化系统等联动［1］。

以太无源光网络(ethernet passive optical network，EPON)是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，具有易扩展、高带宽、抗干扰等特点。已有研究表明，在智能变电站过程层网络采用EPON通信平台进行采样值SV和GOOSE传输时的通信性能指标不能满足应用需求［2］，但适用于变电站内对数据实时性要求不高且占用带宽较大的状态监测和视频监控系统，也可作为变电站与调控中心间的传输网络。

1 电气设备状态监测和视频监控系统的业务及网络需求

1.1 电气设备状态监测系统

高压电气设备的安全运行是保证变电站安全运行的基础。状态监测是在不影响变电站设备正常运行的前提下，实时获取设备运行状态和周围环境信息，利用传感、视频、通信、计算机等先进技术，对变压器、耦合电容器、绝缘套管、GIS、断路器、避雷器等设备运行的状态进行监测。

状态监测系统由现场监测单元、状态监测主IED和状态监测后台组成。现场监测单元属于过程层设备，主要指安装于各设备的传感器;各子IED和主IED部署在间隔层;状态监测后台位于站控层，集成于II区综合应用服务器，实时显示设备状态信息，并完成各种监测功能的数据采集存储、故障报警、故障诊断等功能。

状态监测系统数据量巨大但实时性要求不高，220 kV变电站状态监测内容及数据量见表1。

以一个中型220 kV变电站为例(主变压器2台，避雷器8台，双母线接线)，由表2计算可知，该站每小时采样量最少为:1(个量)×2(台)+1(个量)× 60(次/h)×2(台)+1(个量)×60(次/min)× 60(min)×2(台)+3(个量)×12(次/Min)× 60(min)×80(个气室)+1(个量)×2(次/h)× 8(台)=180 138(个)，数据量庞大。

状态监测数据主要为上行数据:通过统一的DL/ T860通信标准(子IED采集的数据直接通过I1［3］规约接入站内状态监测主机与监测后台通信)，经II区综合应用服务器处理后转化为I2［4］规约，通过横向安全隔离装置由Ⅲ/Ⅳ区数据通信网关机传送至主站系统。I1接口数据应用在现场的实时监测，数据流量巨大，I2接口变电站出口数据流量一般小于1Mbps (注:电气设备状态监测I1接口定义为主IED或复合DL/T860通讯规约的子IED和在状态监测后台系统之间的接口;I2接口定义为调度端在线监测主站系统与变电站端后台系统之间的通信接口)。

1.2 视频监控系统

智能变电站按无人值守变电站设计，要求视频监控系统功能更加完善，运行更加可靠。视频监视及安全警卫子系统的传输数据主要为视频流，占用网络资源较大。视频监控内容按照现有变电站安防系统技术规范进行设计，主要包含出入口监控、周界环境监控、重点区域环境监控。视频监控系统由前端摄像机、传输电缆、硬盘录像机及视频服务器等设备组成，与视频监控系统形成一体化的联动［5］，例如某区域安放的红外设备报警，则将视频拍摄区域转到报警区域，记录视频数据到视频服务器存储单元，网内客户端通过请求服务器数据，调用视频历史和实时播放。

以220 kV变电站为例，通常需配置摄像头10～15个。视频监控系统的视频流对于实时性要求不高，一般为≤1 s。视频流为上行数据:网络摄像机通过网线与光电转换器连接，将电信号转换成光信号通过光纤传输到II区综合应用服务器，经通过横向安全隔离装置由Ⅲ/Ⅳ区数据通信网关机传送至其他主站系统。

1.3 传输数据与带宽需求

经上述分析，智能变电站状态监测通过状态监测系统数据量大，每小时采集传输数据约为18万个。而视频监控系统为保证数据传输的稳定可靠性，前端普遍采用720P高清摄像头，一路高清图像需要带宽6～10 M，对于100 M以太网最多同时承载6路高清图像，明显少于每站摄像头配置数量，若采用交换机组网方式，至少需配置16口交换机2台。

变电站状态监测和视频监控系统数据要求见表2。

在视频监控数据到其他主站系统的传送中，通常为SDH2.5 G光纤构建的广域网，带宽容量最大为10 G。随着智能电网的建设，今后智能变电站一次设备、其带宽容量的限制无法满足今后智能变电站的一次设备在线监测业务、视频监控、智能巡维系统等应用。站控层设备进一步优化后，状态监测主机和视频主机整合于综合应用服务器功能中，这些信息除可与I区数据交互实现站内高级功能应用外，还可同时发送至调度部门供调度运行人员查阅。

2 EPON应用于状态监测和视频监控系统的可行性

因EPON技术具有如下突出特点，适合在智能变电站中应用。

(1)设备简单，运维成本低。EPON设备简单，主要包括光线路终端(optical line term inal，OLT)、分光器、光网络单元(optical network unit，ONU)，仅需通过光纤和无源分路器连接，无需配置交换机，同时兼容以太网的应用，使目前基于以太网有线接入的升级变得非常简单，无需引入任何其他协议转化模块［6］。EPON结构在传输途中不需电源，易于铺设，基本无需维护。

(2)提供带宽高，带宽分配灵活。EPON目前可以提供上下行对称的1.25 Gbps带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10 Gbps。EPON可以通过动态带宽算法等实现对每个接入点的带宽分配，并保证每个接入点的服务质量(quality of service，QoS)［7］。

(3)电磁干扰小，雷电影响少。EPON是纯光介质网络，适合在变电站内电磁干扰严重的地区使用。

(4)自愈时间短。变电站内设备对网络自愈时间要求较高，一般会采用双无源光纤网络(passive optical network，PON)光口的ONU。EPON系统的自愈机制建立在2根光纤上，当一条光纤信号或节点故障时，通过EPON的自愈功能可以迅速切换到另一组回环，保证通讯业务的畅通，自愈时间一般不超过100 ms。

鉴于状态监测系统和视频监控系统数据量大、数据实时性要求不高的特点，EPON的技术特点和优势能够很好地满足状态监测和视频监控系统的业务需求，且EPON技术在公网和智能配电网等领域已有广泛的应用［6-10］，因此本文考虑在智能变电站创新应用EPON技术实现状态监测和视频系统数据的传输，以期能够很好地解决目前变电站内、变电站与主站之间日益增长的带宽开销问题。

3 状态监测和视频监控系统EPON网络的构建

3.1 组网方案

通过对状态监测业务和视频业务的需求对象进行分析，可以建立站内和变电站与调度中心的EPON网络整体构架。

方案1。不考虑站内状态监测和视频监控系统数据的应用，数据经分光器直接连接至光纤配线架，进而连接电力综合数据网和调度端主站，如图1所示。

状态监测系统各IED和视频监视系统的各摄像头接入ONU，上行采用时分复用(time division multiple access，TDMA)共享带宽。分光器汇集数据，上送至光纤配线架出站。此方案组网方式简单，但设备状态监测子系统和视频监控系统不与站内数据实现交互。在远期或扩建时，若有需要，只需增加ONU数量和少量光纤即可方便地对系统进行扩容升级，减少了投资。由于站内ONU设备均通过无源分光器以物理并联的型式接到通信信道光纤，后续新增、扩容接入不会影响现有业务通讯的实时性、业务数据的可靠性。

方案2。为满足站内实现高级应用功能的需求，需在方案一的基础上配置OLT，实现站内设备状态监测和视频监控系统数据的交互与分析。OLT为ONU分配带宽，解析下联数据业务，传送至综合应用服务器并将综合应用服务器结合状态监测数据和视频监控数据等处理分析的指令向ONU发送实现状态检修等高级应用功能。分光器并不具备光电转换和数据处理功能，仅完成数据集中作用，如图2所示。

站内各节点通过工业级OLT设备的千兆PON光口和1:n分光器组成的跨OLT主干光路保护通信网。不同系统的信息和不同站的信息充分利用EPON的QoS机制实现分类管理，站内状态监测I1接口数据转换成I2接口后经OPGW光缆传输至在线监测主站;各站的视频流汇集至地调的视频主站后，主站可通过查看各子站内视频图像，实现远程状态检修等高级应用功能。

3.2 设计方案

以国家电网公司通用设计220-A1-1方案为例，220 kV本期采用双母线接线，110 kV本期采用双母线接线，10 kV本期采用单母线分段接线，主变采用三相自耦有载调压变压器2台，220 kV及110 kV均采用户外GIS，220 kV，110 kV，35 kV出线各4回。

全站配置状态监测装置1套，包括涵盖各式传感器和控制器在内的在线监测IED24台;视频监控系统配置摄像机15个，视频监控服务器1组，在线监测服务器1组。装置布置及连接示意如图3所示。

为实现视频监视、顺序控制等高级应用功能，推荐方案2。采用EPON组网方式，根据变电站面积设置摄像头15个，每1～3个摄像头就近配置ONU设备，共需7台;状态监测子IED每8个配置1台ONU设备，共需3台。设置1台OLT设备，装设有PON口和电口，通过OLT上的小型可插拔收发光模块(small form-factor pluggables，SFP)，经过光纤配线架送至调度主站端。接入综合应用服务器(一体化信息平台)的数据通过OLT上的SFP RJ45电口模块完成传输，实现站内高级应用功能。共需SFP端口4个，分别连接站内交换机、有线或无线路由器，提供标准以太网接入的支持。

3.3 经济性分析

上述变电站需配置状态监测子IED24台;视频监控系统需配置网络高清摄像机15个。采用常规方案(交换机组网方式)建设，需配置16口交换机4台。常规方式和EPON方式组网经济性比较详见表3。

由表3可知，采用无源光网络方式比常规组网方式前期投资减少5.2万元。由于EPON为无源光网络，传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，在全寿命周期内基本不用维护，其长期运维成本和管理成本也将大大降低。

可见，通过采用EPON方式构建站内状态监测和视频系统的通信设备成本及建设成本较常规方式都少，经济性较好。

4 结论

经上述分析，结合智能变电站内状态监测与视频监控系统数据传输业务特点，EPON作为一种新型的光纤接入网技术，因其无源光纤传输、成本低、高带宽、抗干扰等优点，应用于智能变电站上述2大系统中，具有很好的经济性，能够满足变电站站点和调度中心间日益增长的状态监测系统和视频监控系统的网络通信带宽需求。

［1］国家电网公司基建部.智能变电站建设技术［M］.北京:中国电力出版社，2011:77-79.

［2］魏勇，宋小会，许伟国，等.智能变电站过程层网络采用EPON技术实用性研究［J］.电气技术，2011(10):15-19.

［3］输变电设备状态监测主站系统变电设备在线监测I1接口网络通信规范［S］.

［4］Q/GDW 740-2012输变电设备状态监测主站系统变电设备在线监测I2接口网络通信规范［S］.

［5］QGDW 688-2012智能变电站辅助控制系统设计技术规范［S］.

［6］尹向东.EPON技术在用电信息采集远程通信中的应用［J］.电力系统通信，2011，215(31):36-40.

［7］朱瑞杰，于昉，夏增极.EPON技术在配电网自动化中的应用［J］.电力建设，2011，32(6):49-53.

［8］李祥珍，何清素，孙寄生.智能配电网通信组网技术研究及应用［J］.中国电力，2011，44(12):78-81.

［9］李博.变电站主电气设备状态监测和故障诊断技术应用［J］.中国电力，2002，35(11):37-41.

［10］马卫平，董旭柱，王忠东，等.大型变压器局部放电在线监测系统研究［J］.中国电力，2000，33(4):35-37，66.

(编辑:张媛媛)

Application of EPON Technology in Smart Substation Condition Monitoring and Video Surveillance System s

YANG Zhen，ZHAO Yanru
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

Ethernet passive optical network(EPON)is a new technology for optical fiber accessing network，which has characteristics of low cost，high bandw idth，little electromagnetic interference，strong scalability，strong compatibility and so on.The condition monitoring and video surveillance system in smart substation have a feature of large data，but low realtime requirements.The condition monitoring and video surveillance system in substation are constructed With using EPON can effectively solve the problem of exports＇bandw idth allocation Without using sw itches，and also can save the network construction investment and life-cycle maintenance costs，which is effective new network scheme for the condition monitoring and video surveillance system in smart substation.This paper analyzed the feasibility of the application of EPON technology in monitoring and video surveillance system in smart substation，and designed the construction scheme of EPON network for 220 kV smart substation，which can provide a new scheme for the data transm ission in monitoring and video surveillance system in smart substation.

ethernet passive optical network(EPON);condition monitoring;video surveillance;network scheme

TM 76

A

1000－7229(2014)11－0107－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.018

2014-05-26

2014-06-24

杨臻(1981)，女，硕士，工程师，研究方向为变电站设计技术;赵燕茹(1960)，女，高级工程师，研究方向为变电站设计技术。