EPON在智能变电站中的实现

彭奇(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

EPON在智能变电站中的实现

彭奇
(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

通过分析EPON的工作原理及其优势，结合智能变电站对EPON的技术要求，提出了一种EPON在智能变电站中的网络架构实现。通过简单分析智能变电站内的网络报文种类及流量，肯定了EPON可用于智能变电站的过程层通信。同时介绍了一种基于CPU和FPGA的EPON功能插件的实现。EPON技术不仅减少了智能变电站有源光纤网络交换机的数量，降低了成本，同时提高了网络的可靠性、灵活性，易于站内通信网络的维护与管理。

PON；EPON；ONU；通信架构；过程层

0 引 言

随着智能变电站的快速建设发展，站内网络承载了更多的电力系统业务类型，包括EtherNet/IP、RS232/485串口、语音、视频监控等业务，支持IEC 60870-5-101、IEC60870-5-104、IEC61850等多种电力通信规约业务的透传。其中诸如SV(采样值)、GOOSE(面向对象变电站事件的通用对象)等业务流量巨大，数据内容重要，是智能变电站正常运行的基础。2006年我国厂站建设开始全面进入光纤网络接入时代，光纤接入技术不仅解决了带宽瓶颈问题，还解决了双绞线接入的长距离覆盖问题。光纤接入分为有源和无源两种模式。有源指的是目前使用的光纤以太网，适合目前智能变电站内部专网专线接入，而无源指的就是PON(无源光纤网络)，PON是未来光纤接入技术的主流模式。

1 EPON原理介绍

1.1 PON原理介绍

无源光纤网络简称PON[1]，是一种点到多点结构的无源光网络，如图1所示，由安装于中心控制站OLT(光线路终端)、配套安装于用户场所的ONU(光网络单元)，以及ODN(光分配网络)等组成。网络中不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器等无源器件组成。

图1 PON链路架构

PON技术的主要优势包括传输距离长、带宽高、接入容量大、成本低。PON技术可以覆盖20公里，采用无源的光分路器进行汇聚，网络扁平化，可节约90%的汇聚交换机；拥有高达1.25 G或2.5 G的带宽；采用点对多点技术，可以节约大量的光纤和一半的光收发器，且无源的光纤网络可大大降低维护成本。

1.2 EPON原理介绍

以太网无源光网络简称EPON，是在以太网之上提供多种业务的单纤双向光接入网络技术，其系统参考图如图2所示[2]。

图2 EPON系统参考结构

EPON的标准是IEEE802.3ah，其物理层采用PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入，不仅综合了PON技术和以太网技术的优点，且扩展性强，与现有以太网兼容方便管理。EPON强调数据接入能力，延续了以太网开放的架构和特点。

EPON系统在一根纤芯上传送上下行两个波段。下行方向(OLT到ONU)为广播方式，所有ONU都能收到OLT发送的相同的数据，通过LLID(逻辑链路标记)来区分不同的业务，过滤接收属于自己的数据；上行方向(ONU到OLT)，通过TDMA(时分复用)的方式传输数据，一个ONU发送的信号只会到达OLT，而不会直接到达其它ONU；每个ONU会收到OLT发给它的授权消息，按OLT告知的时间点发送指定的报文数量，避免了数据冲突并提高网络利用效率。

2 EPON在智能变电站中的架构

2.1 智能变电站EPON的技术要求

智能变电站是智能电网的重要基础节点和支撑，网络通信技术是其核心技术之一。目前国内智能变电站主要采用工业以太网交换机进行通信系统的体系设计。其中工业交换机价格昂贵，使用数量多，在使用过程层网采或网跳方式的已投运智能变电站中，其中工业交换机成本几乎和所有二次设备成本相当。去电缆化，即采用光纤替代传统电缆可减少传输过程中的电信号，既降低了成本，也降低了干扰。因此，在智能变电站的建设中，需要一种更经济实用、更抗干扰、更适合通信技术光纤化发展趋势的数据交换技术。国家电网公司已颁布了相应的EPON标准，要满足智能变电站中的各种应用，EPON的具体技术要求包括如下部分：

EPON系统应使用1000BASE-PX20物理层接口，最大传输距离20 km，使用符合ITU-T G.652要求的单模光纤。系统设计为单纤双向系统，上、下行分别使用不同波长的光信号。系统符合YD/T 1475、YD/T 1771的规定，支持的最大分路比至少为1∶32。在以太网要求方面，OLT、ONU都应支持根据MAC地址进行交换，还需支持MAC地址的动态学习功能以及以太网业务二层交换功能。系统还需支持以太网数据帧过滤，支持全双工方式下的IEEE Std802.3x流量控制协议，还可配置相关功能，同时系统应支持VLAN及组播功能，OLT、ONU应支持IEEE 802.1Q协议[2]。

在可靠性方面，智能变电站中如果一根光纤数据异常，可能导致保护误跳或者拒跳，影响一个地区的电力供应或者导致昂贵的一次设备损坏。所以，必须保证较低的光纤故障率，一旦出现故障必须很快进行精确定位并予以维修。

在应用环境方面，由于电力系统设备要承受的环境条件往往更加恶劣，因此对EPON设备的抗电磁干扰、环境温度、湿度耐受性等方面提出了更高的要求。

在与原设备的兼容性方面，电力行业与通信行业的业务类型不一样，因此，应用于智能变电站的EPON设备需要根据其标准开发专门接口与原有的设备进行对接，或者将EPON模块嵌入智能变电站二次设备内，提高其集成度。

2.2 智能变电站EPON架构

在智能电网的建设中，用电领域已成功使用EPON技术，采用光纤复合低压电缆，配合EPON技术承载信息采集、智能用电等业务[3]。而在智能变电站内部，二次设备间的通信尚未有基于EPON技术网络架构。EPON是针对通信行业应用开发的产品，在电力行业应用时需针对应用环境和需求进行优化。基于EPON的智能变电站建设包含了诸多功能及相应的技术和设备[4]。

由于智能变电站已不采用传统电缆传输模拟量及开入量，而采用数字化方式传输报文，所以在站内会采用全光缆配置，而非光纤复合电缆。智能变电站过程层是个典型网络，采用EPON设计系统的基本组成应包括： OLT、ODN和ONU，如图3所示。图3所示架构中ONU已设计为二次设备内部模块。

图3 EPON在智能变电站过程层的通信架构

OLT是ONU接入的中心汇聚点和控制中心，负责带宽分配控制、ONU工作状态检测，与网络管理软件的接口等。ODN是处于OLT与各ONU之间的无源光网络，为OLT何ONU之间提供光传输物理通道。

ONU完成与OLT的用户数据与协议数据的交互，在智能变电站中主要实现各装置侧的接口功能。考虑到降低设备成本，提高设备集成度的原则，可以将ONU功能设计为一个置于二次设备内部的功能模块。

合并单元、智能终端与保护、测控装置之间的数据通信通过OLT中转实现，通信链路完全由光纤和ODN等无源器件组成。主时钟的IEEE1588对时光纤也连接到OLT，与SV报文和GOOSE报文复用EPON链路，可以给过程层设备提供高精度对时源。从图3中可以看出，采用EPON架构的智能变电站过程层设计，与传统方式相比，大大减少了工业交换机的数目，通过ODN无源器件对光纤信号进行汇聚，一定程度上实现了网络扁平化，既减少了网络结构层次，也降低了设备成本。

2.3 网络分析

智能变电站通信报文主要是MMS(报文制造规范)报文、SV报文、GOOSE报文和IEEE1588对时报文。站控层报文包括MMS报文，用于五防的GOOSE报文等，过程层报文包括SV报文、GOOSE报文及IEEE1588对时报文等，过程层报文数据流量大于站控层报文数据流量。MMS报文基于MMS协议，正常情况下流量稳定，存在突变可能；SV报文基于IEC61850-9-2，流量大，发送时间间隔短，但流量均匀无突变；GOOSE报文突发性强，可能会有瞬时爆发性流量产生；IEEE1588报文收发间隔和流量均不大。由于每帧EPON数据包均含有32位时间戳信息，因而IEEE1588在EPON实现具有先天优势。与IRIGB对时模式相比，采用IEEE1588对时还可以充分利用EPON光纤通道，不用独立的对时光纤布线，简化工程实施，节约了成本，可以作为首选对时方案优先考虑。

目前智能变电站过程层通信端口速率为100 M，出于设备安全考虑，基本上带宽使用最大到30 Mbit/s。EPON可以提供上下行对称的最小1.25 Gbit/s的带宽，依靠无源优势可以将带宽利用率提高到80%左右，最小带宽也能达到1 Gbit/s。假设每个PON口下接入16个ONU，每台ONU也能分到62.5 Mbit/s的带宽，不仅能满足目前智能变电站过程层通信带宽需求，还可走更大的数据流量。

由于ONU向OLT发送数据采用基于申请-授权的带宽分配机制，因此EPON网络存在网络延时。该延时会对SV报文的接收产生一定影响，但可通过一定算法计算延时。若延时剧烈抖动，会导致接收端装置在一个采样中断里收到多帧SV报文或者连续多个中断收不到对侧SV报文，但不会导致丢帧，这是EPON的缺点[5]。可通过增加采样数据缓冲区来克服网络延时抖动带来的影响。

3 EPON功能插件的实现

为减少智能变电站内通信链路上的设备，简化设计，提高二次设备集成度，考虑将ONU功能作为一个独立的功能模块内嵌到装置内部，如图4所示。

主CPU插件上的FPGA扩展千兆网口实现MMS功能，扩展两个PON口实现过程层以太网功能，GOOSE、SV、IEEE1588 接收报文通过PON口进入系统，由FPGA 进行分组并存储，通过PCI-E接口DMA(直接内存存取)存取的方式直接将报文存到CPU的外部DDR内存中。主CPU插件的双核处理器根据报文分组对不同报文进行处理，其中一个核负责管理功能，主要对MMS和IEEE1588报文进行解析并处理；另一个核对SV和GOOSE报文进行解析处理并执行保护测控应用功能，处理后的数据由处理器通过PCI-E接口传送给FPGA，再由FPGA通过PON口向外发送GOOSE、SV、IEEE1588等相关信息。

图4 基于CPU和FPGA的EPON插件设计

4 结束语

EPON的无源特性使其拥有良好的稳定性以及低功耗的特点，这不仅解决了目前智能变电站有源光纤网络交换机的散热弊端，降低了用电成本，还大大提高了网络的可靠性。其组网方式灵活多变，可根据网络节点的实际地理位置灵活组网或改变网络拓扑，通过在智能变电站内的合理组网，还可充分发挥EPON在带宽及速度上的优势。EPON点对多点的结构也有利于集中网管，降低智能变电站网络的建设和维护成本。

[1] 陈洁. PON技术及应用分析[J]. 通信管理与技术 2007,4(8):14-18.[2] 国家电网公司企业标准.Q/GDW 553.1-2010 基于以太网方式的无源光网络(EPON)系统.第1部分：技术条件[S].[出版地不祥]，2010.

[3] 张浩,卜宪德,郭经红，等. EPON技术在用电信息采集系统中的应用[J]. 电力系统通信 2010,7(7):42-46.

[4] 金乃正,朱玛,马平，等.基于EPON通信技术的智能变电站保护控制技术研究[J]. 数字技术与应用2013,1(1):36-38.

[5] 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(10):15-19.

Implementation of EPON in the Smart Substation

PENG Qi
(State Grid NARI Technology Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

Through analysis of the working principle and advantages of EPON and in relation to smart substation’s requirements on EPON, this paper presents an implementation of EPON in the network frame of a smart substation. Through a simple analysis of the types and flow of network messages of the smart substation, it proves that EPON can be used for the process level communication of the smart substation. Furthermore, it introduces an implementation of EPON functional plug-in based on CPU and FPGA. EPON not only reduces the quantity of switches in the active fiber-optic network of the smart substation and the cost, but also improves the reliability and flexibility of the network, thus enabling easier maintenance and management of the in-station communication network.

PON; EPON; ONU; communication frame; process level

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.020

TM76

A

1000-3886(2015)05-0063-03

彭奇(1982-)，男，江苏南京人，硕士，工程师，主要研究方向：智能变电站系统研究。

定稿日期: 2014-11-05