2012年第3期 总第171期 光通信研究 STUDY ON OPTICAL COMMUNICATIONS 2O12.06 (Sum.NO.171) 光通信系统与网络技术 基于EPON智能电能表光通信模块的设计与实现 廖晓群,薛秀娥 (西安科技大学,陕西西安710054) 摘要:智能电能表光通信模块的研究,在智能电网建设中发挥着重要作用。通过对EPON(以太网无源光网络)、PLC(电力载 波通信)和WiMAX(全球微波互联接入)技术的对比分析,选择EPON作为智能电能表通信接入网技术,并设计了通信流程。 基于QCA8829嵌入式芯片,在Redhat Linux 2.6.x开发平台上采用可接入EPON系统的光纤接口技术,实现了智能电能表 主站与从站的通信系统。经测试表明,基于EPON智能电表光通信模块实现了智能电网配电侧信息全采集、全覆盖,并使远 程电费控制及负载控制到户。 关键词:以太网无源光网络;DL/T645—2007协议;Q/GDw376.1—2009协议;智能电能表;嵌入式 中图分类号:TN915.6 文献标志码:A 文章编号:1005—8788(2012)03—0026—04 Design and implementation of EPON—based optical communication modules for intelligent electric energy meters EPON Liao Xiaoqun,Xue Xiue (Xi’an University of Science&Technology,xi’an 710054,China) Abstract:Optica1 communication modules for intelligent electric energy meters play an important role in the construction of smart grids.On the basis of the comparisons between and analysis of EPON,PLC,WiMAX technologies,EP0N iS selected as the communication access network technology for intelligent electric energy meters and the communication flow is designed.On the basis of QCA8829 embedded chips and the fiber—optic interface technology accessible to the EP0N systems on the Redhat Linux 2.6.x development platform,the communication system from the master station to the slave station of intelligent energy meters is realized.Test results show that the proposed modules accomplish complete collection and full coverage of information at power distribution side of the smart grids and enable remote cost control and load control to the home. Key words:EP0N;DL/T645—2007 protocol;Q/GDW376.1—2009 protocol;intelligent energy meter;embedded 0 引 言 根据国家电网公布的智能电网发展计划,我国 2011年至2015年进入全面建设阶段,要大力发展 FTTH(光纤到户),逐步实现家用电器上网,用电小 区智能化。智能电能表作为智能电网互动性良好的 1 智能电能表通信系统流程设计 1.1 智能配、用电通信技术选型 目前适用于配、用电通信网的主流技术有: EPON、PI C(电力载波通信)和wiMAx(全球微波 互联接入)等。其技术经济指标对比如表1所示。 表1主要技术经济指标比较 媒介及物联终端的接入点,在智能电网建设中发挥 着不可替代的作用,有着重要的研究意义。与传统 的接人技术相比,EPON(以太网无源光网络)同时 具备了以太网和PON(无源光网络)的优点,它是智 能电网中配电、用电和调度等环节的理想通信方式。 本文介绍了一种基于EPON的智能电能表光通信 模块,主要采用内置可接入EPON系统的光纤接口 技术,具有负荷控制、网关和强大的通信功能,实现 了智能电费控制及负载控制到户。解决了配电侧信 息采集系统的全采集、全覆盖的难题。 收稿日期:201卜12-31 作者简介:廖晓群(1968一),男,陕西西安人,高级工程师,研究方向为信息化技术及煤炭信息化。 26 廖晓群等: 基于EPON智能电能表光通信模块的设计与实现 由表1可知,EP0N作为光纤接人技术,相对于 WiMAX和PLC在智能配用电通信中具有先天性 应用优势。EPON的第二层采用IEEE 802.3以太 网帧来承载业务,可在以太网上提供多种业务,它下 行采用广播方式、上行采用时分多址方式,可以灵活 地组成树形、星形和总线形等拓扑结构,在光分支点 不需要节点设备,只需安装一个简单的光分路器。 它具有带宽资源共享、机房投资少、设备安全性高、 建网速度快和综合建网成本低等优点,因此,EPON 是智能电能表通信接入的最佳技术选择。 1.2 智能电能表通信系统流程设计 根据EPON的结构特点和国家电网公司的要 求,设计智能电能表通信系统流程图如图1所示。 回 /_毒 亟!H塑 皇 室 上行方向\ — 图1 智能电能表通信系统流程图 智能电能表通信系统主要由主站、OLT(光线 路终端)、ODN(光分配网络)、ONU(光网络单元)及 智能用户终端(智能电能表)构成,整个过程为光纤 传输。 智能电能表通信系统工作过程:下行方向,主站 将数据以IEEE 802.3帧格式的可变长度数据包广 播传输给所有EPON上的ONU,每个包携带有传 输到目的地ONU标识符的信头;数据到达ONU 时,由ONU的MAC(媒体访问控制)层进行地址解 析,提取属于自己的数据包,丢弃其他数据包。上行 方向,各个ONU的数据帧采用突发方式,使用 TDM(时分复用)技术,通过共享信道进行传输,各 ONU在OLT分配的不同时隙中将数据帧组成一 个TDM信息流传送到OLT。 2 智能电能表光通信模块设计与实现 2.1 智能电能表光通信模块设计 智能电能表光通信模块的通信原理如图2所 示,核心是进行Q/GDW376.卜2009 ̄主站与采集终 端通信协议》_1 与DL/T645—2007 ̄多功能电能表通 信规约》_2 的转换。光通信模块通过RS232C串口 和电表互通,使用DL/T645—2007协议与电表进行 通信;通过TCP/IP(传输控制协议/网际协议)与 OLT以太网接口相连,使用Q/GDW376.1_2009协 议与EPON光网进行通信。光通信模块可看作一 个协议转换模块。电能计费装置使用的是宁夏隆基 宁光仪表有限公司单相费控电能表,遵循DL/ T645—2007协议;OLT由上海普然通讯技术有限公 司提供,其发送数据格式符合Q/GDW376.1-2009 协议。 l I0LT 二二二== 1 Q/GDW376 1-2009 . 1 ! l DL/二二二 电能表IT64 200 5. 7I l 图2智能电能表光通信模块通信原理图 2.2嵌入式开发环境 采用Qualcomm Atheros公司新推出的嵌入式 芯片QCA8829,该款芯片支持北美以太网开通有线 电缆数据服务接口(DOCSIS(r)Provisioning of Ethernet,DPoE)1.0规范、IEEE 802.3ah EPON 规范、中国国家电网EPON规范和中国电信EPON 规范。具有成本低、体积小、嵌人性好和适用性强等 优势,是EPON智能电能表光通信模块嵌入式芯片 的最佳选择_3]。 操作系统内核选用Linux 2.6.x,实装操作系 统rhel—server一5.4-i386一dvd,运用C语言,开发工具 为ELDK version 3.1.1;OpenWRT 7.09,有:Frei— funk—Firmware,Sip@Home。 2.3 智能电能表光通信模块的实现 光通信模块ONu是通过RS232C串行接口与 智能终端相连,通过TCP/IP与EPON光网端的 OLT相连。相对于OLT客户端来说,ONU模块是 服务器,响应OLT客户端建立连接和数据交互的 请求;经过协议转换后,对智能终端来说,ONU模 块则转变成客户端的角色,来发起对智能终端的建 立连接和数据交互请求,而智能终端就作为服务器 进行正确响应。总流程设计如图3所示。 图3光通信模块总流程图 2.4光通信模块程序的实现 光通信模块程序实现流程如图4所示,帧信息 处理过程定义函数如表2所示。 27 光通信研究 2012年第3期总第171期 BOOLonu376fragment(INT8U pbuf,int bufLength) void dataSwitchDown() —接收376.1帧信息处理 将376.1下行报文转化为645下行报文 void dataSwitchUp() —将645协议上行报文转为376.1协议上行报文 依据两协议,数据帧格式转换 通过两协议数据交换后组成645帧报文 int changeA13(struct exchangeDataType data.INT8U*temp) void 0NU645 CombinFrame(INT8UINT8U pbuf。INT8U bufsize): *addr.INT8U ctrlCode, void changeTo645Frame(INT8U addr[6],struct exchangeDataType 从exchangeData结构体获得组成645帧的数据,并 *exchangeData) 发送645帧请求;接收电表返回的645上行报文 pbuf) pbuf) BOOL MeterFilterFrame(INT8U 645帧过滤函数(完成帧完整性,正确性判断,以及 滤除数据域的33H) 接收电表应答帧 pbuf, 组成上行376.1帧发给主站 I inkDataList DL645 RecFrame(INT8U void ONU376 CombinSendFrame(INT16U I ,INT8U ctrlCode, 1NT8U addr,1NT8U AFN,1NT8U SEQ,lNT8U INT1 6U bufsize) extern INT8U mCheckSumByte(INT8U pBuf.INT32U size) 计算校验和 倒序字符串 extern void reversal(INT8U*UpData.int upLen) 3 测试结果 经测试,智能模块符合YD/T 1531-2006_4 中所 涉及ONU的功能要求及基本传输性能要求,模块 上行通信协议符合Q/GDW 376.卜2009及备案文 件的相关要求,模块对表端的通信协议遵循DL/T 645—2007协议及其备案文件。模块远程通信采用1 路SC光纤接口,上行工作波长使用1 260~ 1 360 nm,下行工作波长使用1 480~1 500 nm,接 收灵敏度如表3所示,平均发射功率如表4所示。 测试结果表明,该智能模块符合相关协议的各项要 求,实现了智能电网配电侧信息采集系统的全采集、 全覆盖,并使远程电费控制及负载控制到户。 表3接收灵敏度 图4 程序实现流程图 表4平均发射功率 4 结束语 本文介绍的智能电能表光通信模块,采用稳定 高效的Redhat Linux 2.6.X作为底层操作系统进 28 行软件实现,选用集成度极高的嵌入式芯片 QCA8829,采用可接入EPON系统的光纤接口技 术,实现了智能电能表主站与从站的通信,以及智能 电网配电侧信息全采集、全覆盖,并使远程电费控制 廖晓群等: 基于EPON智能电能表光通信模块的设计与实现 (上接第13页) 参考文献: [3] Q/CT2361—2011,中国电信EPON设备技术要求(V3. [1]End tO End Architecture Working Group.TR-101 Is— O)[s]. sue 2:Migration to Ethernet—Based Broadband Aggre— r41 杜±土,沈成彬,蒋铭,等.基于PON技术光接入网的运 gation[EB/OL].http://www.broadband—forum. 行、管理和维护[J].电信科学,2010,54(8):1-5. org/technica1/trlist.php,2011-12—01. [5] 中国电信集团公司.EPON/GPON技术问答[M].北 -123 Fiber Access Network Working Group.TR一200 Cor— 京:人民邮电出版社,2010. rigendum 1:Using Epon in the Context of TR一101 [6] IEEE Std 802.3-2005,Part 3:Carrier sense multiple [EB/OL7.http://www.broadband-forum.org/tech— access with collision detection(CSMA/CD)access nical/trlist.php,2011-12—01. method and physical layer specifications Is]. (上接第25页) 时延上界的MGF形式的概率模型。该模型能有效 l-A].SIGC0MM’06 Ec].Pisa,Italy:ACM Comput— 利用统计独立性和传统网络演算的相关理论进行时 er Communication Review,2006.11-15. 延估算,直接避免复杂的卷积公式运算,为不同节点 [2] Li C,Burchard A,Liebeherr J.A network calculus 独立配置参数提供了方便,能较为准确地表征时延 with effective bandwidth[z].Virginia:University of Virginia,2003.C 2OO3—2O. 上界的变化情况。数值和模拟结果表明,本文提出 Markus Fidler.An End—to—End Pr0babi1istic Network 的基于MGF的端到端统计时延上界模型对FBM [33 Calculus with Moment Generating Functions[z]. 业务性能评价具有更好的适应性,并对提供服务保 New Haven,CT,USA:Department of Electrical and 证的路由选择、资源带宽分配等的有效控制具有一 Computer Engineering,2006. 定的参考价值。因此,对于目前实现实时服务质量 [4] Chang C S.Stability,queue 1ength and delay of deter— 保证性能评价的相关主题研究具有一定的指导意 ministic and stochastic queueing networks[J].IEEE 义。 Trans Automat Contr,1994,39(5):913-931. [5] Jiang Yuming.A note on applying stochastic network 参考文献: calculus[A].SIGCOMM201O[C].Pisa,Italy: [1] Jiang Yuming.A Basic Stochastic Network Calculus ACM Computer Communication Review。2010.16—2O. 29