EPON在智能配用電通信網(wǎng)中的組網(wǎng)研究

周 欣 ，朱 蘭 ，吳 江 （.江西省電力公司信息通信中心，江西 南昌 330077；.烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢430073）

0 前言

2009年5月，國家電網(wǎng)公司首次提出了智能電網(wǎng)的概念。在《國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報告》中，我國首次提出了智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)。智能電網(wǎng)的構(gòu)建需要大容量、高速實時、支持多業(yè)務(wù)靈活接入、具有自愈功能的“堅強”電力通信網(wǎng)絡(luò)。電力通信網(wǎng)絡(luò)采用分層的架構(gòu)，主要由骨干核心層與接入層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

骨干核心層又可分為干線傳輸網(wǎng)及城域核心網(wǎng)，主要覆蓋發(fā)電、輸電、變電等環(huán)節(jié)。接入層網(wǎng)絡(luò)是各地（市）供電公司骨干通信網(wǎng)的延伸，主要覆蓋配電及用電環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)范圍以各地（市）供電公司骨干通信網(wǎng)的相關(guān)變電站 （如220、110、35 kV變電站和10 kV開閉所）為通信接入點，同時向下逐漸覆蓋到配電網(wǎng)開關(guān)站、配電室、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、公用配電變壓器、線路等以及網(wǎng)內(nèi)專變變壓器、工商業(yè)及居民用戶表、智能交互終端、電動汽車充電站和分布式能源站點,最終將深入到用戶家庭內(nèi)的智能家電等相關(guān)設(shè)備。

1 配用電通信技術(shù)分析和比較

根據(jù)接入對象和業(yè)務(wù)等級的不同，智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)接入層可分為配網(wǎng)和用網(wǎng)2個部分，分別用于實現(xiàn)配網(wǎng)自動化和用戶信息采集。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，配網(wǎng)自動化和用戶信息采集等旨在實現(xiàn)計量裝置在線監(jiān)測和用戶負(fù)荷、電量、電壓等重要信息的實時采集等系統(tǒng)顯得越來越重要，因此，110、35 kV以下接入層通信網(wǎng)已經(jīng)成為制約智能電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。

根據(jù)信道不同，目前配用電網(wǎng)主要采用的通信方式可以分為工業(yè)以太網(wǎng)、電力線載波（PLC）、無線專網(wǎng)（230 MHz/WiMAX/LTE/Mobitex）、 無 線 公 網(wǎng) （GPRS/CDMA/3G）和微功率無線（Zigbee）等幾種方式。工業(yè)以太網(wǎng)為有源設(shè)備，不具備抗多點失效性，擴容成本高，且缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，無法整體應(yīng)用。電力線載波傳輸速率低，噪聲干擾大，信號衰減嚴(yán)重，不適于信號遠(yuǎn)距離傳輸。無線專網(wǎng)易受環(huán)境影響，信號不穩(wěn)定，需單獨申請頻點，運營困難。無線公網(wǎng)受制于電信運營商，帶寬較低，可靠性和實時性很差，不能廣泛滿足智能電網(wǎng)配電網(wǎng)通信要求。微功率無線通信中的Zigbee技術(shù)在用戶信息采集系統(tǒng)中得到了試點應(yīng)用。各種通信方式的比較如表1所示。

作為一種光接入技術(shù)，EPON為建設(shè)智能電網(wǎng)領(lǐng)域的全光通信網(wǎng)提供了重要技術(shù)手段。EPON具有無源特性，組網(wǎng)靈活，對于光纜的走向有很強的適應(yīng)性，可以低成本地組成環(huán)形、星形或樹形網(wǎng)絡(luò)，天然地適應(yīng)配用電網(wǎng)的分布式結(jié)構(gòu)。另外，EPON通信系統(tǒng)設(shè)計之初預(yù)留光纖資源及光功率裕量，在主干光纖上采用非均分的無源分光器，保證將主要光功率留給下級擴容節(jié)點設(shè)備，對于配用電網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點數(shù)量巨大，采用EPON組建配電網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)，能最大限度節(jié)省投資成本。因此，EPON成為配用電系統(tǒng)的主流通信方式，是建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的必然選擇。

2 配用電通信網(wǎng)絡(luò)中EPON組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在配用電通信網(wǎng)中，配網(wǎng)主站一般位于地（市）電網(wǎng)調(diào)度中心，配網(wǎng)子站一般為35 kV或者10 kV變電站，主站與子站間目前基本建有基于SDH/MSTP技術(shù)的光纖通信環(huán)網(wǎng)，各變電站基本建設(shè)有專用的通信機房，SDH設(shè)備位于機房內(nèi)。由于配網(wǎng)通信終端（FTU/TTU/RTU）設(shè)備沿配網(wǎng)電力線路安裝，數(shù)量多，覆蓋范圍大，因此，在配網(wǎng)用EPON系統(tǒng)的設(shè)計中，一般將OLT設(shè)備安裝在變電站 （配網(wǎng)子站）的通信專用機房中，每個配網(wǎng)通信終端安裝ONU設(shè)備，實現(xiàn)通信終端數(shù)據(jù)信號的集中匯接到變電站機房，再通過SDH網(wǎng)絡(luò)匯集到配電主站。目前在配網(wǎng)范圍內(nèi)，光纜網(wǎng)絡(luò)沿著電力桿路鋪設(shè)，因此ODN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)一般根據(jù)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。配網(wǎng)電力線路的主要結(jié)構(gòu)類型包括單電源輻射網(wǎng)、單環(huán)網(wǎng)、手拉手環(huán)網(wǎng)、雙電源雙T網(wǎng)等，因此，ODN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計一般和配網(wǎng)電力線路的結(jié)構(gòu)相同。

對于單電源輻射網(wǎng)結(jié)構(gòu)，EPON網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)計為單鏈路結(jié)構(gòu)。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，由于光纜路由是單鏈路結(jié)構(gòu)，沒有冗余光纜路由，因此EPON系統(tǒng)不能提供網(wǎng)絡(luò)保護(hù)功能。ODN網(wǎng)絡(luò)采用多級光分路器級聯(lián)的組網(wǎng)方式，可以實現(xiàn)在一根光纖上級聯(lián)多個配網(wǎng)通信終端的能力，可以大大節(jié)省光纖的需求量。

對于單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，EPON網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)計為單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)條件下，由于電網(wǎng)桿路采用了環(huán)形結(jié)構(gòu)，因此沿桿路鋪設(shè)的光纜網(wǎng)絡(luò)具備了環(huán)形結(jié)構(gòu)，ODN網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)計為全線路保護(hù)方式，OLT設(shè)備采用1∶1保護(hù)的2個PON口，2條主干光纖分別沿環(huán)形結(jié)構(gòu)的2個方向延伸，每個ONU配置2個上行PON口，實現(xiàn)主干線路和分支線路的全線路保護(hù)。在這種結(jié)構(gòu)下，無論線路中任何一條光纖中斷，網(wǎng)絡(luò)都可以實現(xiàn)快速收斂，確保通信業(yè)務(wù)不受影響。系統(tǒng)具備了抗單點失效的冗余保護(hù)能力。此種結(jié)構(gòu)要求OLT設(shè)備具備PON口的1∶1保護(hù)功能，要求ONU設(shè)備具備2個上行PON口。

由于配網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，在多數(shù)情況下，單電源輻射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)在同一配電網(wǎng)絡(luò)中隨機出現(xiàn)，因此對于EPON系統(tǒng)來說，大多數(shù)情況下是2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合組網(wǎng)。

表1 配用電通信系統(tǒng)各通信方式比較

而在手拉手環(huán)網(wǎng)和雙電源雙T網(wǎng)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，由于有2條母線分別從2個不同的變電站引出，因此對于光纖網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪碚f，EPON系統(tǒng)可以設(shè)計成手拉手雙PON口保護(hù)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，由于2條母線分別位于2個不同的變電站，而OLT是沿變電站安裝的，因此相互保護(hù)的2個PON口位于2臺不同的OLT設(shè)備中，PON口倒換需要在2臺OLT之間進(jìn)行，這與傳統(tǒng)的EPON網(wǎng)絡(luò)保護(hù)結(jié)構(gòu)完全不同。需要EPON系統(tǒng)采用全新的手拉手保護(hù)方案。手拉手保護(hù)方案不但可以實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中單節(jié)點失效保護(hù)，還可以實現(xiàn)OLT PON口或整個OLT失效時的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，是一種性能非常好的保護(hù)方案。

3 智能配用電網(wǎng)絡(luò)中的ODN設(shè)計方法

ODN由主干光纖、分光器和支路光纖組成，整個ONU網(wǎng)絡(luò)為無源網(wǎng)絡(luò)，傳輸OLT和ONU之間的光信號，ODN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計就是要保證光信號的正常傳送。

為了保證ODN網(wǎng)絡(luò)正常傳送信號，最需要做的就是對每個ONU側(cè)的光功預(yù)算進(jìn)行演算，確保ONU接收的光功率在ONU光接口的接收范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，ODN網(wǎng)絡(luò)可以靈活設(shè)計，可以采用均勻分光或者非均勻分光的分光器，組成一級分光、多級分光等星形、鏈形、樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分適配配網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由于配電網(wǎng)絡(luò)的獨特性和復(fù)雜性，電力專用EPON系統(tǒng)的ODN設(shè)計需要專門進(jìn)行研究分析，主要需要研究的范圍是非均分分光器網(wǎng)絡(luò)的衰減計算方法，多級分光器級聯(lián)設(shè)計方法，配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)擴容時的ODN擴容設(shè)計思路和原則。

在配網(wǎng)自動化應(yīng)用環(huán)境中，由于ONU的接入終端通常以鏈形、環(huán)形、環(huán)帶鏈等方式組網(wǎng)，光纜網(wǎng)絡(luò)也沿電力線路鋪設(shè)，因此無法實現(xiàn)公眾通信網(wǎng)絡(luò)中集中分光的模式，必須采用多級分光的組網(wǎng)方案，典型的組網(wǎng)方式為以非均分分光比的1∶2分光器級聯(lián)部署。

由于EPON系統(tǒng)存在光功率預(yù)算限制，在采用多級分光器級聯(lián)的ODN網(wǎng)絡(luò)中，為了盡可能實現(xiàn)更多的分光級數(shù)，需要把光功率更多地分配到下游級聯(lián)分光器更多的光支路上，因此在電力EPON網(wǎng)絡(luò)中，一般采用非均分的1∶2分光器組網(wǎng)，連接ONU的分支分配較少的光功率，而連接下級分光器的分支分配較多的光功率。由于每個分支下級聯(lián)的分光器級數(shù)、光纖長度不同，還需要采用不同光功率分配比例的非均分分光器，因此在電力多級非均分ODN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，為了提高分光級數(shù)，一條鏈路的分光級數(shù)和采用何種功率比例的非均分分光器必須經(jīng)過精確的計算。

3.1 ODN光功率預(yù)算計算方法

目前EPON系統(tǒng)一般采用PX20光模塊，其技術(shù)指標(biāo)為：OLT發(fā)光功率+2~+7 dBm，接收靈敏度-24~-30 dBm；ONU發(fā)光功率-1~+4 dBm，接收靈敏度-24~-27 dBm，則下行方向最大光功率預(yù)算為26 dB，上行方向最大光功率預(yù)算為24 dB。

ODN光鏈路的總衰減為

光纖系統(tǒng)的衰減計算需要考慮以下幾個部分。

a）光纖的衰減。在1 310 nm波長時可以按照0.36 dB/km來考慮；在1 490 nm波長時可以按照0.22 dB/km來考慮。

b）光纖接頭衰減。光纖接頭分為2種，對于活動接頭（又稱為法蘭接頭）可以按照0.5 dB/個來考慮；對于熔接固定接頭，可以按照0.2 dB/個接頭來考慮。

c）系統(tǒng)富裕度。由于要考慮環(huán)境對光纖衰減的影響和光纖自身老化的影響，光纖富裕度一般可以考慮為3 dB。

均分分光器和非均分分光器（1∶2）的典型衰減分別如表2和表3所示。

表2 均分分光器的典型衰耗

表3 非均分分光器的典型衰耗

在進(jìn)行多級非均分ODN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計時，通常按照分光級數(shù)最大的分支來計算系統(tǒng)最大的分光級數(shù)，但是在設(shè)計采用何種光功率分配比例的非均分分光器時，需要對每個分支進(jìn)行分別計算，多次計算后取最佳的方案。

下面以圖1所示的多級分光案例為例，進(jìn)行光功率計算演示。

OLT到ONU的下行方向光功率衰減為：

圖1 多級分光案例

系 統(tǒng) 衰 減 =（0.967+1.563+0.481+1.516+1.819+1.031+2.881+0.474+0.707）×0.22=2.52（dB），法蘭接頭衰減=18×0.5=9（dB）（每個站點 2 個法蘭盤），光分路器插入損耗=9×0.9=8.1（dB）（使用 1∶9 分光器），光纜熔接點損耗=9×0.2=1.8（dB），線路總衰耗=2.52+9+8.1+1.8=21.42（dB）。

ONU到OLT的上行方向光功率衰減為：

光 纜 衰 減 =（0.967+1.563+0.481+1.516+1.819+1.031+2.881+0.474+0.707）×0.36=4.12（dB），法蘭接頭衰減=18×0.5=9（dB）（每個站點 2 個法蘭盤），光分路器插入損耗=9×0.9=8.1（dB）（使用 1∶9 分光器），光纜熔接點損耗=9×0.2=1.8（dB），線路總衰耗=4.12+9+8.1+1.8=23.02（dB）。

根據(jù)以上計算結(jié)果，下行方向光功率預(yù)算滿足設(shè)計要求（考慮3 dB設(shè)計余量），上行方向光功率不滿足設(shè)計要求（考慮3 dB設(shè)計余量），因此減少分光級數(shù)或者采用5∶95分光器來進(jìn)行設(shè)計。

3.2 分光器級聯(lián)設(shè)計方法

由于配電網(wǎng)絡(luò)多為鏈形、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，因此ODN一般設(shè)計為多級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，但是如果級聯(lián)數(shù)量太多，每個分光器接入的光纖接頭數(shù)量較多導(dǎo)致插入損耗增大，浪費光功率，還會使在發(fā)生線路故障時，受影響的范圍擴大。因此，在ODN設(shè)計時，在纖芯允許的條件下，可適當(dāng)減少分光器級數(shù)，簡化網(wǎng)絡(luò)，這樣不但可以獲得比較好的系統(tǒng)光功率設(shè)計指標(biāo)，還可以提高ODN網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時也為今后站點的擴容預(yù)留足夠的光功率。如圖2和圖3所示，在有8個ONU需要接入的環(huán)境下，既可以采用1個PON口，8級分光器級聯(lián)的方案，出可以采用2個PON口，2個4級分光器級聯(lián)的方案。

方案1采用8級非均分分光級聯(lián)，只占用1芯主干光纖。光功率預(yù)算將非常緊張，即使目前滿足要求，未來擴容的余地已經(jīng)不大。

方案2將8級級聯(lián)ODN網(wǎng)絡(luò)改造為2個4級級聯(lián)ODN網(wǎng)絡(luò)，雖然主干光纖增加了1芯，但光功率預(yù)算將非常充裕，未來擴容的余地非常大。

因此，在進(jìn)行多級級聯(lián)ODN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，盡量采用少的多級級聯(lián)級數(shù)是基本的設(shè)計原則之一。

3.3 分光器預(yù)留擴容設(shè)計方法

由于我國處于城市化快速發(fā)展的過程中，各地均在進(jìn)行大規(guī)模的小區(qū)建設(shè)，配電網(wǎng)絡(luò)根據(jù)城市的發(fā)展也需不斷發(fā)展擴容，因此通常在ODN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，要參考未來2~3年電網(wǎng)建設(shè)的規(guī)劃，提前考慮未來配電網(wǎng)對通信系統(tǒng)的需求，在設(shè)計時考慮足夠的富裕度。下面以圖4所示案例進(jìn)行說明。如果未來2~3年在A、B、C 3點均需要擴容，那么在進(jìn)行ODN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，需要在A、B、C 3點預(yù)留足夠的光功率預(yù)算。在初期進(jìn)行ODN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，考慮每個點今后的擴容需要，預(yù)留足夠的光功率預(yù)算，如果預(yù)算不足，則可能需要將1個多級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分裂為多個多級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過增加主干纖芯的方法提高ODN系統(tǒng)的設(shè)計余量。

圖2 分光器級聯(lián)設(shè)計方案1

圖3 分光器級聯(lián)設(shè)計方案2

圖4 多級分光擴容設(shè)計方法

4 結(jié)束語

鑒于EPON在智能配用電通信網(wǎng)絡(luò)中的種種優(yōu)勢，江西電力將在十二五期間采用EPON進(jìn)行規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入進(jìn)行，未來EPON ONU將會內(nèi)置到智能電表中，并隨著智能電表的改造，將EPON系統(tǒng)延伸到千家萬戶，從而實現(xiàn)光纖到戶。在此基礎(chǔ)上，電力公司未來可開展基于光纖到戶的各類增值服務(wù)的運營，如智能家電、智能家居、寬帶上網(wǎng)等業(yè)務(wù)均可以依托這一網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。因此，采用EPON進(jìn)行智能配用電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將有廣闊的應(yīng)用前景，并在不遠(yuǎn)的將來對大眾生活方式帶來巨大的改變。