無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在配電自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘要】本文介紹了無源光網(wǎng)絡(luò)的種類和技術(shù)的原理，并對無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在配電自動化系統(tǒng)中的實際應(yīng)用進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】無源光網(wǎng)絡(luò)配電自動化系統(tǒng)應(yīng)用

一、前言

通信系統(tǒng)是配電自動化系統(tǒng)的重要組成部分，其性能與可靠性的好壞，對系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)及運行可靠性有著決定性的影響。事實上，許多建成的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)不能很好的發(fā)揮作用的主要原因就是通信系統(tǒng)的建設(shè)不夠完備。

電力系統(tǒng)通信這些年取得了長足的發(fā)展，逐步建成了以光纖傳輸為基礎(chǔ)的全國最大的行業(yè)專用的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過交換網(wǎng)包括電話網(wǎng)、IP網(wǎng)、視頻網(wǎng)等，和各種業(yè)務(wù)平臺相連接，支撐了電力的生產(chǎn)業(yè)務(wù)、辦公自動化業(yè)務(wù)、營銷自動化業(yè)務(wù)等。通信部門為各個不同的電力業(yè)務(wù)部門提供通信通道。

作為電網(wǎng)的接入網(wǎng)（電網(wǎng)和用戶連接的這一部分）即配電網(wǎng)，還太薄弱，缺乏大容量、雙向、實時的通信接入網(wǎng)的支持。沒有實現(xiàn)光纖覆蓋，電力通信中急需解決的問題，首先是配電通信網(wǎng)的建設(shè)問題。

二、通信技術(shù)的發(fā)展

通信系統(tǒng)是建設(shè)配電自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通信系統(tǒng)的好壞從很大程度上決定了自動化系統(tǒng)的優(yōu)劣。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前可供使用、選擇的通信方式多種多樣，按照傳統(tǒng)的分類方法，可簡單地分為有線方式和無線方式。光纖通信接入技術(shù)又可分為兩大類：有源光網(wǎng)絡(luò)（AON，Active Optical Network）和無源光網(wǎng)絡(luò)（PON，Passive OpticM Network）。PON是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò).由于它取消了局端與客戶端之間的有源設(shè)備。因而能避免外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響。減少線路的故障率，提高系統(tǒng)的可靠性，是配電通信方式的理想選擇。

三、無源光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)原理及種類

PON即無源光網(wǎng)絡(luò)，Passive Optical Network的縮寫，一種采用點到多點（P2MP）結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹型無源光分路器可以是一級分光或者多級分光。

PON系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)側(cè)的光線路終端（OLT）、用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常簡單，其技術(shù)上的復(fù)雜性主要在于信號處理技術(shù)。在下行方向（OLT到ONU），OLT發(fā)送的信號通過一個1：n的無源光分路器（或幾個分路器的級聯(lián)）廣播到達(dá)各個ONU，各ONU需要從中取出發(fā)給自己的數(shù)據(jù)。在上行方向（ONU到OLT），一個ONU發(fā)送的信號只會到達(dá)OLT，而不會到達(dá)其他ONU。由于各ONU共享一根干路光纖（多點發(fā)送，單點接收），為了避免數(shù)據(jù)沖突并提高網(wǎng)絡(luò)利用效率，就必須采用TDM（時分復(fù)用）多址接入?yún)f(xié)議，實現(xiàn)多用戶對共享傳輸通道的訪問。

PON的原理如下圖所示。下行方向，發(fā)送給各個ONU的數(shù)據(jù)進(jìn)行時分復(fù)用（TDM），承載在下行波長上（一般采用1490nm），連續(xù)的光信號廣播到每個ONU上，ONU根據(jù)一定的標(biāo)識，選取自己所需的數(shù)據(jù)。上行方向，OLT通過多點控制協(xié)議（MPCP）控制每個ONU在指定的時間起始點發(fā)送指定時間長度的數(shù)據(jù)，這就是時分多址接入（TDMA）協(xié)議。通過TMDA，使多個ONU能夠共享上行波長（一般為1310nm）的帶寬。

光線路終端OLT設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)側(cè)提供數(shù)據(jù)、視頻和電話等業(yè)務(wù)接口，并經(jīng)ODN與ONU通信。光網(wǎng)絡(luò)單元ONU設(shè)備位于用戶側(cè)，為用戶提供數(shù)據(jù)、視頻和電話等業(yè)務(wù)接口。光分配網(wǎng)絡(luò)ODN為OLT與ONU之間提供光傳輸通道，其主要功能是完成光信號功率的分配。光分配網(wǎng)絡(luò)為點到多點結(jié)構(gòu)，按照其連接方式不同主要可分為星型、樹型、總線型和環(huán)型結(jié)構(gòu)。ODN的組成分為光纖光纜、無源光分路器（POS）、光連接器、光衰減器、ODF、光纜交接箱、分支接頭盒、分纖盒、用戶智能終端盒等。

早在1998年，ITU-T就正式推出了業(yè)界第一個寬帶PON標(biāo)準(zhǔn)———G.983.1，這個標(biāo)準(zhǔn)基本定義了基于ATM的PON框架（現(xiàn)已更名為BPON）。此后，經(jīng)過不斷地增補、修訂，已經(jīng)發(fā)展成為一個非常完善的系列標(biāo)準(zhǔn)。

BPON是現(xiàn)有各種寬帶PON技術(shù)的基礎(chǔ)，后繼發(fā)展起來的其他PON技術(shù)都直接或間接引用了BPON系列標(biāo)準(zhǔn)中的大量內(nèi)容。但是由于ATM技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的部署并不如最初想象的那樣順利，業(yè)界推出的BPON產(chǎn)品也始終沒有得到廣泛應(yīng)用。2000年，IEEE成立了第一英里以太網(wǎng)工作組（EFM，802.3ah），并在其開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中包含了基于以太網(wǎng)的PON規(guī)范，這就是我們所熟悉的EPON標(biāo)準(zhǔn)。

EPON將以太網(wǎng)的廉價和PON的結(jié)構(gòu)特性融于一體，使其在尚未推出正式標(biāo)準(zhǔn)的時候就得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同。相對于傳統(tǒng)的BPON，EPON的封裝更加簡單高效，速率也提升到了1Gb/s；相對于常規(guī)的P2P以太網(wǎng)，EPON增強了其OAM方面的特性，從理論上說，EPON的設(shè)備成本和維護(hù)成本也將大幅低于P2P的光纖以太網(wǎng)（詳見下一部分的論述）。業(yè)界很早就推出了EPON產(chǎn)品，但早期的產(chǎn)品均無成熟的標(biāo)準(zhǔn)可參照，甚至有些廠家推出的EPON產(chǎn)品僅有100Mb/s的線路速率，因而一些人將具有千兆速率的EPON產(chǎn)品宣稱為GEPON。

2003年，ITU-T推出了一種新的PON技術(shù)規(guī)范———GPON。GPON名稱中的字母“G”至少包含了二層含義：首先，GPON技術(shù)能夠提供最高2.5Gb/s的接入能力，是當(dāng)前最高速率的PON；其次，GPON采用了一種全新的封裝技術(shù)———GEM（GPON Encapsulation Method）。GEM的主要思想來自于GFP（通用成幀規(guī)程，G.7041），是一種能夠高效封裝各種上層數(shù)據(jù)的封裝技術(shù)。通過GEM，GPON獲得了更高的封裝效率和更加理想的QoS保障能力。另外，GPON也可以采用ATM進(jìn)行封裝。

四、PON技術(shù)在配電自動化通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)國網(wǎng)公司《配電自動化系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》中的相關(guān)要求，以“標(biāo)準(zhǔn)先行、統(tǒng)一規(guī)劃、因地制宜”為原則，結(jié)合配網(wǎng)自動化應(yīng)用需求，采用以電力無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）為接入層主要通信方式的建設(shè)方案，同時構(gòu)建配電一體化通信平臺實現(xiàn)對系統(tǒng)有效的監(jiān)控與管理，確保通信通道安全、可靠、穩(wěn)定運行。

PON技術(shù)組網(wǎng)，改變傳統(tǒng)的ONU單上行無保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用專為電力配網(wǎng)設(shè)計的支持雙PON口上行的ONU，組成拓?fù)錇椤笆掷帧鳖惌h(huán)形結(jié)構(gòu)的全保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，以滿足配電自動化系統(tǒng)對通信系統(tǒng)的安全性、實時性和可靠性要求。配電線路、環(huán)網(wǎng)站及柱上開關(guān)實現(xiàn)信息上傳。組網(wǎng)拓?fù)涫疽馊缦拢?/p>

如圖2所示，組網(wǎng)包括通信子站OLT及終端ONU設(shè)備，主站匯聚交換機、網(wǎng)管及相應(yīng)分光器，可采用EPON系統(tǒng)，并支持向GPON系統(tǒng)及10G G/EPON擴(kuò)展。

（1）子站通信層：OLT安裝于110kV變電子站處；上行可以接入目前電力通信網(wǎng)已有的MSTP傳輸網(wǎng)中，當(dāng)某節(jié)點鏈路故障，設(shè)備快速完成設(shè)備上行鏈路的切換，OLT提供GE接口上行。本次項目中，110kV變電所及寧波局位于該層中。各點通過接入MSTP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)業(yè)務(wù)保護(hù)。（2）接入網(wǎng)通信層：接入通信層主要有ODN和ONU兩部分通信設(shè)備組成，ODN和ONU安裝于開閉所、環(huán)網(wǎng)柜和柱上開關(guān)等處。ODN根據(jù)技術(shù)要求選擇1：2不等比分光器，每站點放置兩個；對于ONU，主要負(fù)責(zé)對FTU/RTU/TTU等監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集，ONU上行需要提供兩個PON端口，某端口故障后，快速切換到備用端口上；下行提供足夠的業(yè)務(wù)接口。所有ONU設(shè)備采取手拉手保護(hù)組網(wǎng)。使得主用光纖的主干光纖和分支光纖斷開的情況下仍然能通過備用光纖通道進(jìn)行通信，有效的保護(hù)了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)安全性。OLT設(shè)備支持電信級的可靠性，主控、電源等全部1+1保護(hù)。OLT支持48個PON口，6個業(yè)務(wù)插槽滿足今后幾年擴(kuò)容升級需求。網(wǎng)管功能豐富，具備符合電信級標(biāo)準(zhǔn)的中文圖形化網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，支持北向接口、還支持在線操作能力、業(yè)務(wù)下放能力、ONU注冊識別能力、安全管理、業(yè)務(wù)管理、簽權(quán)認(rèn)證能力。網(wǎng)管不僅支持對OLT、ONU的管理，還支持對匯聚交換機的統(tǒng)一管理。

五、小結(jié)

電力通信網(wǎng)需要能延伸到電網(wǎng)末端配電網(wǎng)，智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)和控制業(yè)務(wù)都需要有效的雙向高速通信網(wǎng)絡(luò)加以支撐，配電通信系統(tǒng)是實現(xiàn)配電自動化的關(guān)鍵之一，配電通信系統(tǒng)以滿足配電網(wǎng)通信需求為核心，建成技術(shù)先進(jìn)、實用性好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理、可靠性高，覆蓋范圍廣、接入靈活、自愈能力強、綜合效能高的開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通用通信標(biāo)準(zhǔn)，保證配電網(wǎng)的可靠、保密、安全、經(jīng)濟(jì)、高效運行。本文通過以上的闡述，為智能電網(wǎng)配電通信系統(tǒng)建設(shè)貢獻(xiàn)出自己的一點經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

[1]閻德升等. EPON：新一代寬帶光接入技術(shù)與應(yīng)用.機械工業(yè)出版社，2007.

[2]格倫·克雷默、陳雪、孫曙和、劉冬.基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò).北京郵電大學(xué)，2007.