EPON技術在智能變電站狀態監測和視頻監控系統中的應用

楊臻，趙燕茹(中國電力科學研究院，北京市100192)

EPON技術在智能變電站狀態監測和視頻監控系統中的應用

楊臻，趙燕茹
(中國電力科學研究院，北京市100192)

以太無源光網絡(ethernet passive optical network，EPON)是一種新型的光纖接入網絡技術，它具有低成本、高帶寬、電磁干擾小、擴展性強、兼容性強等特點。在智能變電站中狀態監測和視頻監控系統數據量較大、實時性要求較低。采用EPON技術構建站內狀態監測與視頻監控系統，能夠有效地解決出口帶寬分配問題，且無需使用交換機，大大節省網絡建設投資與全壽命周期維護成本，是智能變電站狀態監測和視頻監控系統有效的新型組網方案。分析了智能變電站狀態監測和視頻監控系統應用EPON技術的可行性，并提出220 kV智能變電站EPON網絡構建方案，為智能變電站狀態監測和視頻監控系統的數據傳輸提供了一種新型方案。

以太無源光網絡(EPON);狀態監測;視頻監控;組網方案

0 引言

變電站電氣設備狀態監測系統實時獲取設備運行狀態和周圍環境信息，通過分析相關數據，預測評估變電站內設備的運行狀態，是實現狀態檢修的基礎;視頻監控系統實現變電站內圖像監控、安防等遠程控制功能，并可與火災告警系統、變電站自動化系統等聯動［1］。

以太無源光網絡(ethernet passive optical network，EPON)是一種新型的光纖接入網技術，它采用點到多點結構、無源光纖傳輸，具有易擴展、高帶寬、抗干擾等特點。已有研究表明，在智能變電站過程層網絡采用EPON通信平臺進行采樣值SV和GOOSE傳輸時的通信性能指標不能滿足應用需求［2］，但適用于變電站內對數據實時性要求不高且占用帶寬較大的狀態監測和視頻監控系統，也可作為變電站與調控中心間的傳輸網絡。

1 電氣設備狀態監測和視頻監控系統的業務及網絡需求

1.1 電氣設備狀態監測系統

高壓電氣設備的安全運行是保證變電站安全運行的基礎。狀態監測是在不影響變電站設備正常運行的前提下，實時獲取設備運行狀態和周圍環境信息，利用傳感、視頻、通信、計算機等先進技術，對變壓器、耦合電容器、絕緣套管、GIS、斷路器、避雷器等設備運行的狀態進行監測。

狀態監測系統由現場監測單元、狀態監測主IED和狀態監測后臺組成。現場監測單元屬于過程層設備，主要指安裝于各設備的傳感器;各子IED和主IED部署在間隔層;狀態監測后臺位于站控層，集成于II區綜合應用服務器，實時顯示設備狀態信息，并完成各種監測功能的數據采集存儲、故障報警、故障診斷等功能。

狀態監測系統數據量巨大但實時性要求不高，220 kV變電站狀態監測內容及數據量見表1。

以一個中型220 kV變電站為例(主變壓器2臺，避雷器8臺，雙母線接線)，由表2計算可知，該站每小時采樣量最少為:1(個量)×2(臺)+1(個量)× 60(次/h)×2(臺)+1(個量)×60(次/min)× 60(min)×2(臺)+3(個量)×12(次/Min)× 60(min)×80(個氣室)+1(個量)×2(次/h)× 8(臺)=180 138(個)，數據量龐大。

狀態監測數據主要為上行數據:通過統一的DL/ T860通信標準(子IED采集的數據直接通過I1［3］規約接入站內狀態監測主機與監測后臺通信)，經II區綜合應用服務器處理后轉化為I2［4］規約，通過橫向安全隔離裝置由Ⅲ/Ⅳ區數據通信網關機傳送至主站系統。I1接口數據應用在現場的實時監測，數據流量巨大，I2接口變電站出口數據流量一般小于1Mbps (注:電氣設備狀態監測I1接口定義為主IED或復合DL/T860通訊規約的子IED和在狀態監測后臺系統之間的接口;I2接口定義為調度端在線監測主站系統與變電站端后臺系統之間的通信接口)。

1.2 視頻監控系統

智能變電站按無人值守變電站設計，要求視頻監控系統功能更加完善，運行更加可靠。視頻監視及安全警衛子系統的傳輸數據主要為視頻流，占用網絡資源較大。視頻監控內容按照現有變電站安防系統技術規范進行設計，主要包含出入口監控、周界環境監控、重點區域環境監控。視頻監控系統由前端攝像機、傳輸電纜、硬盤錄像機及視頻服務器等設備組成，與視頻監控系統形成一體化的聯動［5］，例如某區域安放的紅外設備報警，則將視頻拍攝區域轉到報警區域，記錄視頻數據到視頻服務器存儲單元，網內客戶端通過請求服務器數據，調用視頻歷史和實時播放。

以220 kV變電站為例，通常需配置攝像頭10～15個。視頻監控系統的視頻流對于實時性要求不高，一般為≤1 s。視頻流為上行數據:網絡攝像機通過網線與光電轉換器連接，將電信號轉換成光信號通過光纖傳輸到II區綜合應用服務器，經通過橫向安全隔離裝置由Ⅲ/Ⅳ區數據通信網關機傳送至其他主站系統。

1.3 傳輸數據與帶寬需求

經上述分析，智能變電站狀態監測通過狀態監測系統數據量大，每小時采集傳輸數據約為18萬個。而視頻監控系統為保證數據傳輸的穩定可靠性，前端普遍采用720P高清攝像頭，一路高清圖像需要帶寬6～10 M，對于100 M以太網最多同時承載6路高清圖像，明顯少于每站攝像頭配置數量，若采用交換機組網方式，至少需配置16口交換機2臺。

變電站狀態監測和視頻監控系統數據要求見表2。

在視頻監控數據到其他主站系統的傳送中，通常為SDH2.5 G光纖構建的廣域網，帶寬容量最大為10 G。隨著智能電網的建設，今后智能變電站一次設備、其帶寬容量的限制無法滿足今后智能變電站的一次設備在線監測業務、視頻監控、智能巡維系統等應用。站控層設備進一步優化后，狀態監測主機和視頻主機整合于綜合應用服務器功能中，這些信息除可與I區數據交互實現站內高級功能應用外，還可同時發送至調度部門供調度運行人員查閱。

2 EPON應用于狀態監測和視頻監控系統的可行性

因EPON技術具有如下突出特點，適合在智能變電站中應用。

(1)設備簡單，運維成本低。EPON設備簡單，主要包括光線路終端(optical line term inal，OLT)、分光器、光網絡單元(optical network unit，ONU)，僅需通過光纖和無源分路器連接，無需配置交換機，同時兼容以太網的應用，使目前基于以太網有線接入的升級變得非常簡單，無需引入任何其他協議轉化模塊［6］。EPON結構在傳輸途中不需電源，易于鋪設，基本無需維護。

(2)提供帶寬高，帶寬分配靈活。EPON目前可以提供上下行對稱的1.25 Gbps帶寬，并且隨著以太技術的發展可以升級到10 Gbps。EPON可以通過動態帶寬算法等實現對每個接入點的帶寬分配，并保證每個接入點的服務質量(quality of service，QoS)［7］。

(3)電磁干擾小，雷電影響少。EPON是純光介質網絡，適合在變電站內電磁干擾嚴重的地區使用。

(4)自愈時間短。變電站內設備對網絡自愈時間要求較高，一般會采用雙無源光纖網絡(passive optical network，PON)光口的ONU。EPON系統的自愈機制建立在2根光纖上，當一條光纖信號或節點故障時，通過EPON的自愈功能可以迅速切換到另一組回環，保證通訊業務的暢通，自愈時間一般不超過100 ms。

鑒于狀態監測系統和視頻監控系統數據量大、數據實時性要求不高的特點，EPON的技術特點和優勢能夠很好地滿足狀態監測和視頻監控系統的業務需求，且EPON技術在公網和智能配電網等領域已有廣泛的應用［6-10］，因此本文考慮在智能變電站創新應用EPON技術實現狀態監測和視頻系統數據的傳輸，以期能夠很好地解決目前變電站內、變電站與主站之間日益增長的帶寬開銷問題。

3 狀態監測和視頻監控系統EPON網絡的構建

3.1 組網方案

通過對狀態監測業務和視頻業務的需求對象進行分析，可以建立站內和變電站與調度中心的EPON網絡整體構架。

方案1。不考慮站內狀態監測和視頻監控系統數據的應用，數據經分光器直接連接至光纖配線架，進而連接電力綜合數據網和調度端主站，如圖1所示。

狀態監測系統各IED和視頻監視系統的各攝像頭接入ONU，上行采用時分復用(time division multiple access，TDMA)共享帶寬。分光器匯集數據，上送至光纖配線架出站。此方案組網方式簡單，但設備狀態監測子系統和視頻監控系統不與站內數據實現交互。在遠期或擴建時，若有需要，只需增加ONU數量和少量光纖即可方便地對系統進行擴容升級，減少了投資。由于站內ONU設備均通過無源分光器以物理并聯的型式接到通信信道光纖，后續新增、擴容接入不會影響現有業務通訊的實時性、業務數據的可靠性。

方案2。為滿足站內實現高級應用功能的需求，需在方案一的基礎上配置OLT，實現站內設備狀態監測和視頻監控系統數據的交互與分析。OLT為ONU分配帶寬，解析下聯數據業務，傳送至綜合應用服務器并將綜合應用服務器結合狀態監測數據和視頻監控數據等處理分析的指令向ONU發送實現狀態檢修等高級應用功能。分光器并不具備光電轉換和數據處理功能，僅完成數據集中作用，如圖2所示。

站內各節點通過工業級OLT設備的千兆PON光口和1:n分光器組成的跨OLT主干光路保護通信網。不同系統的信息和不同站的信息充分利用EPON的QoS機制實現分類管理，站內狀態監測I1接口數據轉換成I2接口后經OPGW光纜傳輸至在線監測主站;各站的視頻流匯集至地調的視頻主站后，主站可通過查看各子站內視頻圖像，實現遠程狀態檢修等高級應用功能。

3.2 設計方案

以國家電網公司通用設計220-A1-1方案為例，220 kV本期采用雙母線接線，110 kV本期采用雙母線接線，10 kV本期采用單母線分段接線，主變采用三相自耦有載調壓變壓器2臺，220 kV及110 kV均采用戶外GIS，220 kV，110 kV，35 kV出線各4回。

全站配置狀態監測裝置1套，包括涵蓋各式傳感器和控制器在內的在線監測IED24臺;視頻監控系統配置攝像機15個，視頻監控服務器1組，在線監測服務器1組。裝置布置及連接示意如圖3所示。

為實現視頻監視、順序控制等高級應用功能，推薦方案2。采用EPON組網方式，根據變電站面積設置攝像頭15個，每1～3個攝像頭就近配置ONU設備，共需7臺;狀態監測子IED每8個配置1臺ONU設備，共需3臺。設置1臺OLT設備，裝設有PON口和電口，通過OLT上的小型可插拔收發光模塊(small form-factor pluggables，SFP)，經過光纖配線架送至調度主站端。接入綜合應用服務器(一體化信息平臺)的數據通過OLT上的SFP RJ45電口模塊完成傳輸，實現站內高級應用功能。共需SFP端口4個，分別連接站內交換機、有線或無線路由器，提供標準以太網接入的支持。

3.3 經濟性分析

上述變電站需配置狀態監測子IED24臺;視頻監控系統需配置網絡高清攝像機15個。采用常規方案(交換機組網方式)建設，需配置16口交換機4臺。常規方式和EPON方式組網經濟性比較詳見表3。

由表3可知，采用無源光網絡方式比常規組網方式前期投資減少5.2萬元。由于EPON為無源光網絡，傳輸途中不需電源，沒有電子部件，因此容易鋪設，在全壽命周期內基本不用維護，其長期運維成本和管理成本也將大大降低。

可見，通過采用EPON方式構建站內狀態監測和視頻系統的通信設備成本及建設成本較常規方式都少，經濟性較好。

4 結論

經上述分析，結合智能變電站內狀態監測與視頻監控系統數據傳輸業務特點，EPON作為一種新型的光纖接入網技術，因其無源光纖傳輸、成本低、高帶寬、抗干擾等優點，應用于智能變電站上述2大系統中，具有很好的經濟性，能夠滿足變電站站點和調度中心間日益增長的狀態監測系統和視頻監控系統的網絡通信帶寬需求。

［1］國家電網公司基建部.智能變電站建設技術［M］.北京:中國電力出版社，2011:77-79.

［2］魏勇，宋小會，許偉國，等.智能變電站過程層網絡采用EPON技術實用性研究［J］.電氣技術，2011(10):15-19.

［3］輸變電設備狀態監測主站系統變電設備在線監測I1接口網絡通信規范［S］.

［4］Q/GDW 740-2012輸變電設備狀態監測主站系統變電設備在線監測I2接口網絡通信規范［S］.

［5］QGDW 688-2012智能變電站輔助控制系統設計技術規范［S］.

［6］尹向東.EPON技術在用電信息采集遠程通信中的應用［J］.電力系統通信，2011，215(31):36-40.

［7］朱瑞杰，于昉，夏增極.EPON技術在配電網自動化中的應用［J］.電力建設，2011，32(6):49-53.

［8］李祥珍，何清素，孫寄生.智能配電網通信組網技術研究及應用［J］.中國電力，2011，44(12):78-81.

［9］李博.變電站主電氣設備狀態監測和故障診斷技術應用［J］.中國電力，2002，35(11):37-41.

［10］馬衛平，董旭柱，王忠東，等.大型變壓器局部放電在線監測系統研究［J］.中國電力，2000，33(4):35-37，66.

(編輯:張媛媛)

Application of EPON Technology in Smart Substation Condition Monitoring and Video Surveillance System s

YANG Zhen，ZHAO Yanru
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

Ethernet passive optical network(EPON)is a new technology for optical fiber accessing network，which has characteristics of low cost，high bandw idth，little electromagnetic interference，strong scalability，strong compatibility and so on.The condition monitoring and video surveillance system in smart substation have a feature of large data，but low realtime requirements.The condition monitoring and video surveillance system in substation are constructed With using EPON can effectively solve the problem of exports＇bandw idth allocation Without using sw itches，and also can save the network construction investment and life-cycle maintenance costs，which is effective new network scheme for the condition monitoring and video surveillance system in smart substation.This paper analyzed the feasibility of the application of EPON technology in monitoring and video surveillance system in smart substation，and designed the construction scheme of EPON network for 220 kV smart substation，which can provide a new scheme for the data transm ission in monitoring and video surveillance system in smart substation.

ethernet passive optical network(EPON);condition monitoring;video surveillance;network scheme

TM 76

A

1000－7229(2014)11－0107－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.018

2014-05-26

2014-06-24

楊臻(1981)，女，碩士，工程師，研究方向為變電站設計技術;趙燕茹(1960)，女，高級工程師，研究方向為變電站設計技術。