矿区配电网自动化EPON通信的可靠性分析

赵元苏 曹福凯 郭 蕊

(1.北京工业职业技术学院信息工程学院,北京 100042;2.华北理工大学冀唐学院,河北 唐山 063210)

随着矿山企业生产技术的电气化与智能化发展,矿区配电网自动化已成为矿区供电系统的关键技术。配电网自动化能够保证矿区供电的可靠性与安全性,进而提升矿山企业的生产效率,降低运维成本[1-3]。在矿区配电网自动化中通信系统起着关键作用,其可靠性直接影响到配电网能否实现自动化运营。矿区工作环境相对恶劣,尤其在地下存在高温高湿、电磁干扰严重等不利因素,而矿山的生产特点要求其通信网络必须具有极高的可靠性。以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network,EPON)具有可靠性高、传输距离长、抗电磁干扰、拓展性强等优势,目前已有越来越多的矿区采用EPON作为其配电网自动化的通信方式[4-6]。

对于配电网自动化中EPON通信可靠性已有相关学者进行了大量研究。文献[7-11]分析了配电网自动化采用EPON通信的优势并提出了具体的构网方案;文献[12-16]研究了基于EPON的分布式配电网自动化,并通过分布式故障自愈技术提高了配电网的可靠性;文献[17-20]从信息物理系统层面对基于EPON通信的配电网进行了可靠性评估。上述研究主要针对城市配电网中的EPON通信展开的,受到矿区特殊环境因素影响,矿区配电网自动化的通信场景更为复杂。因此,需要针对矿区环境下EPON通信的特殊结构,分析其可靠性,以便更好地满足矿山企业的实际生产需求。本研究通过分析矿区灾害强度、网络覆盖半径等因素对不同EPON结构的影响,提出了矿区配电网自动化EPON通信的可靠性数学模型,可定量评估3种不同网络结构EPON通信的可靠性,为矿山企业选用合适的网络结构提供理论依据。

1 基于EPON的配电网自动化通信网络

配电网自动化的EPON通信网络一般可分为两种拓扑结构:直线形结构和树形结构。其中直线形结构组网较为简单,如图1所示。图中,SDH表示数字同步体系(Synchronous Digital Hierarchy),OLT代表光线路终端(Optical Line Terminal),POS代表无源光纤分路器(Passive Optical Splitter),ONU代表光网络单元(Optical Network Unit),DTU代表数据终端单元(Data Terminal Unit)。

图1 配电网自动化中EPON通信结构示意Fig.1 Schematic of EPON communication structure in distribution automation

配电子站是配电网自动化EPON通信网络中的起点与核心,其中包含可接收外部光网络数据的SDH设备、交换机和OLT。OLT是EPON系统中的局端设备,可实现基于设备的网元管理和基于业务的安全管理和配置管理,进而实现对设备和端口的监测与管理,以及业务开通和带宽分配等高级功能。OLT通过主干光纤将其信息发送给与之相连接的POS并接收该POS的信息,POS可通过支路光纤与ONU通信或通过联系光纤与向下POS通信[10]。EPON系统中一个OLT的光纤通信半径约为20 km,可以满足配电网自动化需求[21]。

在评估配电网通信网络的可靠性程度时,有效性是一个重要指标。通信网络的有效性取决于平均故障修复时间(Mean Time to Repair,MTTR)和平均故障间隔时间(Mean Time between Failure,MTBF),具体计算公式[22]为

式中,tMTBF为网络平均故障间隔,其值也等于故障率的倒数;tMTTR为网络平均维修时间。

2 无冗余结构的矿区配电网自动化EPON可靠性评估模型

在矿区配电网自动化的EPON系统中,除了配电子站中的OLT位于地上,其余设备均位于地下。考虑到地下矿井中巷道分布较为分散,EPON通信网络通常采用树形结构,如图2所示。

图2 矿区配电网自动化EPON的树形结构Fig.2 Tree structure of EPON in mining area distribution automation

由图2可知:在树形结构的通信网络中,OLT与地下网络中顶部的主POS直接相连,对于含有n个子树的网络,主POS通过联系光纤L1、L2、L3、…、Ln与子树中的POS相连。在树形结构的EPON中,OLT被称为树的根节点,末端的ONU1、ONU2、ONU3、…、ONUi被称为树的叶子节点。

相较于一般的城市配电网自动化,矿区系统的特殊性在于更容易发生坍塌等灾害,导致通信网络中的节点和链路出现大范围故障。因此,灾害后网络的生存性是评价矿区配电网自动化通信可靠性的重要指标。通信网络的生存性是指网络对灾害引发的业务干扰和抵抗能力,即在灾害发生后网络中某些节点和链路在一定概率故障的情况下,网络保持正常通信的概率。基于通信网络的可靠性理论,EPON的生存型可用概率方法进行衡量。

灾害发生后EPON通信出现故障的原因可分为节点故障和链路故障,节点故障是指通信网络中OLT、POS和ONU等设备发生故障,链路故障是指通信光纤中发生故障。考虑到矿区灾害强度与光纤发生故障之间的概率关系,设灾害发生后发生的灾害强度概率为k,灾害均匀作用在矿区配电网自动化EPON光纤链路l上的故障概率为P(l)。当光纤链路l的分段长度ΔL无限接近于0时,在长度为ΔL的光纤中发生故障的概率可表示为

根据极限定理,矿区配电网自动化EPON光纤链路l发生故障的概率可进一步表示为

在矿区发生灾害后,EPON光纤链路能够保持正常通信的概率为

根据图2所示的树形结构矿区EPON,若地下巷道的通信网络中含有n条光纤链路且任意光纤中发生故障的概率相互独立,则当灾害出现时,m段光纤链路发生故障的概率分布可表示为

式中,为从N个不同元素中取出i个元素的所有组合的个数;PS为一段光纤链路正常通信的概率。

设矿区发生灾害后光纤链路Li能够保持正常通信的概率为Pi,则此时矿区配电网自动化EPON能够正常通信的概率ST(k)可表示为

式中,STi(k)为光纤链路Li的可靠性。

若树形结构的矿区配电网自动化EPON中包含m个叶子节点,假设它们能够在灾后保持正常通信的概率为分别为P1、P2、…、Pm。假设EPON通信网络的覆盖半径为L,且根节点到各个叶子节点的通信距离均匀地分布在0到L之间,则式(6)可进一步表示为

式中,P(ONUi)表示从OLT设备到叶子节点ONUi的通信网络正常工作的概率。

根据上述分析,矿区配电网自动化的可靠性可以表示为

3 有冗余结构的矿区配电网自动化EPON可靠性评估模型

在矿区配电网自动化EPON系统中,位于地面配电子站的OLT和地下配电终端处的ONU发生故障后容易被修复,也可以通过增强节点设备的固有可靠性来增强通信网络的可靠性,它们对EPON整体的可靠性影响较小;相比之下,POS以及光纤链路的故障难以被快速定位并修复,对EPON的可靠性影响较大[5]。由于矿区配电网发生灾害的程度远高于普通配电网,因此有必要通过增加EPON中光纤链路冗余度的方式提高通信网络的可靠性。目前,矿区配电网自动化EPON中常用的冗余结构可分为树形、双环形和双总线形。

3.1 树形冗余结构

矿区配电网自动化的EPON通信中最常见的冗余结构为树形冗余,如图3所示。树形冗余结构采用共享光纤分配电网(Optical Distribution Network,ODN)的方式实现网络冗余备份设计。ODN由若干个POS、主光纤链路和分支光纤链路组成。在图3中,实线代表主光纤链路,位于地面配电子站内的OLT设备通过多级POS和地下巷道中的各个ONU组成主链路;虚线代表后备光纤链路,OLT设备也可以通过后备光纤链路连接地下巷道中的全部POS和ONU。EPON的树形冗余结构通过对OLT设备中的PON接口和ODN网络的主干光纤链路进行冗余备份设计,通过双光纤链路和双份的POS进行连接。

图3 矿区配电网自动化EPON的树形冗余结构Fig.3 Tree structure of EPON with redundancy in mining area distribution automation

在树形冗余结构的矿区配电网自动化EPON系统中,定义根节点R与OLT设备之间的距离为d,各个叶子节点ONUi到根节点R的距离l均匀分布于0～L。当矿区发生灾害时,若只有一个光纤链路中的设备发生故障,显然不会对具备冗余结构设计的矿区配电网自动化EPON系统造成影响,因此只需考虑主光纤与后备光纤链路中同时出现故障时对叶子节点ONUi通信造成的影响,此时从OLT设备到根节点R的通信网络正常工作的概率为

从根节点R到叶子节点ONUi的通信网络正常工作的概率为

在矿区发生灾害时,从OLT设备到叶子节点ONUi的通信网络正常工作的概率为

将(11)代入式(8)中,可得矿区配电网自动化采用树形冗余结构设计时的可靠性为

3.2 双环形冗余结构

矿区配电网自动化EPON通信网络的环形冗余结构为共享光纤分配电网的双环形结构,如图4所示。双环形冗余结构的EPON由一条主光纤链路和一条后备光纤链路组成双链路冗余。在图4中,主光纤链路沿逆时针方向连接OLT设备与地下巷道中的多个POS构成主环,各个叶子节点中的ONU通过附近的POS接入EPON通信网络;后备光纤链路沿与主链路相反的方向连接OLT设备与地下巷道中的多个POS构成备用环。双环形冗余结构设计保证了所有叶子节点中的ONU都能在EPON中实现冗余通信,当矿区发生灾害导致某一链路完全失效时,对EPON中网络覆盖和平均路径距离的影响较小;任意一个叶子节点发生故障时也不会影响其他叶子节点的正常通信。双环形冗余结构的矿区配电网自动化EPON通信网络可有效地保护通信链路的有效性,解决了传统环形结构的光纤以太网在发生链路故障时的不足,可实现光纤链路的快速愈合,更好地提高EPON通信网络的容错能力。双环形冗余结构虽然增加了通信网络中节点度,但能够明显地提高矿区配电网自动化EPON的可靠性和容错能力。

图4 矿区配电网自动化EPON的双环形冗余结构Fig.4 Dual-ring structure of EPON with redundancy in mining area distribution automation

对于采用双环形冗余结构设计的矿区配电网自动化EPON通信网络,在分析其可靠性时也应主要分析主光纤和后备光纤两链路同时故障时对各叶子节点ONU通信的影响。假设在EPON的主光纤链路中,叶子节点ONUi距离中心节点OLT设备的距离为li,且各叶子节点到OTL设备的距离均匀分布在0～L范围内,根据双环形冗余结构的设计原则,在后备光纤链路中该叶子节点到OTL设备的距离l'i满足:

为便于计算,定义环形链路中距ONUi最近的POS的距离同样为d,该链路能够正常通信的概率为

当矿区发生灾害后,ONUi在主光纤链路和后备光纤链路中能够正常通信的概率分别为

在采用双环形冗余结构的网络中,灾害后ONUi能够保持正常通信的概率可表示为

将(17)代入式(8)中,可得矿区配电网自动化采用双环形冗余结构设计时的可靠性为

3.3 双总线形冗余结构

矿区配电网自动化EPON通信网络的双总线形冗余结构也被称为“手拉手”网络,如图5所示。该结构是由一条主光纤链路和一条后备光纤链路组合而成的双总线形通信网络。在图5中,实线代表主光纤链路,位于地上配电网子站中的OLT设备通过多级POS与分布在地下巷道中的全部ONU依次相连;虚线代表后备光纤链路,该链路同样始于OLT设备,但在地下巷道中它以与主光纤链路相反的方向通过多级POS与全部ONU依次相连。这样的设计方法可以保证EPON中OLT设备和ODN终端间的光纤链路存在冗余备份,全部的光通道均具有双光纤配置和多个无源分光器。实际运行中,主光纤链路和后备光纤链路分别通过两组分光器与OLT和各ONU相连,互为备用。EPON通信网络中双总线形冗余结构的最大优势是地下巷道中任意一处ONU产生故障时均不会对其余ONU造成影响,具备非常高的可靠性。

图5 矿区配电网自动化EPON的双总线形冗余结构Fig.5 Dual-bus structure of EPON with redundancy in mining area distribution automation

对于存在N个叶子节点的矿区配电网自动化EPON通信网络,当采用双总线形冗余结构时,为便于分析,近似认为各个叶子节点到根节点的距离符合均匀分布。发生矿区灾害后,由于存在冗余配置,只需考虑主光纤链路和备用光纤链路同时存在故障时地下巷道内的各个ONU能否保持正常通信。与上一小节中分析的双环形冗余结构类似,假设在EPON的主光纤链路中叶子节点ONUi到根节点的距离为li,则在后备光纤链路中该叶子节点到根节点的距离l'i同样满足式(13)。当矿区发生灾害后,ONUi在主光纤链路和后备光纤链路中能够正常通信的概率依然如式(15)和式(16)所示。发生灾害后ONUi能够维持正常通信的概率为

将式(19)代入式(8)中,可得矿区配电网自动化采用双总线形冗余结构设计时的可靠性为

4 算例分析

通过对不同网络结构的概率分析与近似计算,得到了可评估矿区配电网自动化EPON可靠性的数学模型。根据各个网络结构的可靠性数学模型可以看出,矿区发生灾害后EPON通信的可靠性与灾害强度k、网络覆盖半径L相关。然而,由于数学模型为含有指数运算的复杂模型,难以直接分析出可靠性与灾害强度、网络覆盖半径的具体关系,因此本研究利用MATLAB程序对不同网络结构的可靠性进行算例编程计算。在计算时,定义OLT设备到根节点的距离d为单位长度且网络覆盖半径L最大值为100。在本节中L对应的数值即为单位长度的倍数。

4.1 灾害强度对不同结构EPON可靠性的影响

为研究灾害强度对矿区配电网自动化EPON可靠性的影响,将网络覆盖半径固定为10,此时设置灾害强度变化范围为0.1～1.0,不同网络结构的EPON可靠性计算结果见表1。

表1 不同灾害强度下各种网络结构的可靠性Table 1 Reliability of various network structures under different disaster intensities

由表1可知:对于不同网络结构,EPON的可靠性均会随着灾害强度增加而降低;另外,在灾害强度相同的条件下,双总线形结构可靠性最高,双环形结构次之,树形结构的可靠性相对另外两种结构明显更低。因此,在对通信网络可靠性要求较高的矿区配电网自动化中,应优先采用双总线形和双环形结构的EPON。对比不同灾害强度下双总线形结构和双环形结构的可靠性可以看出,当灾害强度为0.1时,双总线形结构的可靠性是双环形结构的1.108 6倍;当灾害强度为1.0时,双总线形结构的可靠性可以达到双环形结构的2.218 8倍,因此灾害强度越高时双总线形结构的可靠性优势越明显。

4.2 网络覆盖半径对不同结构EPON可靠性的影响

为研究网络覆盖半径对矿区配电网自动化EPON可靠性的影响,将矿区灾害强度固定,并设置网络覆盖半径从10到100变化。当矿区灾害强度分别为0.1、0.5、0.9时,在不同网络覆盖半径条件下各种网络结构的EPON可靠性计算结果分别见表2至表4。

表2 灾害强度为0.1时各种网络结构的可靠性Table 2 Reliability of various network structures when the disaster intensity is 0.1

表3 灾害强度为0.5时各种网络结构的可靠性Table 3 Reliability of various network structures when the disaster intensity is 0.5

表4 灾害强度为0.9时各种网络结构的可靠性Table 4 Reliability of various network structures when the disaster intensity is 0.9

由表2至表4可知:当灾害强度相同时,随着网络覆盖半径增加,不同结构EPON的可靠性均会下降。当灾害强度为0.1、网络覆盖半径为100时,3种EPON结构的网络可靠性为覆盖半径为10时的15.81% ～ 21.87%;而当灾害强度为0.5和0.9、网络覆盖半径为100时,3种EPON结构的网络可靠性仅为覆盖半径为10时的10%左右。因此,当灾害强度越高时,网络覆盖半径增加对EPON可靠性的影响越大。考虑到双总线形结构的可靠性最高,对于网络覆盖半径较长的矿区配电网应优先选用双总线形结构的EPON通信网络。

5 结 论

(1)研究了不同网络结构下EPON通信的可靠性数学模型,计算结果表明:矿区配电网自动化的EPON通信网络的可靠性与灾害强度、网络覆盖半径和网络结构有关。

(2)当EPON网络中单点发生故障时,无论是树形、双环形还是双总线形冗余结构均具有极高的可靠性。当矿区发生灾害时,EPON网络的可靠性与灾害强度和网络覆盖半径有关,且二者的数值越高EPON通信网络的可靠性越低。

(3)在相同灾害强度和网络覆盖半径条件下,采用双总线形冗余结构EPON网络的可靠性最高,双环形冗余结构的可靠性次之,树形冗余结构的可靠性最低。特别是在网络覆盖半径较高的情况下,双总线形冗余结构的可靠性优势尤为明显。因此,在条件允许的情况下,矿区配电网自动化的EPON通信网络应尽量采用双总线形冗余结构,以便更好地保护矿区生产安全,提高矿区生产效率。