EPON在智能配用電通信網中的組網研究

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，國家電網公司首次提出了智能電網的概念。在《國家電網智能化規劃總報告》中，我國首次提出了智能電網的發展目標。智能電網的構建需要大容量、高速實時、支持多業務靈活接入、具有自愈功能的“堅強”電力通信網絡。電力通信網絡采用分層的架構，主要由骨干核心層與接入層網絡構成。

骨干核心層又可分為干線傳輸網及城域核心網，主要覆蓋發電、輸電、變電等環節。接入層網絡是各地（市）供電公司骨干通信網的延伸，主要覆蓋配電及用電環節。網絡范圍以各地（市）供電公司骨干通信網的相關變電站 （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開關站、配電室、環網柜、柱上開關、公用配電變壓器、線路等以及網內專變變壓器、工商業及居民用戶表、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的智能家電等相關設備。

1 配用電通信技術分析和比較

根據接入對象和業務等級的不同，智能電網通信網絡接入層可分為配網和用網2個部分，分別用于實現配網自動化和用戶信息采集。隨著智能電網的建設，配網自動化和用戶信息采集等旨在實現計量裝置在線監測和用戶負荷、電量、電壓等重要信息的實時采集等系統顯得越來越重要，因此，110、35 kV以下接入層通信網已經成為制約智能電網發展的瓶頸。

根據信道不同，目前配用電網主要采用的通信方式可以分為工業以太網、電力線載波（PLC）、無線專網（230 MHz/WiMAX/LTE/Mobitex）、 無 線 公 網 （GPRS/CDMA/3G）和微功率無線（Zigbee）等幾種方式。工業以太網為有源設備，不具備抗多點失效性，擴容成本高，且缺乏統一的產品標準，無法整體應用。電力線載波傳輸速率低，噪聲干擾大，信號衰減嚴重，不適于信號遠距離傳輸。無線專網易受環境影響，信號不穩定，需單獨申請頻點，運營困難。無線公網受制于電信運營商，帶寬較低，可靠性和實時性很差，不能廣泛滿足智能電網配電網通信要求。微功率無線通信中的Zigbee技術在用戶信息采集系統中得到了試點應用。各種通信方式的比較如表1所示。

作為一種光接入技術，EPON為建設智能電網領域的全光通信網提供了重要技術手段。EPON具有無源特性，組網靈活，對于光纜的走向有很強的適應性，可以低成本地組成環形、星形或樹形網絡，天然地適應配用電網的分布式結構。另外，EPON通信系統設計之初預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點設備，對于配用電網監測節點數量巨大，采用EPON組建配電網自動化通信系統，能最大限度節省投資成本。因此，EPON成為配用電系統的主流通信方式，是建設堅強智能電網的必然選擇。

2 配用電通信網絡中EPON組網結構

在配用電通信網中，配網主站一般位于地（市）電網調度中心，配網子站一般為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技術的光纖通信環網，各變電站基本建設有專用的通信機房，SDH設備位于機房內。由于配網通信終端（FTU/TTU/RTU）設備沿配網電力線路安裝，數量多，覆蓋范圍大，因此，在配網用EPON系統的設計中，一般將OLT設備安裝在變電站 （配網子站）的通信專用機房中，每個配網通信終端安裝ONU設備，實現通信終端數據信號的集中匯接到變電站機房，再通過SDH網絡匯集到配電主站。目前在配網范圍內，光纜網絡沿著電力桿路鋪設，因此ODN網絡的結構一般根據配電網的結構進行設計。配網電力線路的主要結構類型包括單電源輻射網、單環網、手拉手環網、雙電源雙T網等，因此，ODN網絡的設計一般和配網電力線路的結構相同。

對于單電源輻射網結構，EPON網絡可以設計為單鏈路結構。在這種網絡結構下，由于光纜路由是單鏈路結構，沒有冗余光纜路由，因此EPON系統不能提供網絡保護功能。ODN網絡采用多級光分路器級聯的組網方式，可以實現在一根光纖上級聯多個配網通信終端的能力，可以大大節省光纖的需求量。

對于單環網結構的配網網絡，EPON網絡可以設計為單環網結構。在此種網絡結構條件下，由于電網桿路采用了環形結構，因此沿桿路鋪設的光纜網絡具備了環形結構，ODN網絡可以設計為全線路保護方式，OLT設備采用1∶1保護的2個PON口，2條主干光纖分別沿環形結構的2個方向延伸，每個ONU配置2個上行PON口，實現主干線路和分支線路的全線路保護。在這種結構下，無論線路中任何一條光纖中斷，網絡都可以實現快速收斂，確保通信業務不受影響。系統具備了抗單點失效的冗余保護能力。此種結構要求OLT設備具備PON口的1∶1保護功能，要求ONU設備具備2個上行PON口。

由于配網環境復雜多變，在多數情況下，單電源輻射網絡結構和單環網結構在同一配電網絡中隨機出現，因此對于EPON系統來說，大多數情況下是2種網絡結構的復合組網。

表1 配用電通信系統各通信方式比較

而在手拉手環網和雙電源雙T網配網結構中，由于有2條母線分別從2個不同的變電站引出，因此對于光纖網絡拓撲來說，EPON系統可以設計成手拉手雙PON口保護結構。在這種結構中，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，因此相互保護的2個PON口位于2臺不同的OLT設備中，PON口倒換需要在2臺OLT之間進行，這與傳統的EPON網絡保護結構完全不同。需要EPON系統采用全新的手拉手保護方案。手拉手保護方案不但可以實現環網結構中單節點失效保護，還可以實現OLT PON口或整個OLT失效時的網絡保護，是一種性能非常好的保護方案。

3 智能配用電網絡中的ODN設計方法

ODN由主干光纖、分光器和支路光纖組成，整個ONU網絡為無源網絡，傳輸OLT和ONU之間的光信號，ODN網絡的設計就是要保證光信號的正常傳送。

為了保證ODN網絡正常傳送信號，最需要做的就是對每個ONU側的光功預算進行演算，確保ONU接收的光功率在ONU光接口的接收范圍內。在此基礎上，ODN網絡可以靈活設計，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、樹形網絡結構，充分適配配網結構。由于配電網絡的獨特性和復雜性，電力專用EPON系統的ODN設計需要專門進行研究分析，主要需要研究的范圍是非均分分光器網絡的衰減計算方法，多級分光器級聯設計方法，配網網絡擴容時的ODN擴容設計思路和原則。

在配網自動化應用環境中，由于ONU的接入終端通常以鏈形、環形、環帶鏈等方式組網，光纜網絡也沿電力線路鋪設，因此無法實現公眾通信網絡中集中分光的模式，必須采用多級分光的組網方案，典型的組網方式為以非均分分光比的1∶2分光器級聯部署。

由于EPON系統存在光功率預算限制，在采用多級分光器級聯的ODN網絡中，為了盡可能實現更多的分光級數，需要把光功率更多地分配到下游級聯分光器更多的光支路上，因此在電力EPON網絡中，一般采用非均分的1∶2分光器組網，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的分光器級數、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網絡的設計中，為了提高分光級數，一條鏈路的分光級數和采用何種功率比例的非均分分光器必須經過精確的計算。

3.1 ODN光功率預算計算方法

目前EPON系統一般采用PX20光模塊，其技術指標為：OLT發光功率+2~+7 dBm，接收靈敏度-24~-30 dBm；ONU發光功率-1~+4 dBm，接收靈敏度-24~-27 dBm，則下行方向最大光功率預算為26 dB，上行方向最大光功率預算為24 dB。

ODN光鏈路的總衰減為

光纖系統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）系統富裕度。由于要考慮環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

在進行多級非均分ODN網絡的設計時，通常按照分光級數最大的分支來計算系統最大的分光級數，但是在設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 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）。

根據以上計算結果，下行方向光功率預算滿足設計要求（考慮3 dB設計余量），上行方向光功率不滿足設計要求（考慮3 dB設計余量），因此減少分光級數或者采用5∶95分光器來進行設計。

3.2 分光器級聯設計方法

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

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

方案2將8級級聯ODN網絡改造為2個4級級聯ODN網絡，雖然主干光纖增加了1芯，但光功率預算將非常充裕，未來擴容的余地非常大。

因此，在進行多級級聯ODN網絡設計時，盡量采用少的多級級聯級數是基本的設計原則之一。

3.3 分光器預留擴容設計方法

由于我國處于城市化快速發展的過程中，各地均在進行大規模的小區建設，配電網絡根據城市的發展也需不斷發展擴容，因此通常在ODN網絡規劃時，要參考未來2~3年電網建設的規劃，提前考慮未來配電網對通信系統的需求，在設計時考慮足夠的富裕度。下面以圖4所示案例進行說明。如果未來2~3年在A、B、C 3點均需要擴容，那么在進行ODN網絡設計時，需要在A、B、C 3點預留足夠的光功率預算。在初期進行ODN網絡設計時，考慮每個點今后的擴容需要，預留足夠的光功率預算，如果預算不足，則可能需要將1個多級級聯網絡分裂為多個多級級聯網絡，通過增加主干纖芯的方法提高ODN系統的設計余量。

圖2 分光器級聯設計方案1

圖3 分光器級聯設計方案2

圖4 多級分光擴容設計方法

4 結束語

鑒于EPON在智能配用電通信網絡中的種種優勢，江西電力將在十二五期間采用EPON進行規模網絡建設。隨著智能電網建設的深入進行，未來EPON ONU將會內置到智能電表中，并隨著智能電表的改造，將EPON系統延伸到千家萬戶，從而實現光纖到戶。在此基礎上，電力公司未來可開展基于光纖到戶的各類增值服務的運營，如智能家電、智能家居、寬帶上網等業務均可以依托這一網絡實現。因此，采用EPON進行智能配用電網絡建設將有廣闊的應用前景，并在不遠的將來對大眾生活方式帶來巨大的改變。