基于EPON技术的配网自动化通信方案研究

2021-10-28 12:52李慧

电气自动化 2021年5期

李慧

(1.国网冀北电力有限公司技能培训中心，河北保定 071051；2.保定电力职业技术学院，河北保定 071051)

0 引言

随着社会经济的发展，全社会对电能质量、节能减排、优质服务和环境保护的要求不断提高，电力系统也面临着诸多挑战，在这种情况下国家十分注重智能电网的发展[1]。智能电网是将多种智能技术相结合，应用于现代电网系统的建设，通过多种分析决策技术实现电网系统的现代化。智能技术主要包括信息网络技术、自动化技术、测量控制技术以及通信传输技术[2]。智能配电网实现的关键就在于实现配电自动化，配电自动化系统能够自动实现电能配送的监视和控制，基础是通信网络。配电网自动化系统主要利用通信网络实现配电网系统的运行状态、故障信息以及数据信息的获取，最终下达命令给终端系统[3]。配电网的建设对配电网自动化建设十分重要，因而本次研究分析以以太网无源光网络(ethernet passive optical network, EPON)技术为基础的配网自动化通信方案。

1 基于EPON技术的配电网自动化通信方案

在配电网的自动系统通信网的接入网站中采用EPON技术，得到相应的配电网自动通信方案。采用手拉手环网接线模式是配电网中常用的模式之一。EPON系统采用手拉手全光路接线模式时，网架结构与配电网的结构十分相似，同样能够实现全光保护倒换，并且不会改变光纤网络的原有结构[4]。配电网的这种接入结构能够提供两种保护模式，第一种保护模式对失效的OLT设备进行保护，当OLT设备发生故障时或者其上某个联口发生故障时，就会强制使得配电网业务转换至另外一个OLT方向上。第二种保护模式是当配电网的某个方向上的光纤功能异常或者不能工作时，也会将配电网汇中的业务强制转换到另外一个OLT方向上[5]。两种保护模式下的转换时间均不超过50 ms，这是为了适应配电网自动化的建设原则。在EPON技术的配电网中，OLT设备主要采用双电源接入，同时主控板采用的是备用机制以支持主控板的1+1保护倒换。当OLT设备断电时，EPON技术还支持系统配置恢复。EPON技术下典型的配电网接入结构如图1所示，其中图1(a)为双T型组网结构，图1(b)为手拉手保护接入结构。

图1 EPON技术下的配电网接入结构

图1为一种EPON技术下典型的EPON配电网接入结构。从图1可以看出，在配电所A和配电所B之间的ONU是以手拉手两点的方式接入的，其中OLTA以及OLTB分别安装于不同的变电所，ONU的安装位置为中间开关站。在这种配电网接入结构中，当光纤中断或者其中一端OLT设备失效时，都能实现配电网的保护模式，并且主要是由ONU选择不同的OLT。

图2为本次研究所涉及的以EPON技术为基础的配电网自动化通信方案。从图2可以看出，ONU均接在一个OLT变电所上，中间开关站的链路两端分别有不同的光路。这种接入结构在配电网失效时的保护效果不如两点接入的保护效果显著。

图2 EPON技术下的配电网自动化通信方案

2 基于EPON技术的配电网自动化通信方案的有效性分析

配电网通信方案是否可靠，可以通过分析配电网系统的可靠性测度进行判断，一般来说，配电网可靠性测度的主要指标包括可靠性、抗毁性和有效性等。本文在分析以EPON技术为基础的配电网系统自动化通信方案的可靠性测度时，以有效性作为评价指标。有效性包含两个参数：一个参数为配电网的平均故障修复时间MTTR，另一个参数是平均故障间隔时间MTBF[6]。采用EPON技术实现配电网自动化通信，过程如图3所示。

图3 EPON技术支持的配电网自动化通信结构

图3为EPON技术支持的配电网自动化通信系统结构。从图3可以看出，该配电网结构中包含光缆终端设备OLT，光节点ONU以及非均匀分光器POS，并且联系光纤用LL表示，主干光纤用LM表示，支路光纤用LA表示。从配电网的结构布置来看，配电子站中放置终端OLT设备，并且通过OLT的一个PON口连接多个POS，每一个分段开关处可以放置分光器，而每个ONU可以放置在FTU箱体内，或者其他箱体。一般来说这种配电网OLT的光纤通信半径在20 km左右，能够满足电源3～5 km的供电范围[7]。

EPON通常分为两种拓扑结构，包括线型结构和树型结构。EPON网络结构采用线型结构时，其组网相对较为简单，但可能存在因支路光纤出现故障而使得ONU不能使用的情况。当EPON网络结构采用树型结构时，各个光纤节点之间相当于并联，单一的ONU或者LA发生故障时对其他光节点不会产生太大影响；为了增强EPON线型结构的有效性而使其能够和配电网匹配，EPON组网一般采用上述所示的手拉手接入结构，这种情况下配电子站到分段单元i(i=1,2,…,n)两端的有效性如式(1)所示。

Aend-to-end=AtAlmApAlaAoAp[(ApAll)i-1+(ApAll)n-i-AtAlmAlaAp(ApAll)n-1]

(1)

式中:At、Alm、Ap、Ao、All以及Ala分别对应光缆终端设备、主干光纤、分光器、光节点、互联光纤以及支路光纤的有效性。在配电网实施光纤通信时，根据配电网的相应结构，光纤信号通路一般可能为树型结构或线型结构，配电站终端与配电子站之间的光纤资源通常是点到多点结构，元件的有效性如式(2)所示。

(2)

式中：MTBF为平均故障间隔，表示故障率的倒数；MTTR为平均维修时间。假设光纤长度为L，并且将光纤分成小段，当光纤分段的长度ΔL非常小时，可以认为出现故障的概率能够均匀分布在整个光纤上，则整段光纤的故障率如式(3)所示。

λ(L)=Lλo

(3)

式中：λ0为光纤每公里的故障率；L为光纤长度。对于EPON技术下的配电网自动化系统而言，ONU具有两种较为典型的分布，分别为集中型分布与分散型分布。对于集中型分布而言，配电网各个ONU之间的距离相对较短，远小于OLT与ONU之间的距离。而对于分散型分布的配电网系统而言，各个ONU之间的距离是较大的，远大于ONU与OLT之间的距离，因此集中型分布和分散型分布最主要的区别就在于配电网的ONU之间的距离大小。在对配电网进行有效性分析时，主要测量的就是分散型分布和集中型分布情况下配电网元件的有效性。

3 结果分析

在对EPON技术下的配电网自动化通信方案进行有效性分析后，得到相应的结果，如图4所示。

图4 EPON技术下配电网不同组网方式的可靠性

图4为以EPON技术为基础的配电网不同组网方式的可靠性分析结果。图4中：f为配电组网发生故障，分别包括f1、f2以及f3三种不同的故障情况。可以看出，配电网手拉手接入的配电网组网方式在三种故障情况下的可靠性均较高，在0.999 5以上，其他两种组网方式的可靠性也在0.998 0左右。综合来看，本次研究所涉及的配电网通信方案能够有效地提高不同组网方式在不同故障情况下的可靠性。与此同时，以配电网的平均接入时延作为衡量其可靠程度的指标，配电网接入包括单业务和多业务数据流量的接入，且带宽分别为1 Gbit/s和10 Gbit/s。

图5为此次通信方案下的配电网网络接入时延时间结果分析。从图5中可以看出，在不同业务流量接入以及不同流量负荷的情况下，配电网三种组网方式的平均接入时延是有所不同的。总体来看，配电网平均时延随着电流流量负荷的增加而增大。就单业务流量而言，带宽为1时，手拉手型的配电网组网方式平均接入时延比其他两种组网方式大，且随电流流量负荷增大得较快，当流量负荷为1时，其平均接入时延增大至0.1 s，仍然较小，如图5(a)所示。带宽为10时，三种配电网组网方式的平均接入时延相对较小，流量负荷在0.1%～1.0%范围变化时，其平均接入时延范围为0.000 1～0.010 0 s。同样的，对于多业务流量而言：带宽为1时，三种组网方式的平均接入时延相对于单业务流量有所减小；带宽为10时，三种组网方式的平均接入时延相对于带宽为1有所减小，其变化范围在0.000 1～0.010 0 s之间。

图5 EPON技术下配电网网络接入的平均时延

可以看出，在以EPON技术为基础的配电网通信方案下，配电网带宽越大，不同组网方式的平均接入时延有所减小，且多业务流量接入相对于单业务流量接入的平均时延时间较小，由此说明，本文研究方案的不同组网方式的平均接入时延相对较小，该方案是可靠和有效的。

为进一步验证本文的有效性，分析得到该方案下不同组网方式的字节丢失率，如图6所示。图6为以EPON技术为基础的配电网不同组网方式字节丢失率结果，其中：图6(a)为单业务流量的三种组网方式字节丢失率；图6(b)为多业务流量带宽为1时的三种组网方式字节丢失率；图6(c)为多业务流量带宽为10时的三种组网方式字节丢失率。从图6可以看出，单业务流量输入时，以太网环的字节丢失率相对较大，当电流流量负荷为1%时，字节丢失率仅为0.07%。多业务流量输入且带宽为1时，手拉手的字节损失率相对较大，但也仅为0.25%；多业务流量输入且带宽为10时，配电网手拉手组网方式仍然相对较大，当流量负荷为1%时，其字节损失率为0.19%。综合来看，以EPON技术为基础的配电网通信方案，能够有效控制不同组网方式的字节丢失率。

图6 EPON技术下的配电网不同组网方式的字节丢失率

4 结束语