無源光網絡技術在配電自動化系統中的應用

【摘要】本文介紹了無源光網絡的種類和技術的原理，并對無源光網絡技術在配電自動化系統中的實際應用進行了探討。

【關鍵詞】無源光網絡配電自動化系統應用

一、前言

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

電力系統通信這些年取得了長足的發展，逐步建成了以光纖傳輸為基礎的全國最大的行業專用的光纖傳輸網絡。通過交換網包括電話網、IP網、視頻網等，和各種業務平臺相連接，支撐了電力的生產業務、辦公自動化業務、營銷自動化業務等。通信部門為各個不同的電力業務部門提供通信通道。

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

二、通信技術的發展

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

三、無源光網絡的技術原理及種類

PON即無源光網絡，Passive Optical Network的縮寫，一種采用點到多點（P2MP）結構的單纖雙向光接入網絡，其典型拓撲結構為樹型無源光分路器可以是一級分光或者多級分光。

PON系統由網絡側的光線路終端（OLT）、用戶側的光網絡單元（ONU）和光分配網絡（ODN）組成，網絡結構非常簡單，其技術上的復雜性主要在于信號處理技術。在下行方向（OLT到ONU），OLT發送的信號通過一個1：n的無源光分路器（或幾個分路器的級聯）廣播到達各個ONU，各ONU需要從中取出發給自己的數據。在上行方向（ONU到OLT），一個ONU發送的信號只會到達OLT，而不會到達其他ONU。由于各ONU共享一根干路光纖（多點發送，單點接收），為了避免數據沖突并提高網絡利用效率，就必須采用TDM（時分復用）多址接入協議，實現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，發送給各個ONU的數據進行時分復用（TDM），承載在下行波長上（一般采用1490nm），連續的光信號廣播到每個ONU上，ONU根據一定的標識，選取自己所需的數據。上行方向，OLT通過多點控制協議（MPCP）控制每個ONU在指定的時間起始點發送指定時間長度的數據，這就是時分多址接入（TDMA）協議。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設備向網絡側提供數據、視頻和電話等業務接口，并經ODN與ONU通信。光網絡單元ONU設備位于用戶側，為用戶提供數據、視頻和電話等業務接口。光分配網絡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。光分配網絡為點到多點結構，按照其連接方式不同主要可分為星型、樹型、總線型和環型結構。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就正式推出了業界第一個寬帶PON標準———G.983.1，這個標準基本定義了基于ATM的PON框架（現已更名為BPON）。此后，經過不斷地增補、修訂，已經發展成為一個非常完善的系列標準。

BPON是現有各種寬帶PON技術的基礎，后繼發展起來的其他PON技術都直接或間接引用了BPON系列標準中的大量內容。但是由于ATM技術在網絡中的部署并不如最初想象的那樣順利，業界推出的BPON產品也始終沒有得到廣泛應用。2000年，IEEE成立了第一英里以太網工作組（EFM，802.3ah），并在其開發的技術標準中包含了基于以太網的PON規范，這就是我們所熟悉的EPON標準。

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

2003年，ITU-T推出了一種新的PON技術規范———GPON。GPON名稱中的字母“G”至少包含了二層含義：首先，GPON技術能夠提供最高2.5Gb/s的接入能力，是當前最高速率的PON；其次，GPON采用了一種全新的封裝技術———GEM（GPON Encapsulation Method）。GEM的主要思想來自于GFP（通用成幀規程，G.7041），是一種能夠高效封裝各種上層數據的封裝技術。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進行封裝。

四、PON技術在配電自動化通信系統中的應用

根據國網公司《配電自動化系統技術導則》中的相關要求，以“標準先行、統一規劃、因地制宜”為原則，結合配網自動化應用需求，采用以電力無源光網絡（PON）為接入層主要通信方式的建設方案，同時構建配電一體化通信平臺實現對系統有效的監控與管理，確保通信通道安全、可靠、穩定運行。

PON技術組網，改變傳統的ONU單上行無保護的網絡結構，使用專為電力配網設計的支持雙PON口上行的ONU，組成拓撲為“手拉手”類環形結構的全保護網絡，以滿足配電自動化系統對通信系統的安全性、實時性和可靠性要求。配電線路、環網站及柱上開關實現信息上傳。組網拓撲示意如下：

如圖2所示，組網包括通信子站OLT及終端ONU設備，主站匯聚交換機、網管及相應分光器，可采用EPON系統，并支持向GPON系統及10G G/EPON擴展。

（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已有的MSTP傳輸網中，當某節點鏈路故障，設備快速完成設備上行鏈路的切換，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網絡實現業務保護。（2）接入網通信層：接入通信層主要有ODN和ONU兩部分通信設備組成，ODN和ONU安裝于開閉所、環網柜和柱上開關等處。ODN根據技術要求選擇1：2不等比分光器，每站點放置兩個；對于ONU，主要負責對FTU/RTU/TTU等監控數據的采集，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；下行提供足夠的業務接口。所有ONU設備采取手拉手保護組網。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行通信，有效的保護了網絡中的數據安全性。OLT設備支持電信級的可靠性，主控、電源等全部1+1保護。OLT支持48個PON口，6個業務插槽滿足今后幾年擴容升級需求。網管功能豐富，具備符合電信級標準的中文圖形化網絡管理系統，支持北向接口、還支持在線操作能力、業務下放能力、ONU注冊識別能力、安全管理、業務管理、簽權認證能力。網管不僅支持對OLT、ONU的管理，還支持對匯聚交換機的統一管理。

五、小結

電力通信網需要能延伸到電網末端配電網，智能電網的數據獲取、保護和控制業務都需要有效的雙向高速通信網絡加以支撐，配電通信系統是實現配電自動化的關鍵之一，配電通信系統以滿足配電網通信需求為核心，建成技術先進、實用性好，網絡結構合理、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絡架構，通用通信標準，保證配電網的可靠、保密、安全、經濟、高效運行。本文通過以上的闡述，為智能電網配電通信系統建設貢獻出自己的一點經驗。

參考文獻

[1]閻德升等. EPON：新一代寬帶光接入技術與應用.機械工業出版社，2007.

[2]格倫·克雷默、陳雪、孫曙和、劉冬.基于以太網的無源光網絡.北京郵電大學，2007.