摘要：以太网无源光网络（EPON）技术实现了业务在无源光纤上的点到多点传输，同时支持以太网之上的多种业务传输，其信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成，而且传输距离比有源光纤接入系统短，覆盖的范围较广，造价低，在电信宽带入户、智能小区、物联网等领域得到了广泛应用。
关键词：EPON网络；智能变电站；继电保护
电力通信网主要以光纤、数字微波传输为主，卫星、电力线载波等多种通信方式并存，承担着数据通信、语音信息、继电保护、监控等领域业务。随着光通信技术的快速发展，电力通信接入网开始采用EPON设备运用于配电自动化业务和用电信息采集业务。
一、EPON概论
1EPON网络基本原理
EPON系统是由光线路终端（OLT）、光配线网络（ODN）和光网络单元（ONU）组成的单纤双向系统。ODN由光纤和无源光分路器或连接器组成，在OLT与ONU之间提供光通道，主要负责分发下行数据并集中上行数据，完成光信号功率分配和波长复用等功能。EPON采用波分复用技术同时处理双向信号传输，下行数据以点到多点的广播方式从OLT发送到所有的ONU，上行数据则从各个ONU采用时分复用的方式统一汇聚到中心局端OLT。
2EPON网络技术特点
2.1动态带宽分配（DBA）
带宽分配主要具有静态、动态两种形式，其中静态分配由窗口尺寸决定，其带宽利用率较低；而动态带宽分配是当ONU进行实时带宽请求时，OLT根据ONU的流量信息为ONU分配实时动态上行带宽。DBA将直接影响EPON上行链路的信道利用效率、带宽、时延等，是MAC层最为核心的技术。
2.2测距补偿技术
测距补偿技术就是对OLT与各个ONU之间因为距离不同、环境温度变化、设备器件老化等原因引起的环路时延差异进行补偿，使OLT能准确地将各个ONU发来的数据进行复用。测距技术分为静态测距和动态测距。通常以太网交换机的带冲突检测的载波监听多址接入（CSMA/CD）机制使得系统在重负载或过载情况下高优先级业务的服务质量（QoS）难以得到可靠保证，容易导致数据报文的传输时延发生抖动。
2.3自动发现技术
已存在网络中的ONU从离线变成在线，或者网络中新加入一个ONU，这些ONU接入PON进程的过程称为“发现”。系统首先就是对新加入的ONU在网络里进行注册，新注册的ONU将自动加入EPON系统而不影响其他已正常接入网络的ONU，整个过程叫作自动发现技术。
2.4基于时分复用的同步技术
高速时钟同步和数据恢复就成为了关键。各ONU采用时分复用的机制接入EPON系统，OLT与ONU的初始时间同步是后续通信过程的基础、数据正确传输的保证。系统同步建立在一个共同的参考时钟之上，EPON一般使用OLT时间为标准参考，OLT定时广播时钟信息至各ONU，各下级ONU依据此信息调整自身时间，主动与上级OLT实现同步，完成整个系统在时间域的协调一致。
2.5光纤保护倒换技术
EPON主要采用骨干光纤保护和全光纤保护两种倒换技术，可以有效避免该光纤所属的ONU全部无法与OLT通信的故障。
2.6物理层的加解密技术
加密和解密可以在物理层、数据链路层及其上的协议层进行。其中，与在MAC层以上的加解密相比，在物理层的加密和解密是相对安全的。在发送端，物理层对整个字节流进行加密；在接收端，物理层对数据解密之后再发送给MAC层验证。
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二、智能变电站过程层EPON网络技术
1安全性
1）在EPON下行传输中可能存在非法用户窃听信息。解决方案：为了保证传输信息的保密性、可靠性和可控性，应对MAC控制帧、OAM控制帧以及链路层的传输帧采取AES加密算法加密。为确保上行信道中信息的可靠性和数据完整性，可以通过用户鉴权来确认是否对使用者发送信息，或者采用明文加密以确保使用者发送的数据和OLT接收到的数据一致，或在用户接口处将侵入系统的非法控制帧过滤。
2）EPON网络技术是在以太网交换基础上建立，同样存在着ARP攻击、DoS攻击等以太网网络安全隐患。解决方案：在EPON组网中采用加密认证、业务隔离、报文过滤、访问控制和安全管理技术手段，以确保网络中传输数据的完整性、安全性。
2可靠性
EPON组网在运行中可能由于OLT主控板、业务板冗余不满足或者承载重要业务的EPON光网络结构缺乏相关光路冗余保护手段导致设备、光路故障时承载业务无法正常切换，电力通信接入网业务中断影响信息的完整性。解决方案：EPON组网对链路采用冗余保护可避免光链路以及业务端口故障对网络传输业务的影响。在故障发生时，可通过业务端口和链路的倒换保证业务正常传输，根据标准对用电信息采集系统通信类业务的需求，EPON组网业务倒换过程中倒换时间应小于50ms。
3实时性
智能变电站的继电保护及控制设备通过智能变电站过程层网络采集SV采样值数据和GOOSE信息，进行内部功能运算后，通过智能终端设备进行跳闸操作。ONU和OLT进行上传采样信息时，即若干采样值数据包不能随到随转发，压在ONU中，导致采样值数据包到达OLT时呈现出较差的均匀度。解决方案：
1）带宽分配周期升级为125μs，远小于通用EPON系统的分配周期（500μs）。
2）带宽分配采用固定带宽分配，OLT周期性（125μs）地给ONU分配上行窗口（带宽）。ONU不需要按报文边界向OLT报告字节数。
3）为了提高带宽的利用率，OLT每个PON口最大支持下挂8个ONU，且ONU上行报文切片传输，最大化利用固定窗口带宽。
4）FX口接收1500字节的报文需要120μs，ONU上行等待的时延最大125μs。报文在OLT和交换机中的转发时延控制在50μs以内（需要设置严格的QoS），即报文回到目的ONU的延时控制在300μs以内。另外通过精确计算所有SV报文在系统中每一跳的驻留时间，报文到达目的ONU后，根据已逝去的时间与设置的固定时延，计算出SV报文在目的ONU中需要等待的时间，确保报文在EPON系统中经过的时延是固定值。
因此可看出，EPON网络数据转发时延控制时间越短，且时延时间离散越小就可以解决“压包”现象，从而实现虚拟点对点方式接入的保护装置功能不受影响。
结论
1）与传统的电力通信网络相比，EPON网络在实用性、可操作性等方面能够更好地满足智能变电站通信系统要求。
2）建立了动模试验平台对EPON通信网络设备、继电保护装置、合并单元及智能终端的整体配合性能进行了全面测试。测试结果表明，EPON网络通信技术采用改进措施后，设备间采样报文及跳闸报文的正常传输，保护功能特性未受影响，验证了修改措施的有效性。
参考文献:
[1]于同伟。一种面向智能变电站的广域备自投系统的应用[J].电力系统保护与控制，2015,43（9）：129-135.
[2]汪强。一种新的智能变电站通信业务安全隔离技术的研究[J].电力系统保护与控制，2015,43（17）：139-144.
论文作者:王胜鹏,王敏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：报文论文; 业务论文; 网络论文; 带宽论文; 技术论文; 数据论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第19期论文;