PON技術(shù)的電力系統(tǒng)應(yīng)用前景淺析

王 燕，王 宇 （.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司，北京00033；.北京市電力公司，北京0003）

0 前言

近年來，隨著通信技術(shù)和通信需求的飛速發(fā)展，全球范圍內(nèi)通信接入層面“光進(jìn)銅退”的發(fā)展趨勢已十分明朗。作為較理想的承載媒質(zhì)，光纖接入具有不受電磁干擾、速率高、容量大、成本低、管理維護(hù)方便等諸多優(yōu)勢。

當(dāng)前，世界各國為應(yīng)對氣候變化、保障能源安全，都日益重視發(fā)展清潔能源和提高能源利用率，呈現(xiàn)出了清潔化、低碳化、高效化的發(fā)展新趨勢，我國更加快了新能源、新材料、信息網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能環(huán)保等高新技術(shù)研究和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。作為實(shí)現(xiàn)低碳電力的基礎(chǔ)與前提，智能電網(wǎng)已成為未來電網(wǎng)發(fā)展重點(diǎn)。

通信技術(shù)是支撐智能電網(wǎng)發(fā)展的主要手段，通信平臺(tái)將貫穿于電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化發(fā)展?，F(xiàn)代通信技術(shù)在電力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將有助于實(shí)現(xiàn)其信息采集數(shù)字化、生產(chǎn)過程自動(dòng)化、業(yè)務(wù)處理互動(dòng)化、經(jīng)營管理信息化，從而提升資源優(yōu)化配置、風(fēng)險(xiǎn)控制與及時(shí)處置、智能分析與科學(xué)決策水平。

1 電力系統(tǒng)對通信的需求

從實(shí)體上看，電力系統(tǒng)除發(fā)電、輸電、配電外，還包括電網(wǎng)調(diào)度管理和末端用戶用電管理等。由于發(fā)電、輸電、調(diào)度管理等環(huán)節(jié)的通信需求已較成熟穩(wěn)定，故不再贅述。本文將重點(diǎn)分析配電及用電環(huán)節(jié)的通信需求。

由于種種歷史原因，我國電力系統(tǒng)配電及用電環(huán)節(jié)發(fā)展相對滯后，其通信支撐也較薄弱。而電力系統(tǒng)未來發(fā)展的重點(diǎn)之一，就是要提高配電環(huán)節(jié)的智能化、協(xié)調(diào)用戶需求與電網(wǎng)及發(fā)電的相互平衡，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗及經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

目前，我國6～20 kV中壓配電網(wǎng)規(guī)模已非常龐大，線路總長達(dá)百萬公里，變壓器數(shù)量達(dá)百萬臺(tái)。隨著我國城市化建設(shè)步伐不斷加快，為滿足可靠的供電要求，中壓配電網(wǎng)智能化水平將會(huì)大幅提升，這無疑需要規(guī)模龐大的通信接入通道來支撐；同時(shí)，我國大部分?。ㄊ?、區(qū)）已實(shí)現(xiàn)一戶一表，電表數(shù)以億計(jì)。隨著階梯電價(jià)政策的不斷推進(jìn)，用電信息的采集也需要規(guī)模龐大的通信接入通道來支撐。

由于配電及用電的安全穩(wěn)定，直接關(guān)系到供電的可靠性及用戶用電的穩(wěn)定性，加之用電信息及電費(fèi)信息是電力行業(yè)的核心數(shù)據(jù)資料，具有較高的保密性，因此對通信接入通道的安全可靠性有極為嚴(yán)格的要求。

2 接入技術(shù)與選擇

2.1 有線接入

2.1.1 銅線接入

銅線接入是利用傳統(tǒng)銅線的數(shù)字用戶線（DSL）系統(tǒng)，主要有非對稱數(shù)字用戶環(huán)線2+（ADSL2+）及超高比特速率數(shù)字用戶線2（VDSL2）等。

a）ADSL2+。ADSL2+技術(shù)成熟、售價(jià)低、互通性好，下上行速率分別為16及1 Mbit/s，采用annex M時(shí)上行速率還能提高到2 Mbit/s左右，是中低速率接入的主要技術(shù)手段。

b）VDSL2。VDSL2技術(shù)傳輸速率高，能與ADSL及ADSL2+模式實(shí)現(xiàn)后向兼容。測試表明，VDSL2設(shè)備500 m內(nèi)的下行速率可高于 50 Mbit/s，1km內(nèi)可高于20 Mbit/s。但目前VDSL2設(shè)備的互通性尚待進(jìn)一步完善，設(shè)備售價(jià)仍相對較高。

2.1.2 光纖接入

光纖接入主要有點(diǎn)對點(diǎn)（P2P）光以太網(wǎng)和點(diǎn)對多點(diǎn)（P2M）無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）（如 EPON、GPON 等）。

2.1.2.1 P2P光纖接入

P2P光纖接入是指局端與用戶間有1根（或1對）專用光纖、局端和用戶端各需1個(gè)光收發(fā)器的接入方式，具有用戶專用接入、設(shè)備簡單、高帶寬、傳輸距離長等優(yōu)勢。該方式的用戶帶寬主要取決于設(shè)備（如以太網(wǎng)光纖收發(fā)器、PDH光端機(jī)和P2P光以太網(wǎng)設(shè)備）的選型，上下行帶寬都可達(dá)到100/1 000 Mbit/s甚至更高；其缺點(diǎn)是用戶不能共享主干光纖，在大規(guī)模應(yīng)用下需大量光纖和光收發(fā)器資源，建設(shè)成本較高。因此，P2P光纖接入主要適用于用戶分布較分散、高帶寬（100 Mbit/s以上）及安全性要求較高的專線用戶，而不能成為公眾用戶接入的主流解決方案。

2.1.2.2 P2M PON接入

與P2P光纖接入相比，P2M PON方式優(yōu)勢明顯：能大量節(jié)約主干光纖和局端設(shè)備光接口資源，高密集用戶區(qū)域應(yīng)用建設(shè)成本低，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，業(yè)務(wù)透明性好，用戶帶寬配置調(diào)整靈活，是未來寬帶光纖接入及FTTH的主流解決方案。

PON 經(jīng) 歷了 ATM/寬 帶、Ethernet、GE 和 10GE PON技術(shù)發(fā)展過程。

a）A/BPON。A/BPON由ITU于20世紀(jì)90年代推出，是最早出現(xiàn)的寬帶PON技術(shù)。A/BPON技術(shù)以ATM為核心，其成本較高、速率有限，已逐步退出市場，目前僅日本、北美和歐洲尚有少量應(yīng)用。

b）EPON。EPON技術(shù)由IEEE提出并于2003年完成標(biāo)準(zhǔn)化工作。EPON以千兆以太網(wǎng)（GBE）技術(shù)為基礎(chǔ)，通過MAC層之上的點(diǎn)到多點(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）實(shí)現(xiàn)PON的P2M傳輸。該協(xié)議雖實(shí)現(xiàn)簡單，但OAM能力稍弱。該技術(shù)目前業(yè)已基本成熟，商用芯片和設(shè)備較多，產(chǎn)品成熟度較高，售價(jià)不斷下降，基本解決了不同廠商的光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）間的互通問題，能滿足近期寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展需求，國外已有百萬量級(jí)的用戶規(guī)模，是現(xiàn)階段PON應(yīng)用的主流技術(shù)。

c）GPON。GPON技術(shù)是在APON的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。GPON沿用了APON標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議框架，增加了GEM這一新的TC層幀封裝方式，對QoS和OAM有嚴(yán)格規(guī)定。GPON承載TDM業(yè)務(wù)的能力較強(qiáng)，但協(xié)議相對復(fù)雜。GPON的傳輸速率高、分路比大、組網(wǎng)成本低，能提供高定時(shí)精度的TDM業(yè)務(wù)，是歐美主要運(yùn)營商的技術(shù)選擇。GPON產(chǎn)品可滿足FTTB、FTTH、FTTO等應(yīng)用場景接入需求，支持Internet接入、話音、IPTV、視頻監(jiān)控、E1等多種業(yè)務(wù)承載，業(yè)務(wù)質(zhì)量良好，能基本滿足運(yùn)營商業(yè)務(wù)發(fā)展需要。GPON產(chǎn)品具備端口、板卡和設(shè)備級(jí)保護(hù)倒換和故障恢復(fù)及ONU遠(yuǎn)程維護(hù)管理功能，能基本滿足運(yùn)營商維護(hù)管理需要。

d）10GE PON。10GE PON基于 IEEE802.3av標(biāo)準(zhǔn)，是EPON技術(shù)的更高速版本，并后向兼容GPON。目前已有下行10G、上行1G的PON設(shè)備，上下行均為10G端口的設(shè)備正在研制中。

2.2 無線接入

無線局域網(wǎng)（WLAN）是射頻（RF）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，也是目前應(yīng)用最廣泛的無線接入技術(shù)。該技術(shù)的出現(xiàn)決不是取代有線局域網(wǎng)絡(luò)，而是使其得以延伸，讓用戶透過它實(shí)現(xiàn)無距離限制的業(yè)務(wù)通暢。

目前，WLAN的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有 IEEE 802.11b、11a、11g、11E、11i及無線應(yīng)用協(xié)議（WAP）。

2.3 接入技術(shù)選擇

由于DSL接入速率主要取決于銅纜長度，加之視頻等寬帶多媒體業(yè)務(wù)的上行帶寬需求明顯增加，以及欲進(jìn)一步提升其接入帶寬將面臨一定困難，故電力系統(tǒng)不宜采用DSL接入技術(shù)。

鑒于無線技術(shù)接入方式易受外界電磁干擾，加之受頻率資源政策限制，因此在電力系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)模應(yīng)用難度較大。

在綜合考慮帶寬需求、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)及業(yè)務(wù)安全等因素前提下，光纖接入技術(shù)較適合應(yīng)用于電力系統(tǒng)末端大規(guī)模的通信接入。隨著其設(shè)備售價(jià)的繼續(xù)下降，該方式能方便地將光纖延伸到每個(gè)用戶家中。其中P2P光纖接入技術(shù)主要用于大客戶、商務(wù)客戶專線及用戶密集的行政村接入，而P2M PON則是公眾用戶接入的主流技術(shù)?？紤]到GPON技術(shù)尚未大規(guī)模商用實(shí)際，建議目前應(yīng)用以EPON為主、GPON為輔，將來根據(jù)技術(shù)發(fā)展、設(shè)備成熟及電力系統(tǒng)入網(wǎng)測試情況，再逐步擴(kuò)大GPON應(yīng)用范圍。

3 PON技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用展望

作為一種拓?fù)潇`活、支持多種業(yè)務(wù)接口的純光媒質(zhì)接入技術(shù)，PON在電力系統(tǒng)末端通信接入領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 在中壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用

我國中壓配電網(wǎng)有多種接線方式，目前以星形和環(huán)形方式為主。通常可較方便地利用電力線路徑資源建設(shè)通信光纜網(wǎng)絡(luò)。鑒于中壓配電網(wǎng)本身的自然屬性，通信光纜網(wǎng)絡(luò)一般宜采用星形或樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在可靠性要求較高的地區(qū)，也可采用手拉手冗余保護(hù)結(jié)構(gòu)。在組建中壓配電網(wǎng)的通信網(wǎng)方面，PON技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯。

PON由局側(cè)OLT、用戶側(cè)ONU及其間的光配線網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成。ODN由光纖和無源設(shè)備（光分路器）組成。若承載可靠性要求較高的配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)時(shí)，ONU可選擇雙PON接口，并支持光路全保護(hù)方式。某一光纖中斷時(shí)，業(yè)務(wù)可由另一光纖傳輸。接口可根據(jù)業(yè)務(wù)接入接口及上級(jí)通信網(wǎng)接口情況綜合選擇。

3.2 在用電信息采集中的應(yīng)用

我國用戶電表基數(shù)規(guī)模十分龐大。面對電力系統(tǒng)不斷推廣智能電表及龐大電表數(shù)，電表信息遠(yuǎn)程自動(dòng)采集將非常關(guān)鍵。這與互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)末端接入的點(diǎn)多面廣多樣化情況十分相似，因此PON技術(shù)應(yīng)用于電表信息遠(yuǎn)程自動(dòng)采集的優(yōu)勢也同樣會(huì)非常顯著。

考慮到末端智能電表業(yè)務(wù)比較單一，帶寬需求也不是很高，因此選擇總線方式利用RS-485線將若干電表串接在一起，信息經(jīng)初步匯集后再通過PON進(jìn)行傳送，可實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置、建設(shè)運(yùn)營低成本目標(biāo)。

在實(shí)際部署時(shí)，OLT通常安裝在接入配電室或變電站內(nèi)，ONU可安裝在樓層電表箱或設(shè)備間內(nèi)，光分路器的安裝位置可根據(jù)OLT覆蓋范圍及安裝條件靈活選擇（如光纜交接箱、光纖接頭盒內(nèi)或ODF上）。

4 PON技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用需注意的問題

PON技術(shù)在電信行業(yè)已應(yīng)用多年，有較為豐富的組網(wǎng)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，但在電力行業(yè)尚處于試用階段，大規(guī)模應(yīng)用時(shí)需注意以下有關(guān)問題。

4.1 工業(yè)化環(huán)境

由于電力系統(tǒng)站點(diǎn)大多位于強(qiáng)電磁環(huán)境下，特別是末端接入站點(diǎn)的溫/濕度和防塵等環(huán)境較為惡劣，因此PON設(shè)備選型時(shí)應(yīng)特別關(guān)注其電磁兼容性、溫/濕度及防塵等性能指標(biāo)，應(yīng)選擇適合于電力系統(tǒng)環(huán)境的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，同時(shí)在選擇核心及匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)也應(yīng)綜合考慮其工作環(huán)境因素。

4.2 維護(hù)管理

由于電力系統(tǒng)末端通信接入數(shù)量規(guī)模龐大，因此在部署PON時(shí)，應(yīng)充分考慮到電力通信系統(tǒng)的外部管理環(huán)境，選擇可靠性高、維護(hù)少、便于網(wǎng)管的設(shè)備，在穩(wěn)定可靠和智能靈活間做好選擇。

4.3 設(shè)備供電

通信設(shè)備電源供給對通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。通常電力系統(tǒng)站點(diǎn)供電的可靠性都是比較高的，但需注意通信設(shè)備的供電類型。PON設(shè)備應(yīng)具備直流24/48 V及交流220 V等多種電源模塊，同時(shí)電源模塊的耐壓性能應(yīng)適合電力系統(tǒng)站點(diǎn)電壓的特殊性。

4.4 設(shè)備兼容性

根據(jù)電力系統(tǒng)通信接入業(yè)務(wù)發(fā)展的特點(diǎn)，通信接入網(wǎng)并非完全的板塊式全覆蓋，而是分階段的縱深推進(jìn)，因此對OLT和ONU提出了兼容性要求。EPON在對OLT與ONU的接入兼容性方面有較規(guī)范的國際通用標(biāo)準(zhǔn)，有其先天優(yōu)勢。在設(shè)置系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意盡量采用公有協(xié)議，以減少后期兼容問題。

5 結(jié)束語

PON是一種可靠、靈活、高帶寬的光纖接入技術(shù)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品已相當(dāng)成熟，電信行業(yè)也積累了豐富的大規(guī)模應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。隨著低碳社會(huì)及智能電網(wǎng)的發(fā)展、國家能源政策向節(jié)約型和可持續(xù)型的轉(zhuǎn)變，以及電網(wǎng)神經(jīng)末梢向用戶的延伸，通信技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)迎來難得大發(fā)展機(jī)遇。已走向成熟的PON技術(shù)，應(yīng)是電力系統(tǒng)智能化建設(shè)的較好選擇。

［1］劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2010.