无源光网络和工业以太网在配电网通信建设中的技术比较研究

2021-06-07姜念，宋宇

通信电源技术 2021年4期

姜念，宋宇

（天地电研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

“十三五”期间，配电自动化和智能配电网成为国网公司配网建设的重点内容。而通信作为“感知-通信-控制”中的关键一环，是配电自动化和智能电网建设的重要内容。

光纤通信是配网通信的主要方式之一。文献[1]规定了配网通信中光纤通信的使用范围，文献[2]对光纤通信应采取EPON和工业以太网的方式做了明确要求，文献[3]研究了EPON在电力通信中的应用，文献[4]研究了工业以太网在电力通信中的应用。由于配电网通信建设的具体方案一直缺少相关规范、典型设计与参考文献，同时电力系统又具有庞大、复杂、差异性及变化性的特点，因此设计人员在确定通信方案时较为困难。

本文以配电网对通信系统的要求为出发点，从实时性、可靠性、扩展性、适应性以及经济性5个方面对EPON和工业以太网进行技术分析，并总结出两种通信方式的适用范围，供设计人员在方案决策时应用。

1 配电网对通信系统的要求

国网公司先后于2009年、2010年及2012年集中开展了3批配电自动化试点工程，建设过程中积累了很多经验，但是依然存在标准体系不完善等问题。文献[5]对电力传输网的指标做了明确规定，但缺少配电网对应接入网的标准要求，而文献[6]仅对不同配电业务信息的实时性做了要求。根据配电网的特点和自动化要满足的功能需求，配电网对通信系统的要求可以归纳为以下5个方面。

一是实时性。配电网通信主要用来传递开关、负荷或分布式电源等设备的状态信息、运行参数以及动作控制命令，这些数据点多面广，具有严格的时效性，要求通信系统具有高速传递效率。二是可靠性。配电网设备通常放置在户外，工作环境复杂，且电力作为重要能源与人们的生产生活息息相关，因此通信系统要具有高度的可靠性。三是扩展性。根据负荷发展与供电可靠性的需求，配电网的规模和结构会不断发生变化，配电自动化通信的建设是一项长期系统的过程，通信系统需具有灵活的扩展性。四是适应性。配电网规模、结构与环境多种多样，通信设备部署与电力设备趋于同一点，通信线路的敷设也可以利用电力线路廊道，通信系统组网需适应各种配电网结构。五是经济性。配电网规模庞大，终端采集量大、面广且地理位置相对分散，通信系统建设要在保障通信质量的同时最大程度降低投资成本。

2 EPON与工业以太网技术比较

2.1 实时性比较

2.1.1 EPON

EPON是一种采用点到多点结构的单纤双向光接入网络，其典型结构如图1所示。

图1 EPON系统结构

EPON通信系统由中心侧的光网络终端（Optical Line Terminal，OLT）、用户侧的光网络单元（Optical Network Unit，ONU）以及光纤分配网络（Optical Distribution Network，ODN）组成。EPON采用了波分复用技术在一根纤芯上进行上行和下行两个方向的信息传送。下行方向采用广播的方式，OLT发送信号通过ODN到达每个ONU，目的ONU进行选择接收。上行方向采用申请—授权机制，数据到达ONU后先保存在缓冲区，ONU周期性的向OLT发出传送申请，OLT授权并给每个ONU分配时隙，ONU在分配的时隙上传数据至OLT。在EPON网络通信中，信息由一个终端发送至另一个终端，通信延时可分为上行延时、OLT处理转发延时以及下行延时。PON通信延时示意如图2所示。

图2 EPON通信延时示意图

其中，上行延时为：

式中，Tw为从数据到达ONU缓存到ONU上传时隙的等待时间；Ti为从时隙开始到数据被完全发送的时间；Tp为数据在光纤中传输到达OLT的时间。Tw与数据到达ONU的时间有关，如果数据在ONU的发送时隙内到达则无需等待，立刻传输，此时Tw=0。如果数据在ONU的发送时隙前到达则需要等待，等待的最长时间为：

式中，Tc为轮询周期时间；Tx为该ONU分配的时隙长度。

对于主流的OLT设备，轮询周期为2 ms。EPON网中同一光纤下允许接入的最大ONU数为8个。假设EPONE采取静态时隙分配的方式，每个ONU分配的时隙大约为0.25 ms，那么其延时最大约为1.75 ms。

Ti与ONU一个时隙里上传数据的多少及数据的优先级有关，一般认为三遥信息具有最高优先级，可在分配到时隙时优先发送，此时Ti可忽略不计。Tp与ONU和OLT之间的光纤距离有关，EPON传输半径最长可达20 km。按最远传输距离20 km考虑，光纤的传输延时按照5 μs/km计算，则光纤传输最大延时为 100 μs。

OLT的授权和处理转发时间一般为微秒级，可以忽略不计。下行延时是从数据到达OLT到ONU收到数据再送出的这段时间，大约是下行的光纤传输时间加上ONU的处理时间。ONU的处理时间与芯片处理速度有关，一般为微秒级，可忽略不计，因此下行延时主要来自光纤传输延时。按最远传输距离20 km考虑，光纤传输延时为100 μs。由以上结果估算可知，EPON中信息从一个ONU发送到另一个ONU总的最大延时约为1.95 ms。

2.1.2 工业以太网

工业以太网中信息需经过两个节点间的交换机转发才能到达目的端。根据测算，数据流每经过1个百兆工业以太网交换机带来的时延和抖动为120 μs，设两个变电站间一个环网中有n个节点，则两个节点间的最大通信需经过n/2+1个交换机的转发。工业以太网光纤的最大传输距离可达到100 km，传输延时为0.5 ms，总延时为：

实际工程中，两个变电站间一个环网节点数有限，一般不超过20个，则总延时最大值约为1.82 ms。

2.2 可靠性比较

通信系统的可靠性跟设备本身可靠性和冗余配置有关，而冗余配置取决于通信系统的拓扑结构，下面从设备本身可靠性和系统拓扑结构两方面进行可靠性的比较。

2.2.1 设备本身可靠性

EPON与工业以太网以光纤为传播媒介，属于有线信道，通信质量不受天气、地形以及电磁干扰等的影响。EPON网带宽为1.25 Gb/s，除去20%开销，可用带宽约为1 000 Mb/s，假设一根光纤带8个ONU，每个ONU分配带宽约为125 Mb/s。现有主流工业以太网二层交换机带宽达到155 Mb/s，交换机上下行采用不同光芯，一个交换机形成一个冲突域，可享受所有带宽。EPON与工业以太网频带宽、信息传输量大、抗干扰性能好且误码率低。此外，EPON与工业以太网设备均采用工业级标准设计，能够在恶劣环境下运行，使用寿命长。而且EPON与工业以太网技术均已发展多年，产品成熟稳定，可靠性高。

2.2.2 拓扑结构

电力通信系统中重要的信息需具备双向通道，EPON与工业以太网均有符合要求的典型拓扑结构。

（1）EPON拓扑结构分析。“手拉手”双链路结构是EPON在配网通信应用中最为常见的一种拓扑结构，具体如图3所示。两根光纤两端各接入一台OLT设备，一供一备，并在通信路由上形成两个方向的通道。两根光缆各级联一个分光器至ONU，ONU配置双PON口双MAC物理地址，构成从OLT到光纤和分光器再到ONU的全链路双冗余。冗余设备以热备份的形式运行，当一台设备发生故障时，冗余设备立即替代故障设备实现相同的功能，可以实现网络的无缝切换。在冗余通道上，当OLT监测到光纤中断时，可立即启用备用光纤，形成无缝切换。当光缆中断时，OLT设备可重新生成拓扑模型，故障段前和故障段后的ONU分别接入不同OLT设备运行，新拓扑生成时间小于50 ms。

图3 EPON“手拉手”双链路结构

（2）工业以太网拓扑结构分析。单环拓扑结构是工业以太网常用的拓扑结构，具体如图4所示。交换机依次连接，头尾交换机接入上联节点交换机形成环，不同环之间由节点交换机相连形成相切环。环上节点的工业以太网交换机布放在终端位置，并通过以太网接口和配电终端连接。上联节点的工业以太网交换机一般配置在变电站内，负责收集环上所有通信终端的业务数据，并接入骨干层通信网络。

图4 工业以太网环状拓扑结构

工业以太网单环拓扑结构为信息提供了冗余通道，使网络中两个设备之间存在一条以上的通信路径，某点网络故障发生或一条路径被破坏，数据仍然可以经由其他冗余路径传输。

为了避免引起数据的广播风暴，不允许存在环路。因此需要冗余管理协议对物理拓扑进行网络配置，阻塞冗余的网络并生成树状拓扑，使所有节点之间仅存在唯一的通信路径。当系统发生故障时，冗余管理协议重新配置网络的生成树拓扑，恢复网络通信。

2.3 扩展性比较

2.3.1 EPON扩展性

由于采用了以太网的技术，EPON在组网上继承了以太网扩展性强的特点。其采用链式结构的组网方式，扩展方式如图5所示。

图5 EPON链式结构组网扩展方式示意图

当光缆路径上有新的终端接入时，新终端可直接级联在光纤上，链式结构的分光器采用不等比分光，分光比一般为10:90。由于光衰的限制，每根光纤接入终端数不超过8个，超过8个时可利用预留光纤构成新的链路，以24芯光缆为例，考虑一供一备的情况，一根光缆可接终端数为96个。当光缆路径周围有新的终端接入时可以利用预留纤芯敷设新的路由，并将新的终端接入，从而形成新的链路。树型结构组网扩展方式如图6所示。

图6 EPON树型结构组网扩展方式示意图

当光缆路径上有新的终端接入时，新的终端可直接接入EPON网中。树型结构的分光器采用等比分光，接入新的终端时若更换分光器则会改变原有分光比，影响下层网络的光衰，此时需重新校核该网络的光衰，若光衰校核不通过需接入预留的光纤。当光缆路径周围有新的终端接入时，可新建光缆就近接入网络中。由于EPON的传输半径不超过20 km，不管采用链式结构的组网方式还是树型结构的组网方式，网络扩展时的最大路径都不能超过20 km。

2.3.2 以太网扩展性

采用环式结构的工业以太网，扩展方式见图7。

图7 工业以太网扩展方式示意图

当光缆路径上有新的终端接入时，新的终端可π接在原有环中，单环接入超过20个终端时可接入预留光纤形成新的环。工业以太网上下行采用不同的光纤，以24芯光缆为例，1根光缆可接终端数为240个。当光缆路径周围有新的终端接入时，可将现有环拆分为多个环（或新建环），在新接入终端可靠性要求不高时可接入现有环节点下一层级，构成环形树型混合结构。采用树型结构的工业以太网，扩展方式与EPON树型结构类似，由于最大传输半径不超过100 km，在扩展时工业以太网的可扩展范围比EPON大。

2.4 适应性比较

配电网由变电站、电力线以及其他设备组成，EPON由局端设备OLT、传输媒介光分配网ODN以及用户端设备ONU组成，工业以太网由汇聚交换机、光缆以及节点交换机组成。配电网、EPON及工业以太网在网络结构上有着很大相似度。配电网结构按联络关系可分为多联络、单联络及辐射线路，多联络和单联络线路与EPON链式和工业以太网环式结构的匹配度高，而辐射线路与EPON和工业以太网树型结构的匹配度高。当联络线路的主干线与分支线路上均有终端接入需求时，适合采用工业以太网环网树型混合结构。根据国家电网配电自动化导则10 kV线路供电半径的要求，原则上A+、A、B类供电区域供电半径不宜超过3 km，C类不宜超过5 km，D类不宜超过15 km，E类供电区域供电半径应根据需要计算确定。根据此导则要求，考虑线路联络点在线路末端，A+、A、B及C类供区通信距离少于20 km，适合EPON与工业以太网，C类与D类或D类以下联络线路以及E类辐射线路的通信距离均可能超过20 km，只适合工业以太网。

2.5 经济性比较

在终端接入相同的情况下，无论采用EPON还是工业以太网组网，可以认为光缆的路由基本相同，光缆建设的投资也是相同的，投资差异主要取决于通信设备，其参考价格如表1所示。当网络规模较小时，采用工业以太网组网经济性较好，当网络规模达到一定程度时采用EPON组网经济性较好。

表1 通信设备参考价格

2.6 总结

EPON和工业以太网在通信实时性上均能达到毫秒级，具有较高的可靠性。EPON“手拉手”链式结构全链路双冗余可抗多点失效，在可靠性上优于工业以太网环网结构的通道冗余。EPON和工业以太网均能满足配网通信的扩展需求，工业以太网较EPON组网更加灵活，扩展性更高。两者组网结构与配电网结构匹配度高，工业以太网传输距离比EPON远，使用范围更广。网络规模较小时采用工业以太网组网经济性较好，当网络规模达到一定程度时采用EPON组网经济性较好。

3 工程案列

以笔者参与的上饶市两个工程为例，介绍配电网通信组网技术方案的确定。工程1采用了智能分布式馈线自动化模式，根据变电站综合自动化通信体系的IEC61850协议，GOOSE报文对通信延时要求在4 ms内。光缆通信对象为线路分段联络开关终端与分布式光伏终端。工程所在地为B类供电区域，电网网架结构为多分段适度联络，一次电网已按目标网架建设成熟，光缆通信涉及变电站4座、10 kV线路18回以及终端155个。该工程光缆通信采用EPON“手拉手”链式结构，共新建光缆5回，通信设备投资7.51×105元，比采用工业以太网投资少8.4×104元。

工程2为高渗透率分布式可再生能源发电集群并网优化规划设计、分布式电源灵活并网配套设备、储能设备以及群控群调等的示范项目，以消除扶贫光伏大量接入对电网造成的影响。光缆通信对象为分布式电源及储能设备终端，工程所在地为D类供电区域，网架结构为单辐射，线路供电半径超过20 km，光缆通信涉及变电站两座、线路两回以及终端19个。该工程光缆通信采用工业以太网树型结构，新建光缆5回，通信设备投资1.25×105元，比EPON网投资少1.89×105元。