用電信息采集系統(tǒng)EPON建設(shè)方案

 1引言

改革開放30年，隨著電力體制市場化改革進(jìn)程的不斷推進(jìn)，做為關(guān)系國家能源安全和國民經(jīng)濟(jì)命脈的國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)“一強(qiáng)三優(yōu)”的戰(zhàn)略目標(biāo)。為建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的和諧社會，更好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，階梯電價(jià)政策執(zhí)行的腳步已經(jīng)邁近。而電力用戶用電信息的實(shí)時(shí)采集是此項(xiàng)政策實(shí)施的一個重要技術(shù)手段。

通過建設(shè)用戶用電信息采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量裝置在線監(jiān)測和用戶負(fù)荷、電量、電壓等重要信息的實(shí)時(shí)采集，可及時(shí)、完整、準(zhǔn)確掌控電力用戶信息，為此作為用戶用電信息采集系統(tǒng)的3個重要部分，業(yè)務(wù)主站系統(tǒng)、用戶信息采集、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在建設(shè)之中要充分考慮如何滿足用戶用電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的需求，其中數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)做為用戶用電數(shù)據(jù)的傳輸通道更為關(guān)鍵，需要選擇最合適的技術(shù)手段，從而確保用戶用電信息采集安全、可靠、準(zhǔn)確的運(yùn)行。

2不同數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)比較

前期部分網(wǎng)省公司已經(jīng)試點(diǎn)建設(shè)了用戶用電信息采集系統(tǒng)，其中在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程通道主要采用GPRS/CDMA和230 MHz專網(wǎng)方式，這2種方式在保證系統(tǒng)通信可靠性、滿足實(shí)時(shí)性及安全性要求的角度考慮都會存在一些問題。GPRS/CDMA方式需要借助運(yùn)營商的資源，將用戶用電信息在運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行承載，存在一定的安全隱患，同時(shí)由于GPRS/CDMA和230 MHz在可靠性和滿足用戶用電信息實(shí)時(shí)性方面也存在問題，因此，對于用戶用電信息采集系統(tǒng)需要選擇一種運(yùn)行安全可靠、能確保用戶用電信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程通道。而光纖方式組網(wǎng)相對前2種方式，無論在保證系統(tǒng)通信可靠性，還是滿足實(shí)時(shí)性及安全性要求的方面都較為合適，由于用戶均處于電網(wǎng)的最末端，要全面采用點(diǎn)對點(diǎn)方式的光纖覆蓋，成本過高，為了節(jié)約投資，采用EPON技術(shù)做為用戶用電信息采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸通信十分合適。

3 EPON技術(shù)簡介

目前，基于PON(無源光網(wǎng)絡(luò))的實(shí)用技術(shù)主要有APON/BPON、GPON、EPON、WDM PON等幾種，其主要差異在于采用了不同的2層技術(shù)。為更好適應(yīng)IP業(yè)務(wù)，第1英里以太網(wǎng)聯(lián)盟(EFMA)在2001年初，提出了在2層用以太網(wǎng)取代ATM的EPON技術(shù)，IEEE 802.3ah工作小組對其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，可以支持1.25 Gbit/s對稱速率。隨著光器件的進(jìn)一步成熟，IEEE將在2009年9月推出IEEE 802.3av 10 G EPON標(biāo)準(zhǔn)，速率可以提升到10 Gbit/s，并兼容1.25 G EPON。由于其將以太網(wǎng)技術(shù)與PON技術(shù)完美結(jié)合，因此，非常適合IP業(yè)務(wù)的寬帶接入技術(shù)。

EPON通過點(diǎn)到多點(diǎn)、單纖雙向的PON網(wǎng)絡(luò)來傳送Ethernet報(bào)文，EPON 鏈路層采用以太網(wǎng)技術(shù)，因此，報(bào)文封裝上無額外開銷。EPON的主要目的是充分利用PON的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一個分布式以太網(wǎng)交換機(jī)的功能。EPON由3個部分組成：局端設(shè)備OLT(光線路終端)、終端設(shè)備ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)及由分光器及光纖組成的光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN);可以認(rèn)為OLT、ONU組成了1個分布式的以太網(wǎng)交換機(jī)。分光器不需要電源，是玻璃體，可以根據(jù)需要把輸入光分成不同比例的多個光，如1：2、1：4、1：32等，這種無源點(diǎn)對多點(diǎn)的分發(fā)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了PON的主要優(yōu)點(diǎn)。

EPON使用G.652標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖，下行波長為1 490 nm、上行波長為1 310 nm;鏈路層速率是上下行對稱各1.25 Gbit/s;PON網(wǎng)絡(luò)中光纖的長度在0.5～20 km。

EPON的主要標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.3ah-2004規(guī)定。運(yùn)營商(如日本NTT、中國電信)在報(bào)文加密、OAM、DBA方面作了補(bǔ)充規(guī)定，并實(shí)現(xiàn)了EPON設(shè)備的互通。

EPON繼承了以太網(wǎng)的全部特性，可以采用基于以太網(wǎng)的VLAN技術(shù)、報(bào)文封裝和轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)、接入認(rèn)證技術(shù)、DiffServ、隊(duì)列管理(PQ/WFQ)、擁塞控制WRED等技術(shù)靈活實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P化寬帶接入，提供接入安全和QoS保證。其特有的DBA和OAM實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了用戶帶寬控制和可管理功能。

4 電力采集系統(tǒng)EPON系統(tǒng)建設(shè)方案

4.1 EPON技術(shù)適合電力采集系統(tǒng)應(yīng)用

電力系統(tǒng)接入點(diǎn)分散、野外環(huán)境復(fù)雜、接入點(diǎn)擴(kuò)容變化大，建設(shè)集抄和配電自動化網(wǎng)絡(luò)需要一套技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠、擴(kuò)展便捷、成本最優(yōu)的通信接入系統(tǒng)。EPON作為全I(xiàn)P化寬帶光纖接入系統(tǒng)，可以有星型、F型、一字型等多種組網(wǎng)方式，能很好滿足電力系統(tǒng)接入需求，EPON用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用模型，如圖1所示。

圖1 EPON用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用模型

無源光網(wǎng)絡(luò)可以很好工作于野外環(huán)境，對雷電、電磁波等干擾具有天然免疫能力;OLT放置于高壓變電所機(jī)房，沿變電站敷設(shè)光纜，采用總線型接入方式，通過分光器就近接入各變電站，總線型光纖接入方案實(shí)例，如圖2所示。

圖2 總線型光纖接入方案實(shí)例

當(dāng)增加變電站時(shí)，可以就近從分光器引出分支光路接入，無需額外增加設(shè)備;對于可靠性要求高的接入環(huán)境，可以采用手拉手網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全光路保護(hù)，如圖3所示。

圖3 “手拉手”結(jié)構(gòu)的全光纖保護(hù)組網(wǎng)

4.2 EPON部署方式建議

前面介紹了EPON技術(shù)的基本原理和技術(shù)特點(diǎn)，對于用戶用電信息采集系統(tǒng)如何應(yīng)用EPON技術(shù)來組網(wǎng)是非常關(guān)鍵的，其中更要重點(diǎn)考慮組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備(OLT)的作用，能夠適合各網(wǎng)省公司以及直轄市的采集系統(tǒng)應(yīng)用部署模式有集中和分布2種形式。

主站集中部署僅在省公司部署一套主站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的通信接入平臺，直接采集全省范圍內(nèi)的所有現(xiàn)場終端和表計(jì)，集中處理信息采集、數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)應(yīng)用，這種方式只適合用戶數(shù)較小區(qū)域;主站分布式部署，每個地市公司1套，由于低電壓等級變電站在市區(qū)數(shù)量眾多，如果所以O(shè)NU均直接連接到市公司的OLT上，由于數(shù)量多，會對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響，在電力行業(yè)的廣域網(wǎng)項(xiàng)目中，網(wǎng)絡(luò)劃分為核心、匯聚、接入3個層次。其中匯聚層非常關(guān)鍵，起到了承上啟下的作用，為此在用戶用電信息采集系統(tǒng)中必須根據(jù)3層架構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，設(shè)置分布式多臺OLT分擔(dān)地市公司的負(fù)載。同時(shí)，為了確?？煽啃裕€可以將多臺OLT之間進(jìn)行環(huán)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)一個可靠的保護(hù)。如圖4所示。

圖4 用電信息采集系統(tǒng)

4.3 分布式部署方式中二三層技術(shù)應(yīng)用比較

現(xiàn)有電力行業(yè)的傳輸資源和網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋到110 kv變電站，各個基本的OLT需要與變電站中的傳輸設(shè)備或已有的數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備連接，從而實(shí)現(xiàn)各種信息數(shù)據(jù)的長傳。在應(yīng)用EPON技術(shù)建設(shè)用電信息采集系統(tǒng)過程中，為避免三層設(shè)備全部集中于主站系統(tǒng)造成安全風(fēng)險(xiǎn)，大規(guī)模組網(wǎng)情況下需要EPON網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)分3層功能，分析如下。

1)純2層網(wǎng)絡(luò)存在安全隱患。純2層網(wǎng)絡(luò)為1個大的廣播域系統(tǒng)抄表總站的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與每一個采集器都直接互通，存在廣播風(fēng)暴、ARP攻擊等各種安全隱患，對整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大影響，如消耗設(shè)備的CPU資源、搶占上行的鏈路帶寬導(dǎo)致正常業(yè)務(wù)異常。另外，ARP攻擊會造成CPU利用率直線上升，甚至造成CPU滿負(fù)荷工作，短時(shí)間內(nèi)無法響應(yīng)外界正常請求。EPON系統(tǒng)包含3層路由設(shè)備，3層設(shè)備可以天然隔離廣播風(fēng)暴和ARP攻擊，即使網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生這些異常時(shí)，可以把異常產(chǎn)生的負(fù)面影響控制在其相應(yīng)的VLAN區(qū)域內(nèi)，避免對整網(wǎng)產(chǎn)生影響。

2)純2層網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)抄表總站的設(shè)備壓力巨大，并且存在VLAN資源不夠的問題。純2層網(wǎng)絡(luò)為1個大的廣播域系統(tǒng)抄表總站的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與每個采集器都直接互通，因此每個采集器的數(shù)據(jù)報(bào)文都需要直接透傳到系統(tǒng)抄表總站的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。據(jù)了解全國有260多萬個采集器，平均每省有近10萬個，這樣系統(tǒng)抄表總站的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要終結(jié)10萬個采集器的VLAN數(shù)據(jù)報(bào)文，對總站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求很高。另外，VLAN ID的資源只有1～4 096，與10萬個采集器的需求相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足。雖然采用QinQ等多層封裝的技術(shù)可以解決問題，但這樣會造成巨大的整網(wǎng)配置工作量和管理復(fù)雜度，增加后期定位解決問題以及擴(kuò)容成本。

3)純2層網(wǎng)絡(luò)的QOS能力很差。采用純2層組網(wǎng)時(shí)從采集器、集中器、ONU、OLT直到抄表總站的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備QOS保障能力很弱，在這種情況下無法對來自同一個采集器的多種業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，無法實(shí)現(xiàn)端到端的QOS保證。雖然2層網(wǎng)絡(luò)中VLAN TAG中帶有802.1p優(yōu)先級的字段，但是多個采集器上的報(bào)文，經(jīng)過集中器、ONU、OLT的層層匯聚之后802.1p的幾個優(yōu)先級，根本無法再區(qū)分出各自的業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)端到端的精細(xì)化QOS管理。

4)純2層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)接口部分技術(shù)復(fù)雜，不便維護(hù)。一般網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架均通過3層路由設(shè)備上接SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)，如果用電信息采集系統(tǒng)規(guī)模建設(shè)時(shí)，應(yīng)參考此模式，只有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)候可以考慮純2層設(shè)備上聯(lián)SDH網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)純2層組網(wǎng)時(shí)，OLT以及總站設(shè)備E1/STM-1等廣域網(wǎng)鏈路必須使用“橋接”等陳舊且復(fù)雜的2層技術(shù)，一一配置VLAN和SDH通道的對應(yīng)關(guān)系，增加網(wǎng)絡(luò)配置工作量和維護(hù)的難度，增加設(shè)備的處理壓力。

從上分析，同時(shí)結(jié)合后續(xù)實(shí)際運(yùn)行維護(hù)角度考慮，在用戶用電信息采集系統(tǒng)考慮分布式3層架構(gòu)比較合適。

4.4 EPON系統(tǒng)的安全可靠性

用電信息采集系統(tǒng)是營銷管理業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源的提供者，為了確保系統(tǒng)的安全性和可靠性，首先應(yīng)做到統(tǒng)一規(guī)劃，全面考慮;應(yīng)采用多種先進(jìn)技術(shù)，如環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)、VPN業(yè)務(wù)隔離技術(shù)、虛擬交換網(wǎng)與EPON融合技術(shù)、防火墻技術(shù)、加密技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)存儲與備份技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理與用電采集器/集中器統(tǒng)一管理技術(shù)等，在系統(tǒng)的各個層面(操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等)加以防范;另外，在系統(tǒng)的日常運(yùn)行管理中，加強(qiáng)規(guī)范管理、嚴(yán)格安全管理制度。

用電信息采集系統(tǒng)劃分為網(wǎng)絡(luò)、邊界、主機(jī)、應(yīng)用4個層次進(jìn)行安全防護(hù)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)層層遞進(jìn)，縱深防御，EPON設(shè)備在滿足系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上應(yīng)滿足用電信息采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、邊界安全防護(hù)要求。用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)首先考慮架構(gòu)安全性，采用IP千兆環(huán)網(wǎng)+EPON無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。EPON系統(tǒng)除基本的EPON協(xié)議外，還必須考慮骨干網(wǎng)絡(luò)的可靠性和健壯性，應(yīng)具有豐富的3層特性、2層特性、多種端口種類、高可靠性、高性能的特點(diǎn)。110 kV/35 kV配變核心主站和及10 kV配變子站組建千兆IP主干環(huán)網(wǎng)，通過快速環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議實(shí)現(xiàn)主干環(huán)網(wǎng)高帶寬以及小于50 ms快速無縫切換的功能，全面提高主干環(huán)網(wǎng)效率及可靠性。整個網(wǎng)絡(luò)向上接入電力數(shù)據(jù)通信骨干網(wǎng)，向下接入本地集抄網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全省數(shù)據(jù)網(wǎng)與集抄網(wǎng)的無縫接入。如圖5所示。

圖5 OLT環(huán)網(wǎng)架構(gòu)

放置用電信息采集終端的公變開閉所、環(huán)網(wǎng)柜至配變子站的分支網(wǎng)采用無源光網(wǎng)絡(luò)EPON接入技術(shù)高效利用光纖資源，就近接入，OLT單設(shè)備通過雙主控備份、電源備份解決硬件單點(diǎn)故障隱患點(diǎn)。OLT通過快速環(huán)網(wǎng)保護(hù)技術(shù)組環(huán)實(shí)現(xiàn)鏈路和設(shè)備備份。安全可靠性得到極大提升。用電采集系統(tǒng)與其他外系統(tǒng)間的邊界網(wǎng)絡(luò)接口必須考慮安全防護(hù)。因此EPON系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)候必須考慮以下幾點(diǎn)。

1)域間訪問控制：在不同的安全域之間對所交換的數(shù)據(jù)流進(jìn)行訪問控制，包括連接請求、通信流量、入侵檢測等。

2)遠(yuǎn)程接入安全防護(hù)：對于遠(yuǎn)程訪問，應(yīng)當(dāng)在信息邊界采用認(rèn)證加密等手段進(jìn)行相應(yīng)的安全防護(hù)。

3)對外服務(wù)安全：對通過邊界提供給外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，要有相應(yīng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)和審核機(jī)制，對數(shù)據(jù)的流出做好記錄。

EPON系統(tǒng)應(yīng)通過ACL訪問控制列表進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問控制、內(nèi)置或通過其他防火墻設(shè)備進(jìn)行外部鏈接檢測、防病毒、對外部流量進(jìn)行入侵檢測;對于遠(yuǎn)程接入和網(wǎng)管防護(hù)，EPON系統(tǒng)應(yīng)考慮SSH安全登錄技術(shù)、遠(yuǎn)程網(wǎng)管協(xié)議SNMP V3。實(shí)現(xiàn)不同用戶不同訪問、控制權(quán)限，并且保證遠(yuǎn)程登錄不會被竊聽、盜竊帳號、密碼。EPON系統(tǒng)應(yīng)考慮安全日志功能記錄異常信息，還應(yīng)考慮流量統(tǒng)計(jì)對網(wǎng)絡(luò)流入流出數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析、及時(shí)對異常流量采取防護(hù)措施，建設(shè)一套網(wǎng)絡(luò)7×24 h安全保護(hù)機(jī)制。

5 結(jié)束語

用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)作為一個長遠(yuǎn)的綜合系統(tǒng)工程，必須在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全、后期維護(hù)、系統(tǒng)管理等多方面進(jìn)行考慮，因此EPON系統(tǒng)也必須滿足上述要求， EPON作為點(diǎn)對多點(diǎn)的光纖接入技術(shù)無疑是用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的最佳方案。