基于Modbus/TCP的EPON配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)

劉 冉，莊紅山，汪凱威，於湘濤，黃 輝

（國網(wǎng)新疆電力調(diào)度控制中心，烏魯木齊 830092）

0 引言

目前，由于我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)于電力能源供應(yīng)的安全性和穩(wěn)定性的要求逐步提高。隨著配電網(wǎng)信息通信智能化、自動(dòng)化與信息化的飛速發(fā)展，配電網(wǎng)的安全通信問題以及能夠穩(wěn)定地運(yùn)行被提上日程[1～3]。配網(wǎng)通訊系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的核心部分直接對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性、安全性有著重要的影響[4～6]。基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）作為一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入技術(shù)，具備可靠性強(qiáng)、安全性高、經(jīng)濟(jì)性及擴(kuò)容能力好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地用于配網(wǎng)自動(dòng)化通訊系統(tǒng)，以保證配電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全傳輸[7～9]。

為了緩解配電網(wǎng)建設(shè)的成本，減少配網(wǎng)自動(dòng)化通訊的損耗，本文設(shè)計(jì)了基于無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化通信的系統(tǒng)，采用Modbus/TCP通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的通訊，同時(shí)通過組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行光功率損耗的通信試驗(yàn)和測(cè)算[10～12]，證明基于EPON實(shí)現(xiàn)通訊組網(wǎng)系統(tǒng)方案的可行性，下文將進(jìn)一步詳細(xì)說明。

1 配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)（Distribution Automation System）是電力系統(tǒng)中對(duì)配電網(wǎng)上的設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制、協(xié)調(diào)的集成系統(tǒng)[13～15]。常用的通信技術(shù)有工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、無線專網(wǎng)技術(shù)，比如WIMAX、無線傳感技術(shù)等，本文為基于Modbus/TCP通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊，并且基于EPON（以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)。Modbus/TCP通訊協(xié)議在OSI模型中屬于應(yīng)用層。協(xié)議在基于EPON的配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)中，其主要的組成部分包含配電主站、配電子站、配電終端、通信信道等。如圖1所示。

配電主站是整個(gè)通信系統(tǒng)的功能核心，主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及人機(jī)交互等控制功能。同時(shí)，配電主站還能夠進(jìn)行配電SCADA、故障處理及信息收集。在配電終端，其通常包含饋線終端（FTU）、配變終端（TTU）及遠(yuǎn)方終端（RTU），能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)、配電變壓器設(shè)備的信息采集、處理與監(jiān)控。通信信道能夠連接配電自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)部分的紐帶，以便實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。EPON自動(dòng)化通信系統(tǒng)包含光線路終端（OLT）、光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）和用戶側(cè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）。其中光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）包含有光纖和無源光分路器，進(jìn)行光通信的光通道介于OLT和ONU之間，在該通道中進(jìn)行分發(fā)下行信息數(shù)據(jù)，同時(shí)將上行信息數(shù)據(jù)聚合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)光信號(hào)功率分配、波長(zhǎng)復(fù)用。EPON通過波分復(fù)用技術(shù)能夠柔性處理雙向信息傳輸數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)⑾滦袛?shù)據(jù)聚集到中心局端OLT。

圖1 配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

EPON技術(shù)的應(yīng)用范圍比較廣，通常應(yīng)用在單模光釬介質(zhì)敷設(shè)式的光纜中，數(shù)據(jù)傳輸速度快，且效率高。在多種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中可組合使用，其通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)操作方便、快捷。在系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸中，其存在多種形式，比如鏈形、星形、樹形、環(huán)形、總線型等。其接入的基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)通信接入網(wǎng)基本架構(gòu)

2 基于EPON 技術(shù)的研究

2.1 EPON 技術(shù)原理

EPON 技術(shù)用于將業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)接口之間連接起來，采用其內(nèi)部的Modbus/TCP通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，利用一點(diǎn)到多點(diǎn)的單纖雙向光接入技術(shù)結(jié)構(gòu)，采用無源光纖通信傳輸?shù)募夹g(shù)方式，經(jīng)由以太網(wǎng)，提供不同的業(yè)務(wù)，使用戶的網(wǎng)絡(luò)接口與用戶的設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)信息的互連、互通。其原理架構(gòu)如圖3所示。

圖3 EPON原理結(jié)構(gòu)示意圖

EPON大體上由ONU、ODN和OLT組成，其中OLT為EPON內(nèi)的關(guān)鍵部件，其主要作用是發(fā)送ONU廣播數(shù)據(jù)、分配寬帶等，在使用時(shí)，通常將OLT設(shè)置在中心機(jī)房。而ODN是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征或通信特征，在ODN中，通過1：N的無源分光器將信息數(shù)據(jù)分配到PON中的各個(gè)ONU單元。則來自不同的ONU的多種業(yè)務(wù)信息各自獨(dú)立、互不干擾地通過ODN內(nèi)設(shè)置的1：N無源分光器，然后共同耦合到相同的光纖上，最后信息被輸出至位于局端OLT的接收端。通常其可利用樹狀形、環(huán)形、總線型、等互聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)點(diǎn)之間的信息互聯(lián)。ODN還可使用以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全雙工雙向傳輸。傳輸速度可達(dá)1.25Gbps～10Gbps，能夠滿足覆蓋信息傳輸業(yè)務(wù)的需求。

2.2 EPON通信協(xié)議

EPON技術(shù)可以理解為是一種寬帶綜合接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，按照網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議，可以將EPON劃分到ISO/IEC OSI第二層協(xié)議，EPON的通信協(xié)議的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為Modbus/TCP通訊協(xié)議，Modbus/TCP通訊協(xié)議是運(yùn)行在TCP/IP協(xié)議上的Modbus報(bào)文傳輸協(xié)議。控制器彼此之間通過該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)和其它設(shè)備的通信。Modbus/TCP屬于開放型的協(xié)議，在工作時(shí)間，向Modbus/TCP協(xié)議向TCP賦予端口號(hào)碼，Modbus/TCP在傳輸過程中，采用TCP/IP的以太網(wǎng)模型進(jìn)行參考，圖4為顯示其5層的模型架構(gòu)示意圖。

圖4 Modbus/TCP模型架構(gòu)示意圖

Modbus通信協(xié)議棧如圖5所示。

圖5 Modbus通信協(xié)議棧

EPON技術(shù)采用上述通訊方式實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，在鏈路層中，其采用以太網(wǎng)通信方式，如圖6所示。

在物理層中，其采用PON技術(shù)，借助于PON的拓?fù)浼軜?gòu)進(jìn)行接入以太網(wǎng)，采用100BASE的以太PHY，通過MAC控制命令來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化、控制各光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）、光線路終端（OLT）之間突發(fā)的數(shù)據(jù)通信以及實(shí)時(shí)的TDM通信，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的交互。在EPON網(wǎng)絡(luò)中，在不同的ONU接入系統(tǒng)中，其大部分是采用時(shí)分的方式，使OLT和ONU在通信過程中實(shí)現(xiàn)信息同步。在MAC控制子層中，通過MPCP通信消息、狀態(tài)機(jī)、定時(shí)器來控制、訪問P2MP的拓?fù)浼軜?gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)OUN發(fā)送的時(shí)隙分配、動(dòng)態(tài)帶寬分配等。在通信過程中，EPON按照Modbus/TCP協(xié)議的規(guī)定，使得包長(zhǎng)可以變至高達(dá)1518字節(jié)來進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)。在通信協(xié)議的第二層中，EPON借助于TDM，使用健全的以太技術(shù)/全雙工技術(shù)，使光信息數(shù)據(jù)精確地傳輸?shù)接脩艚K端。通過該通信協(xié)議，組網(wǎng)容易、可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高。

圖6 EPON通信結(jié)構(gòu)示意圖

3 通信測(cè)試

在廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司防城港供電局，按照上述方案進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試。在組網(wǎng)測(cè)試中，以配網(wǎng)調(diào)、110kV變電站作為測(cè)試點(diǎn)，首先選擇通信匯聚節(jié)點(diǎn)，其分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)、F區(qū)、G區(qū)、H區(qū)變電站。將這些地區(qū)作為區(qū)域配電通信網(wǎng)的核心層。然后，再選配網(wǎng)調(diào)主站，其作為整個(gè)配網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控中心，在配網(wǎng)調(diào)主站內(nèi)安裝2臺(tái)光纖以太網(wǎng)交換機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)配電信息的采集、計(jì)算、處理。然后再在每個(gè)區(qū)安裝OLT設(shè)備6～10臺(tái)，按照?qǐng)D3的連接方式進(jìn)行試驗(yàn)。

圖7 測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖

在上述試驗(yàn)中，供電系統(tǒng)大體上采用就地取電的方式供電，開閉所、配電室、計(jì)算終端采用交流220V電壓供電，配網(wǎng)調(diào)、110kV變電站采用-48V電壓進(jìn)行供電，柱上開關(guān)及環(huán)網(wǎng)柜采用-24V供電等。在通信時(shí)采用上述介紹的方式，利用上文介紹的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，采用無源光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過以太網(wǎng)提供各種不同的業(yè)務(wù)，在本文試驗(yàn)時(shí)，得出測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 通信試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過上述試驗(yàn)，在采用上述同樣硬件，在不采用EPON技術(shù)的情況下，再次進(jìn)行信息通信測(cè)試。通過測(cè)試，最后得出光功率損耗百分比如表2所示。

表2 光功率通信損耗對(duì)比表

通過上述通信試驗(yàn)，基于IEEE802.3通信協(xié)議的EPON技術(shù)能夠大大減少光線路的衰減率。能夠滿足光通信冗余要求，測(cè)試結(jié)果表明，基于EPON的通信系統(tǒng)使得光功率損耗百分比大大降低，所提出的EPON通信系統(tǒng)具有較好的合理性和可靠性。使得系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率得以提高。

4 結(jié)語

本文通過采用EPON技術(shù)實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化通信，通過將一點(diǎn)到多點(diǎn)作為通信的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)終端用戶服務(wù)，并且定義了新型的、應(yīng)用于EPON系統(tǒng)的物理層的通信協(xié)議規(guī)范和擴(kuò)展的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，便于在點(diǎn)到多點(diǎn)的PON中以太網(wǎng)幀的TDM接入。通過在廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司防城港供電局內(nèi)選擇七個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行通信試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)方案具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸速率快、數(shù)據(jù)吞吐量大、光損耗低等優(yōu)點(diǎn)。