農(nóng)村電網(wǎng)的雙平面緊耦合通信機(jī)制研究

徐 鑫 侯興哲 姜建倫

(重慶市電力公司電力科學(xué)研究院1，重慶 401123;重慶大學(xué)通信工程學(xué)院2，重慶 400044)

0 引言

在電網(wǎng)配用電系統(tǒng)建設(shè)中，智能電網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)用電信息、配電自動(dòng)化等智能終端設(shè)備信息的實(shí)時(shí)傳輸。然而，農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)存在建設(shè)成本高、維護(hù)難、可靠性低、安全隱患多等問(wèn)題。為此，本文提出了采用光纖網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)雙平面緊耦合的通信機(jī)制。同時(shí)，在光纖網(wǎng)絡(luò)中，提出了以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernet passive optical network，EPON)［1-2］和分組傳輸網(wǎng)絡(luò)(packet transport network，PTN)［3］無(wú)縫對(duì)接的通信機(jī)制，以適應(yīng)農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)多、用戶分散、業(yè)務(wù)量小等特點(diǎn)。該通信機(jī)制也支持農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)。

1 現(xiàn)狀分析

相比城市配用電網(wǎng)絡(luò)，農(nóng)村配用電網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、用戶分散等特點(diǎn)。由于終端設(shè)備特殊的地理環(huán)境和分布分散的特點(diǎn)，農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)存在建設(shè)成本高、維護(hù)難、可靠性低、安全性隱患多等問(wèn)題。

現(xiàn)有適用于電力通信的通信技術(shù)主要有光纖通信技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)。前者具有帶寬高、可靠性好、容錯(cuò)與自恢復(fù)能力低、單位成本高和維護(hù)困難等特點(diǎn);而后者具有容錯(cuò)與自恢復(fù)能力高、線路維護(hù)方便、單位成本低和可靠性差等特點(diǎn)。無(wú)論是光纖通信還是無(wú)線通信，都不能單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)配用電終端設(shè)備與主站之間信息的實(shí)時(shí)、可靠傳遞。

綜上所述，本文提出了光纖網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從終端設(shè)備側(cè)到主站側(cè)全程緊耦合的通信機(jī)制。在有效綜合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，在光纖網(wǎng)絡(luò)中提出了EPON和PTN無(wú)縫對(duì)接的通信機(jī)制，以滿足電網(wǎng)業(yè)務(wù)隔離性高的要求。

在雙平面緊耦合機(jī)制的基礎(chǔ)上，本文還提出了通信網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)策略，即建設(shè)初期以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為主，而以光纖網(wǎng)絡(luò)為輔;后期以光纖網(wǎng)絡(luò)為主，而將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為光纖網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充和備份。補(bǔ)充，即光纖網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的區(qū)域，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò);備份，即在農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)中對(duì)重要的節(jié)點(diǎn)做雙備份。

2 現(xiàn)有的電力通信技術(shù)

2.1 EPON 光纖網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)設(shè)備是否有源，光纖網(wǎng)絡(luò)可以分為有源光網(wǎng)絡(luò)(active optical network，AON)和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(passive optical network，PON)兩類。由于農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)受傳輸設(shè)備供電、維護(hù)和建設(shè)成本等限制，因此組建農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)通常采用EPON技術(shù)［4］。

2.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)使用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以分為IEEE 802.11、IEEE 802.16 和 2G/3G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)(典型的有GSM)［5-6］三種。通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(general packet radio service，GPRS)是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，其通過(guò)基站廣域覆蓋，提供大范圍的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。然而，由于建設(shè)和運(yùn)行成本、對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋能力、實(shí)時(shí)性和可靠性等原因制約了蜂窩網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)中的作用。

以 IEEE 802.11 和 IEEE 802.16［7-8］為標(biāo)準(zhǔn)的WiFi和WiMAX無(wú)線通信技術(shù)，由于通信能力以及無(wú)線頻段資源等原因制約了它們的發(fā)展。電力系統(tǒng)現(xiàn)有的230 MHz無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)也由于頻段資源等原因限制了其網(wǎng)絡(luò)容量［4］。

2.3 PTN 技術(shù)

目前，PTN的代表技術(shù)包括T-MPLS和PBB-TE兩類。PBB-TE是PBB/IEEE 802.1ah標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的最新演進(jìn)［9］。作為有源通信網(wǎng)絡(luò)，PBB-TE具有高實(shí)時(shí)性和可靠性，并支持大規(guī)模終端接入能力，成為目前電力通信中的新興技術(shù)。同時(shí)，它也滿足農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)中信息節(jié)點(diǎn)多、業(yè)務(wù)類型復(fù)雜和業(yè)務(wù)流量小等特點(diǎn)，但難以支持無(wú)供電條件下的終端接入。

綜上所述，單一的通信技術(shù)均有其局限性。目前，農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)多采用混合多種通信技術(shù)的建設(shè)策略。

3 緊耦合通信機(jī)制

3.1 緊耦合結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有電力通信混合組網(wǎng)技術(shù)均為主站側(cè)匯聚、終端側(cè)獨(dú)立組網(wǎng)的松耦合方式，即信息終端獨(dú)立地接入光纖網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，不提供冗余通道的手拉手環(huán)網(wǎng)。本文所提出的農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)雙平面緊耦合的通信機(jī)制由光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸平面和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸平面組成。雙平面緊耦合結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，OLT(optical line terminal)表示光纜終端設(shè)備，ONU(optical network unit)表示光節(jié)點(diǎn)。

圖1中，光纖網(wǎng)絡(luò)平面由主站側(cè) EPON設(shè)備(OLT、ONU)和PTN設(shè)備組成由主站到終端的樹狀拓?fù)洌采w主輸電線路和部分輸電支路到配變臺(tái)區(qū)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平面由無(wú)線基站和無(wú)線終端組成蜂窩網(wǎng)絡(luò)，覆蓋全部輸電線路和終端。重要終端設(shè)備都配置有光纖接口和無(wú)線接口，以構(gòu)成本文所提出的“異構(gòu)手拉手”環(huán)網(wǎng)。

圖1 雙平面緊耦合結(jié)構(gòu)Fig.1 Two plane tightly coupled architecture

3.2 緊耦合通信機(jī)制的特征

農(nóng)村配用電網(wǎng)的雙平面緊耦合通信機(jī)制用來(lái)將兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合成統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)，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

當(dāng)主站側(cè)OLT的光纖通道出現(xiàn)故障時(shí)，啟用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以保護(hù)重要配用電終端設(shè)備信息的傳輸。

②管理接口耦合

主站側(cè)OLT的帶內(nèi)網(wǎng)管通過(guò)光網(wǎng)絡(luò)平面實(shí)現(xiàn)，帶外網(wǎng)管通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平面實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主站側(cè)OLT的光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的帶外網(wǎng)管功能實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備管理。

4 光纖網(wǎng)絡(luò)與PTN無(wú)縫對(duì)接

EPON作為無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，具有良好的農(nóng)村環(huán)境適應(yīng)性和成本優(yōu)勢(shì)，但由于其結(jié)構(gòu)的固有特征，無(wú)法滿足終端設(shè)備眾多、業(yè)務(wù)類型復(fù)雜和業(yè)務(wù)流量小等實(shí)際通信的需求。本文提出了EPON與PTN的無(wú)縫對(duì)接方案，具體介紹如下。

①農(nóng)村配用電終端設(shè)備的數(shù)據(jù)信息根據(jù)IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，封裝成數(shù)據(jù)幀;

②數(shù)據(jù)幀進(jìn)入ONU之后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的業(yè)務(wù)類型或數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址，采用IEEE 802.1Q封裝為不同的S-VID;

③帶有S-VID標(biāo)記的數(shù)據(jù)幀進(jìn)入PTN設(shè)備后，根據(jù)S-VID標(biāo)記進(jìn)行IEEE 802.1Q封裝。

圖2 數(shù)據(jù)幀的封裝過(guò)程Fig.2 Encapsulation process of the data frame

數(shù)據(jù)幀的封裝過(guò)程如圖2所示［10-11］。圖2中，VID為 VLAN ID;S-VID為 Sensor VID;B-VID為Backbone VID;I-VID為Instance VID。

通過(guò)這種無(wú)縫對(duì)接機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了端到端連接網(wǎng)絡(luò)的同步傳遞以及農(nóng)村配用電終端數(shù)據(jù)的匯聚、透?jìng)骱徒粨Q。

5 性能分析

在國(guó)家電網(wǎng)公司的農(nóng)村電網(wǎng)重點(diǎn)通信科技項(xiàng)目和國(guó)家“863”計(jì)劃所開展的工程實(shí)踐中，主站側(cè)建設(shè)的由光纖網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的異構(gòu)手拉手農(nóng)村配用電通信環(huán)網(wǎng)與其他在農(nóng)村構(gòu)建的光纖手拉手農(nóng)村配用電通信環(huán)網(wǎng)的比較具體如下。

①成本分析

按如下公式，對(duì)比手拉手環(huán)網(wǎng)與本文提出的異構(gòu)手拉手環(huán)網(wǎng)的建設(shè)成本。

光纖手拉手環(huán)網(wǎng)的單價(jià)計(jì)算公式為:

異構(gòu)手拉手環(huán)網(wǎng)的單價(jià)計(jì)算公式為:

其成本分析對(duì)比如圖3所示。

圖3 成本對(duì)比Fig.3 Cost comparison

②可靠性分析

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商提供的設(shè)備性能參數(shù)如下:光纖線路誤碼率的數(shù)量級(jí)為10-9;OLT設(shè)備的可靠性為99.99%，并發(fā)數(shù)為4094×4094=16760836;ONU設(shè)備的可靠性為99%;無(wú)線線路誤碼率的數(shù)量級(jí)為10-6;無(wú)線基站設(shè)備的可靠性為99.999%。

單條鏈路的可靠性計(jì)算公式為:

光纖手拉手環(huán)網(wǎng)的可靠性計(jì)算公式為:

異構(gòu)手拉手環(huán)網(wǎng)的可靠性計(jì)算公式為:

通過(guò)比較以上公式可以得出，在同等數(shù)量的終端設(shè)備條件下，異構(gòu)手拉手環(huán)網(wǎng)和手拉手環(huán)網(wǎng)的可靠性相接近。

③安全性和可擴(kuò)展性分析

在農(nóng)村配用電網(wǎng)雙平面緊耦合的通信機(jī)制中，采用MAC-in-MAC封裝方式。該方式屏蔽了配用電終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信息，解決了網(wǎng)絡(luò)安全性問(wèn)題。此外，MAC-in-MAC封裝也具有清晰的層次化結(jié)構(gòu)。在傳輸網(wǎng)設(shè)備的MAC幀頭中增加具有24 bit業(yè)務(wù)標(biāo)簽I-TAG，理論上可以支持1600萬(wàn)用戶，這從根本上解決了終端設(shè)備眾多、業(yè)務(wù)類型復(fù)雜、業(yè)務(wù)流量小以及管理困難等問(wèn)題［6］。

④可維護(hù)性分析

在農(nóng)村配用電網(wǎng)的雙平面緊耦合通信機(jī)制中，綜合帶內(nèi)、帶外網(wǎng)絡(luò)管理方式，即帶內(nèi)網(wǎng)管采用光纖網(wǎng)絡(luò)通道，帶外網(wǎng)管則采用無(wú)線通道，提高了設(shè)備的配置和管理能力。

6 工程實(shí)踐和平滑演進(jìn)

某農(nóng)村變電站的雙平面緊耦合通信機(jī)制工程圖如圖4所示。

圖4 通信機(jī)制工程圖Fig.4 Engineering drawing of the communication mechanism

圖4中，CPE(customer premise equipment)表示客戶終端設(shè)備。

在變電站架設(shè)EPON光網(wǎng)局端OLT，在10 kV輸電線路主線(有控制命令等重要信息節(jié)點(diǎn)的線路)架設(shè)電力光纖。在該主線配用變電站架設(shè)PTN和ONU設(shè)備，構(gòu)建覆蓋該路主線的光配線網(wǎng)絡(luò)(optical distribution network，ODN)。

在變電站建設(shè)無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)基站，實(shí)現(xiàn)對(duì)該變電站片區(qū)的全覆蓋。在輸電主線上的配用變電站、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等配用電終端設(shè)備上架設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入終端。在重要配用電終端設(shè)備間建設(shè)雙備份通道，并配合綜合網(wǎng)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的緊耦合。

在工程初期，配用電終端數(shù)量較少且以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為主，單位成本較低;在工程建設(shè)后期，建設(shè)以光纖為主的農(nóng)村配用電通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)逐步作為光纖網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充及備份。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文在國(guó)家電網(wǎng)公司的面向農(nóng)村電網(wǎng)的通信技術(shù)研究和應(yīng)用試點(diǎn)項(xiàng)目中提出了農(nóng)村電網(wǎng)的雙平面緊耦合通信機(jī)制。該機(jī)制將現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合［12-18］，且在光纖網(wǎng)絡(luò)中采用EPON和PTN無(wú)縫對(duì)接機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了電力信息處理與通信技術(shù)的緊密結(jié)合。同時(shí)，該機(jī)制也較好地解決了以往農(nóng)村配用電通信網(wǎng)中出現(xiàn)的成本高、維護(hù)困難以及安全性差等問(wèn)題。

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