基于Modbus/TCP的EPON配网自动化通信系统

刘 冉，庄红山，汪凯威，於湘涛，黄 辉

（国网新疆电力调度控制中心，乌鲁木齐 830092）

0 引言

目前，由于我国经济的高速发展，对于电力能源供应的安全性和稳定性的要求逐步提高。随着配电网信息通信智能化、自动化与信息化的飞速发展，配电网的安全通信问题以及能够稳定地运行被提上日程[1～3]。配网通讯系统作为电力系统的核心部分直接对电力系统运行的可靠性、稳定性、安全性有着重要的影响[4～6]。基于以太网的无源光网络（EPON）作为一点对多点结构的单纤双向光接入技术，具备可靠性强、安全性高、经济性及扩容能力好等优点，可以有效地用于配网自动化通讯系统，以保证配电网数据安全传输[7～9]。

为了缓解配电网建设的成本，减少配网自动化通讯的损耗，本文设计了基于无源光网络（EPON）实现配网自动化通信的系统，采用Modbus/TCP通讯协议实现处理系统与其他系统的通讯，同时通过组网系统进行光功率损耗的通信试验和测算[10～12]，证明基于EPON实现通讯组网系统方案的可行性，下文将进一步详细说明。

1 配网自动化通信系统设计

配电自动化系统（Distribution Automation System）是电力系统中对配电网上的设备实施远程、实时监控、控制、协调的集成系统[13～15]。常用的通信技术有工业以太网技术、无线专网技术，比如WIMAX、无线传感技术等，本文为基于Modbus/TCP通讯协议实现配电设备的远程通讯，并且基于EPON（以太网无源光网络）技术配网自动化通信系统。Modbus/TCP通讯协议在OSI模型中属于应用层。协议在基于EPON的配网自动化通信系统中，其主要的组成部分包含配电主站、配电子站、配电终端、通信信道等。如图1所示。

配电主站是整个通信系统的功能核心，主要用于实现数据处理、存储及人机交互等控制功能。同时，配电主站还能够进行配电SCADA、故障处理及信息收集。在配电终端，其通常包含馈线终端（FTU）、配变终端（TTU）及远方终端（RTU），能够实现开关、配电变压器设备的信息采集、处理与监控。通信信道能够连接配电自动化系统各个部分的纽带，以便实现信息的传输。EPON自动化通信系统包含光线路终端（OLT）、光分配网络（ODN）和用户侧光网络单元（ONU）。其中光分配网络（ODN）包含有光纤和无源光分路器，进行光通信的光通道介于OLT和ONU之间，在该通道中进行分发下行信息数据，同时将上行信息数据聚合起来，能够实现光信号功率分配、波长复用。EPON通过波分复用技术能够柔性处理双向信息传输数据，并且能够将下行数据聚集到中心局端OLT。

图1 配网自动化通信系统架构示意图

EPON技术的应用范围比较广，通常应用在单模光钎介质敷设式的光缆中，数据传输速度快，且效率高。在多种组网结构中可组合使用，其通信系统结构操作方便、快捷。在系统的组网结构数据传输中，其存在多种形式，比如链形、星形、树形、环形、总线型等。其接入的基本架构如图2所示。

图2 配电网通信接入网基本架构

2 基于EPON 技术的研究

2.1 EPON 技术原理

EPON 技术用于将业务节点接口之间连接起来，采用其内部的Modbus/TCP通讯协议标准，利用一点到多点的单纤双向光接入技术结构，采用无源光纤通信传输的技术方式，经由以太网，提供不同的业务，使用户的网络接口与用户的设备连接起来，实现信息的互连、互通。其原理架构如图3所示。

图3 EPON原理结构示意图

EPON大体上由ONU、ODN和OLT组成，其中OLT为EPON内的关键部件，其主要作用是发送ONU广播数据、分配宽带等，在使用时，通常将OLT设置在中心机房。而ODN是一点对多点的结构特征或通信特征，在ODN中，通过1：N的无源分光器将信息数据分配到PON中的各个ONU单元。则来自不同的ONU的多种业务信息各自独立、互不干扰地通过ODN内设置的1：N无源分光器，然后共同耦合到相同的光纤上，最后信息被输出至位于局端OLT的接收端。通常其可利用树状形、环形、总线型、等互联方式实现各个点之间的信息互联。ODN还可使用以太网通信网络实现协议通信，实现数据的全双工双向传输。传输速度可达1.25Gbps～10Gbps，能够满足覆盖信息传输业务的需求。

2.2 EPON通信协议

EPON技术可以理解为是一种宽带综合接入网络技术，按照网络分层协议，可以将EPON划分到ISO/IEC OSI第二层协议，EPON的通信协议的依据标准为Modbus/TCP通讯协议，Modbus/TCP通讯协议是运行在TCP/IP协议上的Modbus报文传输协议。控制器彼此之间通过该协议能够实现和其它设备的通信。Modbus/TCP属于开放型的协议，在工作时间，向Modbus/TCP协议向TCP赋予端口号码，Modbus/TCP在传输过程中，采用TCP/IP的以太网模型进行参考，图4为显示其5层的模型架构示意图。

图4 Modbus/TCP模型架构示意图

Modbus通信协议栈如图5所示。

图5 Modbus通信协议栈

EPON技术采用上述通讯方式实现信息的传递，在链路层中，其采用以太网通信方式，如图6所示。

在物理层中，其采用PON技术，借助于PON的拓扑架构进行接入以太网，采用100BASE的以太PHY，通过MAC控制命令来实现优化、控制各光网络单元（ONU）、光线路终端（OLT）之间突发的数据通信以及实时的TDM通信，从而实现网络信息的交互。在EPON网络中，在不同的ONU接入系统中，其大部分是采用时分的方式，使OLT和ONU在通信过程中实现信息同步。在MAC控制子层中，通过MPCP通信消息、状态机、定时器来控制、访问P2MP的拓扑架构，进而实现OUN发送的时隙分配、动态带宽分配等。在通信过程中，EPON按照Modbus/TCP协议的规定，使得包长可以变至高达1518字节来进行传送数据。在通信协议的第二层中，EPON借助于TDM，使用健全的以太技术/全双工技术，使光信息数据精确地传输到用户终端。通过该通信协议，组网容易、可靠性强、实时性高。

图6 EPON通信结构示意图

3 通信测试

在广西电网有限责任公司防城港供电局，按照上述方案进行组网测试。在组网测试中，以配网调、110kV变电站作为测试点，首先选择通信汇聚节点，其分别为A区、B区、C区、D区、E区、F区、G区、H区变电站。将这些地区作为区域配电通信网的核心层。然后，再选配网调主站，其作为整个配网系统的监控中心，在配网调主站内安装2台光纤以太网交换机，用于实现配电信息的采集、计算、处理。然后再在每个区安装OLT设备6～10台，按照图3的连接方式进行试验。

图7 测试结构示意图

在上述试验中，供电系统大体上采用就地取电的方式供电，开闭所、配电室、计算终端采用交流220V电压供电，配网调、110kV变电站采用-48V电压进行供电，柱上开关及环网柜采用-24V供电等。在通信时采用上述介绍的方式，利用上文介绍的一点对多点的结构，采用无源光纤进行数据通信，通过以太网提供各种不同的业务，在本文试验时，得出测试数据如表1所示。

表1 通信试验数据表

通过上述试验，在采用上述同样硬件，在不采用EPON技术的情况下，再次进行信息通信测试。通过测试，最后得出光功率损耗百分比如表2所示。

表2 光功率通信损耗对比表

通过上述通信试验，基于IEEE802.3通信协议的EPON技术能够大大减少光线路的衰减率。能够满足光通信冗余要求，测试结果表明，基于EPON的通信系统使得光功率损耗百分比大大降低，所提出的EPON通信系统具有较好的合理性和可靠性。使得系统的整体运行效率得以提高。

4 结语

本文通过采用EPON技术实现配网自动化通信，通过将一点到多点作为通信的基础结构，实现了多个终端用户服务，并且定义了新型的、应用于EPON系统的物理层的通信协议规范和扩展的以太网数据链路层协议，便于在点到多点的PON中以太网帧的TDM接入。通过在广西电网有限责任公司防城港供电局内选择七个不同的区域进行通信试验测试，测试结果表明本系统方案具有实时性强、传输速率快、数据吞吐量大、光损耗低等优点。