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CN111885436B - 一种基于epon技术的配电网自动化通信系统 - Google Patents

一种基于epon技术的配电网自动化通信系统 Download PDF

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CN111885436B CN202010640483.7A CN202010640483A CN111885436B CN 111885436 B CN111885436 B CN 111885436B CN 202010640483 A CN202010640483 A CN 202010640483A CN 111885436 B CN111885436 B CN 111885436B
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Xiongan New Area Power Supply Co of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
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State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
Xiongan New Area Power Supply Co of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
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Abstract

本发明公开了一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，该配电网自动化通信系统采用2层组网模式，多台交换机同时开启快速环网保护协议；局端主站和变电站共配置至少6台交换机，构成环形光纤以太网，变电站及其下辖配电终端采用EPON通信系统；在局端主站设置至少一个密匙服务器。与现有的配电自动化通信方案相比，本发明统符合配电网自动化对通信系统的要求，在实现低成本、高速宽带和可靠的光纤数字通信系统方面具有突出的优势，系统的可扩展性消除了配电自动化部署中存在的诸多障碍。

Description

一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统
技术领域
本发明涉及一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，属于配电网自动化技术领域。
背景技术
配电网自动化是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网的在线数据和离线数据、用户数据、电网结构和地理图形信息进行集成，构成完整的自动化系统。要实现配电网自动化，通信是一个关键环节。
经过近年来的快速发展，电力行业已逐步形成一个以光纤通信为主的庞大核心主干通信网络。以太网无源光网络(EPON)技术结合了以太网和无源光网络2种技术的优点，EPON应用成效显著,成为主要通信方式之一。
事实上,大规模配电网EPON的设计具有较大灵活性,不同组网方案对通信质量、通信效益以及运行维护管理都有较大影响。但目前配电自动化工程应用中EPON规模都较小,80％小于300台光网络单元(ONU),大型配电网EPON的应用设计和运行验证还很欠缺。
发明内容
本发明结合EPON的技术特点以及配电网自动化对通信系统的要求，提供一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，并对其安全问题展开分析，在此基础上提出相应的解决方案。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，该配电网自动化通信系统采用2层组网模式，多台交换机同时开启快速环网保护协议；局端主站和变电站共配置至少6台交换机，构成环形光纤以太网，变电站及其下辖配电终端采用EPON通信系统；在局端主站设置至少一个密匙服务器。
作为本发明的进一步改进，所述EPON通信系统在物理层采用PON技术，在链路层采用以太网协议，应用PON的拓扑结构实现以太网的接入。
作为本发明的进一步改进，所述EPON通信系统是由光线路终端OLT、光分配网络ODN和用户侧光网络单元ONU组成的单纤双向系统。
作为本发明的进一步改进，
所述EPON通信系统组成树形、星形、环形和/或总线型的拓扑形式。
作为本发明的进一步改进，
该配电网自动化通信系统的工作流程为：
步骤S1，第j个OLT或第i个ONU被配置到配电网自动化通信系统之前，向密钥服务器离线登记注册；
步骤S2，OLT与ONU之间根据MPCP执行自动注册流程，OLT将获得ONU的MAC地址，并赋予ONU以LLID；
步骤S3，OLT和ONU为共享密钥的通信实体，利用询问一应答机制，OLT和ONU分别验证对方的合法性。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，OLT和/或ONU通过离线登记注册之后，OLT获得与密钥服务器共享的密钥kj，ONU获得由密钥服务器颁发的密钥ki。
作为本发明的进一步改进，
所述密钥服务器将ONU的MAC地址及相应的密钥ki绑定并存储。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中的注册流程过程中，OLT用其与密钥服务器共享的密钥ki加密ONU的MAC地址发送给密钥服务器；密钥服务器通过ONU的MAC地址验证其合法后，将与该MAC地址绑定的密钥ki，用ki加密发送给OLT。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中，利用OLT和ONU双方认证时所建立的密钥作为主密钥，OLT和ONU利用Hash函数生成会话密钥，完成通信数据的加密与解密操作。
作为本发明的进一步改进，所述配电网自动化通信系统具备安全机制，假定OLT和ONU的共享密钥为k，所使用的对称密码算法中加密和解密操作分别用EK(.)和Dk(.)表示，存在一个供系统使用的Hash函数，安全机制的实施流程如下：
步骤S31，0LT发送GATE发现帧以检测未接入网络的ONU；
步骤S32，ONU向OLT发出注册请求帧REGISTER—REQ，其内容包含自己的MAC地址；
步骤S33，OLT向新发现的ONU发出注册帧REGISTER；
步骤S34，OLT向ONU发送GATE认证帧；
步骤S35，OLT生成一随机数ni，用k加密后将密文Ek(ni)发送给ONU；
步骤S36，ONU首先解密Ek(ni)得到ni，并生成一随机数nj，然后用k加密nj并把Ek(nj)和ni发送给0LT；
步骤S37，OLT比较收到的ni与自己生成的随机数是否相同；若相同，则ONU的合法性得到验证；OLT向ONU发送标准的GATE授权帧以允许ONU发送消息REGISTER ACK；
步骤S38，OLT Ek(nj)并向ONU发送nj，同时计算会话密钥Ks＝Hash(k，nj)；
步骤S39，ONU收到GATE授权帧和nj后，比较nj与原先自己产生的随机数是否相同；如果相同，则OLT的合法性得到验证；ONU计算会话密钥Ks＝Hash(k，nj)并利用Ks将REGISTERACK加密发送给OLT。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
与现有的配电自动化通信方案相比，基于EPON的通信系统符合配电网自动化对通信系统的要求，在实现低成本、高速宽带和可靠的光纤数字通信系统方面具有突出的优势，系统的可扩展性消除了配电自动化部署中存在的诸多障碍。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是配电网光纤通信模式现状示意图；
图2是本发明配电网自动化通信系统的架构示意图；
图3是本发明EPON通信系统的网络架构示意图；
图4是本发明配电网自动化通信系统的安全机制流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
配电网光纤通信模式现状，配电通信网主要包括配电通信网管平台，配电自动化主站(局端)至变电站通信网，称为主网/骨干通信网，以及变电站至配电终端(配电站房站点)通信网，称为配电通信接入网，如图1所示。由于配用电业务在信息传输和业务流向方面关系比较紧密，共享通信资源应留有余地，需兼顾承载用电信息采集等准实时通信业务的潜在需求。
电力骨干通信网一般部署在35kV/110kV变电站及以上电压等级变电站至局端之间。骨干通信网主要采用光纤、同步数字体系(SDH)/基于SDH的多业务传送平台(MSTP)等技术组网。该层次也被认为是配电通信网的骨干层。
配电通信接入网一般部署在35kV/110kV变电站节点及向下通至10kV配电变压器物理节点之间，该层属于电压等级为10kV/20kV的电力通信网，即配电通信接入网。
现有配电网光纤通信模式存在的问题，部署在变电站的骨干通信网节点与配电通信骨干节点在该地理位置上通常是重叠的。在应用上，配电通信网骨干层可利用电力通信骨干层链接配电接入层通信,重叠运行。但却面临如下突出问题：
①具有实用意义的ONU组网级数配置、链接和光口选择；
②光网络终端(OLT)保护以及上联通信的规划设计,在不增加投资的前提下，较少或不占用电力骨干通信传输资源；
③光缆及光芯规划等。
在此基础上提出相应的解决方案，如图2所示，一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，该配电网自动化通信系统采用2层组网模式，多台交换机同时开启快速环网保护协议；局端主站和变电站共配置至少6台交换机，构成环形光纤以太网，变电站及其下辖配电终端采用EPON通信系统；在局端主站设置至少一个密匙服务器。
所述EPON通信系统在物理层采用PON技术，在链路层采用以太网协议，应用PON的拓扑结构实现以太网的接入。
作为本发明的进一步改进，所述EPON通信系统是由光线路终端OLT、光分配网络ODN和用户侧光网络单元ONU组成的单纤双向系统。
0DN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0LT发送到所有的ONU，上行数据则从各个0NU采用时分复用的方式统一汇聚到中心局端OLT，EPON通信系统的基本网络架构如图3所示。
作为本发明的进一步改进，所述EPON通信系统组成树形、星形、环形和/或总线型的拓扑形式。
作为本发明的进一步改进，该配电网自动化通信系统的工作流程为：
步骤S1，第j个OLT或第i个ONU被配置到配电网自动化通信系统之前，向密钥服务器离线登记注册；
步骤S2，OLT与ONU之间根据MPCP执行自动注册流程，OLT将获得ONU的MAC地址，并赋予ONU以LLID；
步骤S3，OLT和ONU为共享密钥的通信实体，利用询问一应答机制，OLT和ONU分别验证对方的合法性。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，OLT和/或ONU通过离线登记注册之后，OLT获得与密钥服务器共享的密钥kj，ONU获得由密钥服务器颁发的密钥ki。
作为本发明的进一步改进，所述密钥服务器将ONU的MAC地址及相应的密钥ki绑定并存储。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中的注册流程过程中，OLT用其与密钥服务器共享的密钥ki加密ONU的MAC地址发送给密钥服务器；密钥服务器通过ONU的MAC地址验证其合法后，将与该MAC地址绑定的密钥ki，用ki加密发送给OLT。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中，利用OLT和ONU双方认证时所建立的密钥作为主密钥，OLT和ONU利用Hash函数生成会话密钥，完成通信数据的加密与解密操作。
如图4所示，所述配电网自动化通信系统具备安全机制，假定OLT和ONU的共享密钥为k，所使用的对称密码算法中加密和解密操作分别用EK(.)和Dk(.)表示，存在一个供系统使用的Hash函数，安全机制的实施流程如下：
步骤S31，0LT发送GATE发现帧以检测未接入网络的ONU；
步骤S32，ONU向OLT发出注册请求帧REGISTER—REQ，其内容包含自己的MAC地址；
步骤S33，OLT向新发现的ONU发出注册帧REGISTER；
步骤S34，OLT向ONU发送GATE认证帧；
步骤S35，OLT生成一随机数ni，用k加密后将密文Ek(ni)发送给ONU；
步骤S36，ONU首先解密Ek(ni)得到ni，并生成一随机数nj，然后用k加密nj并把Ek(nj)和ni发送给0LT；
步骤S37，OLT比较收到的ni与自己生成的随机数是否相同；若相同，则ONU的合法性得到验证；OLT向ONU发送标准的GATE授权帧以允许ONU发送消息REGISTER ACK；
步骤S38，OLT Ek(nj)并向ONU发送nj，同时计算会话密钥Ks＝Hash(k，nj)；
步骤S39，ONU收到GATE授权帧和nj后，比较nj与原先自己产生的随机数是否相同；如果相同，则OLT的合法性得到验证；ONU计算会话密钥Ks＝Hash(k，nj)并利用Ks将REGISTERACK加密发送给OLT。
上述协议中，随机数ni为OLT向ONU发出的询问，nj为ONU向OLT发出的询问，使用对称密码算法，如果OIT和ONU能分别正确解密ni和nj，利用询问一响应机制，则OLT和ONU能验证它们是共享密钥的实体，并成功地运行了密钥建立协议。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，其特征在于：该配电网自动化通信系统采用2层组网模式，多台交换机同时开启快速环网保护协议；局端主站和变电站共配置至少6台交换机，构成环形光纤以太网，变电站及其下辖配电终端采用EPON通信系统；在局端主站设置至少一个密匙服务器；
该配电网自动化通信系统的工作流程为：
步骤S1，第j个OLT或第i个ONU被配置到配电网自动化通信系统之前，向密钥服务器离线登记注册；
步骤S2，OLT与ONU之间根据MPCP执行自动注册流程，OLT将获得ONU的MAC地址，并赋予ONU以LLID；
步骤S3，OLT和ONU为共享密钥的通信实体，利用询问一应答机制，OLT和ONU分别验证对方的合法性；
所述步骤S3中，利用OLT和ONU双方认证时所建立的密钥作为主密钥，OLT和ONU利用Hash函数生成会话密钥，完成通信数据的加密与解密操作；
所述配电网自动化通信系统具备安全机制，假定OLT和ONU的共享密钥为k，所使用的对称密码算法中加密和解密操作分别用EK(.)和Dk(.)表示，存在一个供系统使用的Hash函数，安全机制的实施流程如下：
步骤S31，0LT发送GATE发现帧以检测未接入网络的ONU；
步骤S32，ONU向OLT发出注册请求帧REGISTER—REQ，其内容包含自己的MAC地址；
步骤S33，OLT向新发现的ONU发出注册帧REGISTER；
步骤S34，OLT向ONU发送GATE认证帧；
步骤S35，OLT生成一随机数ni，用k加密后将密文Ek(ni)发送给ONU；
步骤S36，ONU首先解密Ek(ni)得到ni，并生成一随机数nj，然后用k加密nj并把Ek(nj)和ni发送给0LT；
步骤S37，OLT比较收到的ni与自己生成的随机数是否相同；若相同，则ONU的合法性得到验证；OLT向ONU发送标准的GATE授权帧以允许ONU发送消息REGISTER ACK；
步骤S38，OLT Ek(nj)并向ONU发送nj，同时计算会话密钥Ks＝Hash(k，nj)；
步骤S39，ONU收到GATE授权帧和nj后，比较nj与原先自己产生的随机数是否相同；如果相同，则OLT的合法性得到验证；ONU计算会话密钥Ks＝Hash(k，nj)并利用Ks将REGISTER ACK加密发送给OLT。
2.根据权利要求1所述的一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，其特征在于：所述EPON通信系统在物理层采用PON技术，在链路层采用以太网协议，应用PON的拓扑结构实现以太网的接入。
3.根据权利要求2所述的一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，其特征在于：所述EPON通信系统是由光线路终端OLT、光分配网络ODN和用户侧光网络单元ONU组成的单纤双向系统。
4.根据权利要求3所述的一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，其特征在于：所述EPON通信系统组成树形、星形、环形和/或总线型的拓扑形式。
5.根据权利要求4所述的一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，其特征在于，步骤S1中，OLT和/或ONU通过离线登记注册之后，OLT获得与密钥服务器共享的密钥kj，ONU获得由密钥服务器颁发的密钥ki。
6.根据权利要求5所述的一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，其特征在于，所述密钥服务器将ONU的MAC地址及相应的密钥ki绑定并存储。
7.根据权利要求6所述的一种基于EPON技术的配电网自动化通信系统，其特征在于，在步骤S2中的注册流程过程中，OLT用其与密钥服务器共享的密钥ki加密ONU的MAC地址发送给密钥服务器；密钥服务器通过ONU的MAC地址验证其合法后，将与该MAC地址绑定的密钥ki，用ki加密发送给OLT。
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