礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON通信的可靠性分析

趙元蘇 曹福凱 郭 蕊

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,北京 100042;2.華北理工大學(xué)冀唐學(xué)院,河北 唐山 063210)

隨著礦山企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的電氣化與智能化發(fā)展,礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化已成為礦區(qū)供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。配電網(wǎng)自動(dòng)化能夠保證礦區(qū)供電的可靠性與安全性,進(jìn)而提升礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率,降低運(yùn)維成本[1-3]。在礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化中通信系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用,其可靠性直接影響到配電網(wǎng)能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)。礦區(qū)工作環(huán)境相對(duì)惡劣,尤其在地下存在高溫高濕、電磁干擾嚴(yán)重等不利因素,而礦山的生產(chǎn)特點(diǎn)要求其通信網(wǎng)絡(luò)必須具有極高的可靠性。以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernet Passive Optical Network,EPON)具有可靠性高、傳輸距離長(zhǎng)、抗電磁干擾、拓展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),目前已有越來(lái)越多的礦區(qū)采用EPON作為其配電網(wǎng)自動(dòng)化的通信方式[4-6]。

對(duì)于配電網(wǎng)自動(dòng)化中EPON通信可靠性已有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[7-11]分析了配電網(wǎng)自動(dòng)化采用EPON通信的優(yōu)勢(shì)并提出了具體的構(gòu)網(wǎng)方案;文獻(xiàn)[12-16]研究了基于EPON的分布式配電網(wǎng)自動(dòng)化,并通過(guò)分布式故障自愈技術(shù)提高了配電網(wǎng)的可靠性;文獻(xiàn)[17-20]從信息物理系統(tǒng)層面對(duì)基于EPON通信的配電網(wǎng)進(jìn)行了可靠性評(píng)估。上述研究主要針對(duì)城市配電網(wǎng)中的EPON通信展開(kāi)的,受到礦區(qū)特殊環(huán)境因素影響,礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化的通信場(chǎng)景更為復(fù)雜。因此,需要針對(duì)礦區(qū)環(huán)境下EPON通信的特殊結(jié)構(gòu),分析其可靠性,以便更好地滿足礦山企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求。本研究通過(guò)分析礦區(qū)災(zāi)害強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑等因素對(duì)不同EPON結(jié)構(gòu)的影響,提出了礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON通信的可靠性數(shù)學(xué)模型,可定量評(píng)估3種不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)EPON通信的可靠性,為礦山企業(yè)選用合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 基于EPON的配電網(wǎng)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)

配電網(wǎng)自動(dòng)化的EPON通信網(wǎng)絡(luò)一般可分為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):直線形結(jié)構(gòu)和樹(shù)形結(jié)構(gòu)。其中直線形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)較為簡(jiǎn)單,如圖1所示。圖中,SDH表示數(shù)字同步體系(Synchronous Digital Hierarchy),OLT代表光線路終端(Optical Line Terminal),POS代表無(wú)源光纖分路器(Passive Optical Splitter),ONU代表光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit),DTU代表數(shù)據(jù)終端單元(Data Terminal Unit)。

圖1 配電網(wǎng)自動(dòng)化中EPON通信結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of EPON communication structure in distribution automation

配電子站是配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON通信網(wǎng)絡(luò)中的起點(diǎn)與核心,其中包含可接收外部光網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的SDH設(shè)備、交換機(jī)和OLT。OLT是EPON系統(tǒng)中的局端設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備的網(wǎng)元管理和基于業(yè)務(wù)的安全管理和配置管理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和端口的監(jiān)測(cè)與管理,以及業(yè)務(wù)開(kāi)通和帶寬分配等高級(jí)功能。OLT通過(guò)主干光纖將其信息發(fā)送給與之相連接的POS并接收該P(yáng)OS的信息,POS可通過(guò)支路光纖與ONU通信或通過(guò)聯(lián)系光纖與向下POS通信[10]。EPON系統(tǒng)中一個(gè)OLT的光纖通信半徑約為20 km,可以滿足配電網(wǎng)自動(dòng)化需求[21]。

在評(píng)估配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性程度時(shí),有效性是一個(gè)重要指標(biāo)。通信網(wǎng)絡(luò)的有效性取決于平均故障修復(fù)時(shí)間(Mean Time to Repair,MTTR)和平均故障間隔時(shí)間(Mean Time between Failure,MTBF),具體計(jì)算公式[22]為

式中,tMTBF為網(wǎng)絡(luò)平均故障間隔,其值也等于故障率的倒數(shù);tMTTR為網(wǎng)絡(luò)平均維修時(shí)間。

2 無(wú)冗余結(jié)構(gòu)的礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON可靠性評(píng)估模型

在礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化的EPON系統(tǒng)中,除了配電子站中的OLT位于地上,其余設(shè)備均位于地下?？紤]到地下礦井中巷道分布較為分散,EPON通信網(wǎng)絡(luò)通常采用樹(shù)形結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON的樹(shù)形結(jié)構(gòu)Fig.2 Tree structure of EPON in mining area distribution automation

由圖2可知:在樹(shù)形結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)中,OLT與地下網(wǎng)絡(luò)中頂部的主POS直接相連,對(duì)于含有n個(gè)子樹(shù)的網(wǎng)絡(luò),主POS通過(guò)聯(lián)系光纖L1、L2、L3、…、Ln與子樹(shù)中的POS相連。在樹(shù)形結(jié)構(gòu)的EPON中,OLT被稱為樹(shù)的根節(jié)點(diǎn),末端的ONU1、ONU2、ONU3、…、ONUi被稱為樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)。

相較于一般的城市配電網(wǎng)自動(dòng)化,礦區(qū)系統(tǒng)的特殊性在于更容易發(fā)生坍塌等災(zāi)害,導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和鏈路出現(xiàn)大范圍故障。因此,災(zāi)害后網(wǎng)絡(luò)的生存性是評(píng)價(jià)礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化通信可靠性的重要指標(biāo)。通信網(wǎng)絡(luò)的生存性是指網(wǎng)絡(luò)對(duì)災(zāi)害引發(fā)的業(yè)務(wù)干擾和抵抗能力,即在災(zāi)害發(fā)生后網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)和鏈路在一定概率故障的情況下,網(wǎng)絡(luò)保持正常通信的概率?；谕ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的可靠性理論,EPON的生存型可用概率方法進(jìn)行衡量。

災(zāi)害發(fā)生后EPON通信出現(xiàn)故障的原因可分為節(jié)點(diǎn)故障和鏈路故障,節(jié)點(diǎn)故障是指通信網(wǎng)絡(luò)中OLT、POS和ONU等設(shè)備發(fā)生故障,鏈路故障是指通信光纖中發(fā)生故障。考慮到礦區(qū)災(zāi)害強(qiáng)度與光纖發(fā)生故障之間的概率關(guān)系,設(shè)災(zāi)害發(fā)生后發(fā)生的災(zāi)害強(qiáng)度概率為k,災(zāi)害均勻作用在礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON光纖鏈路l上的故障概率為P(l)。當(dāng)光纖鏈路l的分段長(zhǎng)度ΔL無(wú)限接近于0時(shí),在長(zhǎng)度為ΔL的光纖中發(fā)生故障的概率可表示為

根據(jù)極限定理,礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON光纖鏈路l發(fā)生故障的概率可進(jìn)一步表示為

在礦區(qū)發(fā)生災(zāi)害后,EPON光纖鏈路能夠保持正常通信的概率為

根據(jù)圖2所示的樹(shù)形結(jié)構(gòu)礦區(qū)EPON,若地下巷道的通信網(wǎng)絡(luò)中含有n條光纖鏈路且任意光纖中發(fā)生故障的概率相互獨(dú)立,則當(dāng)災(zāi)害出現(xiàn)時(shí),m段光纖鏈路發(fā)生故障的概率分布可表示為

式中,為從N個(gè)不同元素中取出i個(gè)元素的所有組合的個(gè)數(shù);PS為一段光纖鏈路正常通信的概率。

設(shè)礦區(qū)發(fā)生災(zāi)害后光纖鏈路Li能夠保持正常通信的概率為Pi,則此時(shí)礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON能夠正常通信的概率ST(k)可表示為

式中,STi(k)為光纖鏈路Li的可靠性。

若樹(shù)形結(jié)構(gòu)的礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON中包含m個(gè)葉子節(jié)點(diǎn),假設(shè)它們能夠在災(zāi)后保持正常通信的概率為分別為P1、P2、…、Pm。假設(shè)EPON通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑為L(zhǎng),且根節(jié)點(diǎn)到各個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的通信距離均勻地分布在0到L之間,則式(6)可進(jìn)一步表示為

式中,P(ONUi)表示從OLT設(shè)備到葉子節(jié)點(diǎn)ONUi的通信網(wǎng)絡(luò)正常工作的概率。

根據(jù)上述分析,礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化的可靠性可以表示為

3 有冗余結(jié)構(gòu)的礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON可靠性評(píng)估模型

在礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON系統(tǒng)中,位于地面配電子站的OLT和地下配電終端處的ONU發(fā)生故障后容易被修復(fù),也可以通過(guò)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的固有可靠性來(lái)增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性,它們對(duì)EPON整體的可靠性影響較小;相比之下,POS以及光纖鏈路的故障難以被快速定位并修復(fù),對(duì)EPON的可靠性影響較大[5]。由于礦區(qū)配電網(wǎng)發(fā)生災(zāi)害的程度遠(yuǎn)高于普通配電網(wǎng),因此有必要通過(guò)增加EPON中光纖鏈路冗余度的方式提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。目前,礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON中常用的冗余結(jié)構(gòu)可分為樹(shù)形、雙環(huán)形和雙總線形。

3.1 樹(shù)形冗余結(jié)構(gòu)

礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化的EPON通信中最常見(jiàn)的冗余結(jié)構(gòu)為樹(shù)形冗余,如圖3所示。樹(shù)形冗余結(jié)構(gòu)采用共享光纖分配電網(wǎng)(Optical Distribution Network,ODN)的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余備份設(shè)計(jì)。ODN由若干個(gè)POS、主光纖鏈路和分支光纖鏈路組成。在圖3中,實(shí)線代表主光纖鏈路,位于地面配電子站內(nèi)的OLT設(shè)備通過(guò)多級(jí)POS和地下巷道中的各個(gè)ONU組成主鏈路;虛線代表后備光纖鏈路,OLT設(shè)備也可以通過(guò)后備光纖鏈路連接地下巷道中的全部POS和ONU。EPON的樹(shù)形冗余結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)OLT設(shè)備中的PON接口和ODN網(wǎng)絡(luò)的主干光纖鏈路進(jìn)行冗余備份設(shè)計(jì),通過(guò)雙光纖鏈路和雙份的POS進(jìn)行連接。

圖3 礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON的樹(shù)形冗余結(jié)構(gòu)Fig.3 Tree structure of EPON with redundancy in mining area distribution automation

在樹(shù)形冗余結(jié)構(gòu)的礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON系統(tǒng)中,定義根節(jié)點(diǎn)R與OLT設(shè)備之間的距離為d,各個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)ONUi到根節(jié)點(diǎn)R的距離l均勻分布于0～L。當(dāng)?shù)V區(qū)發(fā)生災(zāi)害時(shí),若只有一個(gè)光纖鏈路中的設(shè)備發(fā)生故障,顯然不會(huì)對(duì)具備冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON系統(tǒng)造成影響,因此只需考慮主光纖與后備光纖鏈路中同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)葉子節(jié)點(diǎn)ONUi通信造成的影響,此時(shí)從OLT設(shè)備到根節(jié)點(diǎn)R的通信網(wǎng)絡(luò)正常工作的概率為

從根節(jié)點(diǎn)R到葉子節(jié)點(diǎn)ONUi的通信網(wǎng)絡(luò)正常工作的概率為

在礦區(qū)發(fā)生災(zāi)害時(shí),從OLT設(shè)備到葉子節(jié)點(diǎn)ONUi的通信網(wǎng)絡(luò)正常工作的概率為

將(11)代入式(8)中,可得礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化采用樹(shù)形冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的可靠性為

3.2 雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)

礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON通信網(wǎng)絡(luò)的環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)為共享光纖分配電網(wǎng)的雙環(huán)形結(jié)構(gòu),如圖4所示。雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)的EPON由一條主光纖鏈路和一條后備光纖鏈路組成雙鏈路冗余。在圖4中,主光纖鏈路沿逆時(shí)針?lè)较蜻B接OLT設(shè)備與地下巷道中的多個(gè)POS構(gòu)成主環(huán),各個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)中的ONU通過(guò)附近的POS接入EPON通信網(wǎng)絡(luò);后備光纖鏈路沿與主鏈路相反的方向連接OLT設(shè)備與地下巷道中的多個(gè)POS構(gòu)成備用環(huán)。雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了所有葉子節(jié)點(diǎn)中的ONU都能在EPON中實(shí)現(xiàn)冗余通信,當(dāng)?shù)V區(qū)發(fā)生災(zāi)害導(dǎo)致某一鏈路完全失效時(shí),對(duì)EPON中網(wǎng)絡(luò)覆蓋和平均路徑距離的影響較小;任意一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)也不會(huì)影響其他葉子節(jié)點(diǎn)的正常通信。雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)的礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON通信網(wǎng)絡(luò)可有效地保護(hù)通信鏈路的有效性,解決了傳統(tǒng)環(huán)形結(jié)構(gòu)的光纖以太網(wǎng)在發(fā)生鏈路故障時(shí)的不足,可實(shí)現(xiàn)光纖鏈路的快速愈合,更好地提高EPON通信網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力。雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)雖然增加了通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)度,但能夠明顯地提高礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON的可靠性和容錯(cuò)能力。

圖4 礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON的雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)Fig.4 Dual-ring structure of EPON with redundancy in mining area distribution automation

對(duì)于采用雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON通信網(wǎng)絡(luò),在分析其可靠性時(shí)也應(yīng)主要分析主光纖和后備光纖兩鏈路同時(shí)故障時(shí)對(duì)各葉子節(jié)點(diǎn)ONU通信的影響。假設(shè)在EPON的主光纖鏈路中,葉子節(jié)點(diǎn)ONUi距離中心節(jié)點(diǎn)OLT設(shè)備的距離為li,且各葉子節(jié)點(diǎn)到OTL設(shè)備的距離均勻分布在0～L范圍內(nèi),根據(jù)雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則,在后備光纖鏈路中該葉子節(jié)點(diǎn)到OTL設(shè)備的距離l'i滿足:

為便于計(jì)算,定義環(huán)形鏈路中距ONUi最近的POS的距離同樣為d,該鏈路能夠正常通信的概率為

當(dāng)?shù)V區(qū)發(fā)生災(zāi)害后,ONUi在主光纖鏈路和后備光纖鏈路中能夠正常通信的概率分別為

在采用雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中,災(zāi)害后ONUi能夠保持正常通信的概率可表示為

將(17)代入式(8)中,可得礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化采用雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的可靠性為

3.3 雙總線形冗余結(jié)構(gòu)

礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON通信網(wǎng)絡(luò)的雙總線形冗余結(jié)構(gòu)也被稱為“手拉手”網(wǎng)絡(luò),如圖5所示。該結(jié)構(gòu)是由一條主光纖鏈路和一條后備光纖鏈路組合而成的雙總線形通信網(wǎng)絡(luò)。在圖5中,實(shí)線代表主光纖鏈路,位于地上配電網(wǎng)子站中的OLT設(shè)備通過(guò)多級(jí)POS與分布在地下巷道中的全部ONU依次相連;虛線代表后備光纖鏈路,該鏈路同樣始于OLT設(shè)備,但在地下巷道中它以與主光纖鏈路相反的方向通過(guò)多級(jí)POS與全部ONU依次相連。這樣的設(shè)計(jì)方法可以保證EPON中OLT設(shè)備和ODN終端間的光纖鏈路存在冗余備份,全部的光通道均具有雙光纖配置和多個(gè)無(wú)源分光器。實(shí)際運(yùn)行中,主光纖鏈路和后備光纖鏈路分別通過(guò)兩組分光器與OLT和各ONU相連,互為備用。EPON通信網(wǎng)絡(luò)中雙總線形冗余結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)是地下巷道中任意一處ONU產(chǎn)生故障時(shí)均不會(huì)對(duì)其余ONU造成影響,具備非常高的可靠性。

圖5 礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON的雙總線形冗余結(jié)構(gòu)Fig.5 Dual-bus structure of EPON with redundancy in mining area distribution automation

對(duì)于存在N個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON通信網(wǎng)絡(luò),當(dāng)采用雙總線形冗余結(jié)構(gòu)時(shí),為便于分析,近似認(rèn)為各個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的距離符合均勻分布。發(fā)生礦區(qū)災(zāi)害后,由于存在冗余配置,只需考慮主光纖鏈路和備用光纖鏈路同時(shí)存在故障時(shí)地下巷道內(nèi)的各個(gè)ONU能否保持正常通信。與上一小節(jié)中分析的雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)類似,假設(shè)在EPON的主光纖鏈路中葉子節(jié)點(diǎn)ONUi到根節(jié)點(diǎn)的距離為li,則在后備光纖鏈路中該葉子節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的距離l'i同樣滿足式(13)。當(dāng)?shù)V區(qū)發(fā)生災(zāi)害后,ONUi在主光纖鏈路和后備光纖鏈路中能夠正常通信的概率依然如式(15)和式(16)所示。發(fā)生災(zāi)害后ONUi能夠維持正常通信的概率為

將式(19)代入式(8)中,可得礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化采用雙總線形冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的可靠性為

4 算例分析

通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的概率分析與近似計(jì)算,得到了可評(píng)估礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON可靠性的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性數(shù)學(xué)模型可以看出,礦區(qū)發(fā)生災(zāi)害后EPON通信的可靠性與災(zāi)害強(qiáng)度k、網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑L相關(guān)。然而,由于數(shù)學(xué)模型為含有指數(shù)運(yùn)算的復(fù)雜模型,難以直接分析出可靠性與災(zāi)害強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑的具體關(guān)系,因此本研究利用MATLAB程序?qū)Σ煌W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行算例編程計(jì)算。在計(jì)算時(shí),定義OLT設(shè)備到根節(jié)點(diǎn)的距離d為單位長(zhǎng)度且網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑L最大值為100。在本節(jié)中L對(duì)應(yīng)的數(shù)值即為單位長(zhǎng)度的倍數(shù)。

4.1 災(zāi)害強(qiáng)度對(duì)不同結(jié)構(gòu)EPON可靠性的影響

為研究災(zāi)害強(qiáng)度對(duì)礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON可靠性的影響,將網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑固定為10,此時(shí)設(shè)置災(zāi)害強(qiáng)度變化范圍為0.1～1.0,不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的EPON可靠性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同災(zāi)害強(qiáng)度下各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性Table 1 Reliability of various network structures under different disaster intensities

由表1可知:對(duì)于不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),EPON的可靠性均會(huì)隨著災(zāi)害強(qiáng)度增加而降低;另外,在災(zāi)害強(qiáng)度相同的條件下,雙總線形結(jié)構(gòu)可靠性最高,雙環(huán)形結(jié)構(gòu)次之,樹(shù)形結(jié)構(gòu)的可靠性相對(duì)另外兩種結(jié)構(gòu)明顯更低。因此,在對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性要求較高的礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化中,應(yīng)優(yōu)先采用雙總線形和雙環(huán)形結(jié)構(gòu)的EPON。對(duì)比不同災(zāi)害強(qiáng)度下雙總線形結(jié)構(gòu)和雙環(huán)形結(jié)構(gòu)的可靠性可以看出,當(dāng)災(zāi)害強(qiáng)度為0.1時(shí),雙總線形結(jié)構(gòu)的可靠性是雙環(huán)形結(jié)構(gòu)的1.108 6倍;當(dāng)災(zāi)害強(qiáng)度為1.0時(shí),雙總線形結(jié)構(gòu)的可靠性可以達(dá)到雙環(huán)形結(jié)構(gòu)的2.218 8倍,因此災(zāi)害強(qiáng)度越高時(shí)雙總線形結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)勢(shì)越明顯。

4.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑對(duì)不同結(jié)構(gòu)EPON可靠性的影響

為研究網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑對(duì)礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化EPON可靠性的影響,將礦區(qū)災(zāi)害強(qiáng)度固定,并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑從10到100變化。當(dāng)?shù)V區(qū)災(zāi)害強(qiáng)度分別為0.1、0.5、0.9時(shí),在不同網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑條件下各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的EPON可靠性計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表2至表4。

表2 災(zāi)害強(qiáng)度為0.1時(shí)各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性Table 2 Reliability of various network structures when the disaster intensity is 0.1

表3 災(zāi)害強(qiáng)度為0.5時(shí)各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性Table 3 Reliability of various network structures when the disaster intensity is 0.5

表4 災(zāi)害強(qiáng)度為0.9時(shí)各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性Table 4 Reliability of various network structures when the disaster intensity is 0.9

由表2至表4可知:當(dāng)災(zāi)害強(qiáng)度相同時(shí),隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑增加,不同結(jié)構(gòu)EPON的可靠性均會(huì)下降。當(dāng)災(zāi)害強(qiáng)度為0.1、網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑為100時(shí),3種EPON結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可靠性為覆蓋半徑為10時(shí)的15.81% ～ 21.87%;而當(dāng)災(zāi)害強(qiáng)度為0.5和0.9、網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑為100時(shí),3種EPON結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可靠性僅為覆蓋半徑為10時(shí)的10%左右。因此,當(dāng)災(zāi)害強(qiáng)度越高時(shí),網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑增加對(duì)EPON可靠性的影響越大?？紤]到雙總線形結(jié)構(gòu)的可靠性最高,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑較長(zhǎng)的礦區(qū)配電網(wǎng)應(yīng)優(yōu)先選用雙總線形結(jié)構(gòu)的EPON通信網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié) 論

(1)研究了不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下EPON通信的可靠性數(shù)學(xué)模型,計(jì)算結(jié)果表明:礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化的EPON通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與災(zāi)害強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(2)當(dāng)EPON網(wǎng)絡(luò)中單點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),無(wú)論是樹(shù)形、雙環(huán)形還是雙總線形冗余結(jié)構(gòu)均具有極高的可靠性。當(dāng)?shù)V區(qū)發(fā)生災(zāi)害時(shí),EPON網(wǎng)絡(luò)的可靠性與災(zāi)害強(qiáng)度和網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑有關(guān),且二者的數(shù)值越高EPON通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性越低。

(3)在相同災(zāi)害強(qiáng)度和網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑條件下,采用雙總線形冗余結(jié)構(gòu)EPON網(wǎng)絡(luò)的可靠性最高,雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)的可靠性次之,樹(shù)形冗余結(jié)構(gòu)的可靠性最低。特別是在網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑較高的情況下,雙總線形冗余結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)勢(shì)尤為明顯。因此,在條件允許的情況下,礦區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化的EPON通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量采用雙總線形冗余結(jié)構(gòu),以便更好地保護(hù)礦區(qū)生產(chǎn)安全,提高礦區(qū)生產(chǎn)效率。