农村电网的双平面紧耦合通信机制研究

徐 鑫 侯兴哲 姜建伦

(重庆市电力公司电力科学研究院1，重庆 401123;重庆大学通信工程学院2，重庆 400044)

0 引言

在电网配用电系统建设中，智能电网需要实现用电信息、配电自动化等智能终端设备信息的实时传输。然而，农村配用电通信网络存在建设成本高、维护难、可靠性低、安全隐患多等问题。为此，本文提出了采用光纤网络和无线网络双平面紧耦合的通信机制。同时，在光纤网络中，提出了以太网无源光网络(Ethernet passive optical network，EPON)［1-2］和分组传输网络(packet transport network，PTN)［3］无缝对接的通信机制，以适应农村配用电通信网络信息节点多、用户分散、业务量小等特点。该通信机制也支持农村配用电通信网络的平滑演进。

1 现状分析

相比城市配用电网络，农村配用电网络具有覆盖范围广、用户分散等特点。由于终端设备特殊的地理环境和分布分散的特点，农村配用电通信网络存在建设成本高、维护难、可靠性低、安全性隐患多等问题。

现有适用于电力通信的通信技术主要有光纤通信技术和无线通信技术。前者具有带宽高、可靠性好、容错与自恢复能力低、单位成本高和维护困难等特点;而后者具有容错与自恢复能力高、线路维护方便、单位成本低和可靠性差等特点。无论是光纤通信还是无线通信，都不能单独地实现配用电终端设备与主站之间信息的实时、可靠传递。

综上所述，本文提出了光纤网络和无线网络从终端设备侧到主站侧全程紧耦合的通信机制。在有效综合无线网络和光纤网络优势的基础上，在光纤网络中提出了EPON和PTN无缝对接的通信机制，以满足电网业务隔离性高的要求。

在双平面紧耦合机制的基础上，本文还提出了通信网络平滑演进策略，即建设初期以无线网络为主，而以光纤网络为辅;后期以光纤网络为主，而将无线网络作为光纤网络的补充和备份。补充，即光纤网络无法覆盖的区域，采用无线网络;备份，即在农村配用电通信网络中对重要的节点做双备份。

2 现有的电力通信技术

2.1 EPON 光纤网络

根据设备是否有源，光纤网络可以分为有源光网络(active optical network，AON)和无源光网络(passive optical network，PON)两类。由于农村配用电通信网络受传输设备供电、维护和建设成本等限制，因此组建农村配用电通信网络时通常采用EPON技术［4］。

2.2 无线网络

根据使用的技术标准不同，无线网络可以分为IEEE 802.11、IEEE 802.16 和 2G/3G 蜂窝网络(典型的有GSM)［5-6］三种。通用分组无线服务技术(general packet radio service，GPRS)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，其通过基站广域覆盖，提供大范围的数据传输服务。然而，由于建设和运行成本、对偏远地区覆盖能力、实时性和可靠性等原因制约了蜂窝网络在农村配用电通信网络中的作用。

以 IEEE 802.11 和 IEEE 802.16［7-8］为标准的WiFi和WiMAX无线通信技术，由于通信能力以及无线频段资源等原因制约了它们的发展。电力系统现有的230 MHz无线通信网络也由于频段资源等原因限制了其网络容量［4］。

2.3 PTN 技术

目前，PTN的代表技术包括T-MPLS和PBB-TE两类。PBB-TE是PBB/IEEE 802.1ah标准规范的最新演进［9］。作为有源通信网络，PBB-TE具有高实时性和可靠性，并支持大规模终端接入能力，成为目前电力通信中的新兴技术。同时，它也满足农村配用电通信网络中信息节点多、业务类型复杂和业务流量小等特点，但难以支持无供电条件下的终端接入。

综上所述，单一的通信技术均有其局限性。目前，农村配用电通信网络多采用混合多种通信技术的建设策略。

3 紧耦合通信机制

3.1 紧耦合结构

现有电力通信混合组网技术均为主站侧汇聚、终端侧独立组网的松耦合方式，即信息终端独立地接入光纤网络或无线网络，不提供冗余通道的手拉手环网。本文所提出的农村配用电通信网络双平面紧耦合的通信机制由光纤网络传输平面和无线网络传输平面组成。双平面紧耦合结构如图1所示。其中，OLT(optical line terminal)表示光缆终端设备，ONU(optical network unit)表示光节点。

图1中，光纤网络平面由主站侧 EPON设备(OLT、ONU)和PTN设备组成由主站到终端的树状拓扑，覆盖主输电线路和部分输电支路到配变台区。无线网络平面由无线基站和无线终端组成蜂窝网络，覆盖全部输电线路和终端。重要终端设备都配置有光纤接口和无线接口，以构成本文所提出的“异构手拉手”环网。

图1 双平面紧耦合结构Fig.1 Two plane tightly coupled architecture

3.2 紧耦合通信机制的特征

农村配用电网的双平面紧耦合通信机制用来将两种异构网络融合成统一的通信网络，其特征包括信息接口耦合和管理接口耦合等。

①信息接口耦合

当主站侧OLT的光纤通道出现故障时，启用无线网络，以保护重要配用电终端设备信息的传输。

②管理接口耦合

主站侧OLT的带内网管通过光网络平面实现，带外网管通过无线网络平面实现。当主站侧OLT的光纤网络出现故障时，利用无线网络提供的带外网管功能实现光纤网络的设备管理。

4 光纤网络与PTN无缝对接

EPON作为无源光网络，具有良好的农村环境适应性和成本优势，但由于其结构的固有特征，无法满足终端设备众多、业务类型复杂和业务流量小等实际通信的需求。本文提出了EPON与PTN的无缝对接方案，具体介绍如下。

①农村配用电终端设备的数据信息根据IEEE 802.3标准，封装成数据帧;

②数据帧进入ONU之后，根据数据帧的业务类型或数据帧的目的MAC地址，采用IEEE 802.1Q封装为不同的S-VID;

③带有S-VID标记的数据帧进入PTN设备后，根据S-VID标记进行IEEE 802.1Q封装。

图2 数据帧的封装过程Fig.2 Encapsulation process of the data frame

数据帧的封装过程如图2所示［10-11］。图2中，VID为 VLAN ID;S-VID为 Sensor VID;B-VID为Backbone VID;I-VID为Instance VID。

通过这种无缝对接机制，实现了端到端连接网络的同步传递以及农村配用电终端数据的汇聚、透传和交换。

5 性能分析

在国家电网公司的农村电网重点通信科技项目和国家“863”计划所开展的工程实践中，主站侧建设的由光纤网络和无线网络构成的异构手拉手农村配用电通信环网与其他在农村构建的光纤手拉手农村配用电通信环网的比较具体如下。

①成本分析

按如下公式，对比手拉手环网与本文提出的异构手拉手环网的建设成本。

光纤手拉手环网的单价计算公式为:

异构手拉手环网的单价计算公式为:

其成本分析对比如图3所示。

图3 成本对比Fig.3 Cost comparison

②可靠性分析

网络设备供应商提供的设备性能参数如下:光纤线路误码率的数量级为10-9;OLT设备的可靠性为99.99%，并发数为4094×4094=16760836;ONU设备的可靠性为99%;无线线路误码率的数量级为10-6;无线基站设备的可靠性为99.999%。

单条链路的可靠性计算公式为:

光纤手拉手环网的可靠性计算公式为:

异构手拉手环网的可靠性计算公式为:

通过比较以上公式可以得出，在同等数量的终端设备条件下，异构手拉手环网和手拉手环网的可靠性相接近。

③安全性和可扩展性分析

在农村配用电网双平面紧耦合的通信机制中，采用MAC-in-MAC封装方式。该方式屏蔽了配用电终端设备网络侧的信息，解决了网络安全性问题。此外，MAC-in-MAC封装也具有清晰的层次化结构。在传输网设备的MAC帧头中增加具有24 bit业务标签I-TAG，理论上可以支持1600万用户，这从根本上解决了终端设备众多、业务类型复杂、业务流量小以及管理困难等问题［6］。

④可维护性分析

在农村配用电网的双平面紧耦合通信机制中，综合带内、带外网络管理方式，即带内网管采用光纤网络通道，带外网管则采用无线通道，提高了设备的配置和管理能力。

6 工程实践和平滑演进

某农村变电站的双平面紧耦合通信机制工程图如图4所示。

图4 通信机制工程图Fig.4 Engineering drawing of the communication mechanism

图4中，CPE(customer premise equipment)表示客户终端设备。

在变电站架设EPON光网局端OLT，在10 kV输电线路主线(有控制命令等重要信息节点的线路)架设电力光纤。在该主线配用变电站架设PTN和ONU设备，构建覆盖该路主线的光配线网络(optical distribution network，ODN)。

在变电站建设无线宽带网络基站，实现对该变电站片区的全覆盖。在输电主线上的配用变电站、联络开关等配用电终端设备上架设无线网络接入终端。在重要配用电终端设备间建设双备份通道，并配合综合网管系统，实现光纤网络和无线网络的紧耦合。

在工程初期，配用电终端数量较少且以无线网络为主，单位成本较低;在工程建设后期，建设以光纤为主的农村配用电通信网络，无线网络逐步作为光纤网络的补充及备份。

7 结束语

本文在国家电网公司的面向农村电网的通信技术研究和应用试点项目中提出了农村电网的双平面紧耦合通信机制。该机制将现有的光纤网络和无线网络技术相融合［12-18］，且在光纤网络中采用EPON和PTN无缝对接机制，实现了电力信息处理与通信技术的紧密结合。同时，该机制也较好地解决了以往农村配用电通信网中出现的成本高、维护困难以及安全性差等问题。

［1］Kramer G，Mukherjee B，Pesavento G.IPACT:a dynamic protocol for an Ethernet PON(EPON)［J］.IEEE，2002，40(2):74-80.

［2］Banerjee A，Kramer G，Mukherjee B.Fair sharin gusingdual servicelevel agreements to achieve open access in a passive optical network［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2006，24(8):32-44.

［3］何岩，张傲.下一代分组传送网的新技术发展走向［J］.电信工程技术与标准化，2007，20(1):1-7.

［4］李炳林，鲍兴川.配用电通信平台实现技术以及应用［J］.自动化仪表，2011，32(8):11-14.

［5］胡永平，胡顺，徐芝贵.高压电能表在智能电网中的应用研究［J］.水电能源科学，2010，28(9):142-144.

［6］Krendzel A，Koucheryavy Y.Method for estimating parameters of 3G data traffic［C］∥IEEE International Conference，2004:4312-4316.

［7］Dao N T，Malaney R A.Throughput performance of saturated 802.11g networks［C］∥ Wireless Broadband and Ultra Wideband Communications，Sydney，2007:31.

［8］IEEE STD 802.16TM-2004:IEEE standard for local and metropolitan area networks part 16:air interface for fixed broadband wireless access systems［S］.New York:IEEE，2004.

［9］黄晓庆，唐剑锋，徐荣.PTN-IP化分组传输［M］.北京:北京邮电大学出版社，2009.

［10］IEEE Std 802.1ah-2008 IEEE standard for local and metropolitan area networks-virtual bridged local area networks amendment 7 provider backbone bridges［S］.New York:IEEE，2008:75-88.

［11］毕立波，卜哲，赵峰.PBT技术的产生与发展［J］.电信技术，2007(10):74-78.

［12］于海斌，梁韦华，曾鹏.工业无线网络技术体系与WIA标准［J］.世界仪表与自动化，2008(11):17-23.

［13］王绍青，聂景楠.一种改进的基于能量效率的AODV路由协议［J］.计算机工程与应用，2007，43(8):150-152.

［14］许力，郑宝玉.MANET环境下基于能量保护的路由策略及其研究进展［J］.电子与信息学报，2005，27(5):827-834.

［15］陈稼婴，杨震.Ad hoc网络中基于节能的AODV路由算法改进［J］.南京邮电学院学报:自然科学版，2004，24(3):18-22.

［16］王婷，史杏荣.Ad hoc路由协议性能评价［J］.微电子学与计算机，2008，25(4):112-115.

［17］宋文.无线传感器网络技术与应用［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［18］崔莉，鞠海玲，苗勇，等.无线传感器网络研究进展［J］.计算机研究与发展，2005，42(1):163-174.