基于EPON的智能風電場通信解決方案

劉 兵，馬風茹

（①河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031；②華北電網有限公司北京超高壓公司，北京 100053）

0 引言

隨著智能電網和風電信息化建設的快速發展，風電場場內各種信息實時采集顯得越來越重要，而風電場場內通信的接入網絡已經成為制約智能風電場信息化建設的發展瓶頸。

目前，風電場場內通信技術主要有工業以太網組網技術和無線技術，其中無線技術又分為無線專網和無線公網[1]。工業以太網組網為有源設備，不具備抗單、多點失效功能，擴容成本高，安裝維護工作量大。無線專網易受氣候、地形影響，穩定性較差，且頻點資源難以節約，運營維護困難；無線公網受制于電信運營商，網絡的安全性，穩定性、實時性都無法得到保證。

EPON[2-4]作為一種穩定、成熟、性價比高的通信接入技術，具有無源特性，組網靈活，對于光纜線路的走向有很強的適應性，可以低成本的組成鏈型、星型或樹型網絡，十分適合風電場內集電線路的分布式結構。

1 智能風電場EPON組網結構及優勢分析

智能風電場 EPON系統主要由光纖線路終端（OLT，Optical line Terminal）站端設備、光網絡單元（ONU，Optical network unit）風機側設備、無源光纖分配器（POS，passive Optical splitter）分光器組成。

OLT放在風電場升壓站通信機房，它是整個EPON系統的核心部件，提供EPON系統與數據、視頻和語音網絡之間的接口。OLT通過POS與各個ONU相連，在下行方向，它提供面向無源光纖網絡的光纖接口；在上行方向，它提供了千兆以太網高速接口[5]。

POS是一個連接OLT和ONU的無源光纖分支器，其功能是分發下行數據和集中上行數據[6]；POS布署靈活，能進行多級連接，幾乎可以適應于所有環境。

ONU放在風機側，用于終結光纖鏈路，提供風機側各種數據、視頻和語音網絡與EPON之間的接口，其作用是接收光路信號，并將其轉換成系統所需的格式；在中、高帶寬的ONU中實現了成本低廉的以太網第二層交換甚至是第三層路由功能，這種類型的ONU可以通過堆疊來為多個最終用戶提供很高的共享帶寬[7]。

EPON的技術優勢主要表現如下：

1）采用“單纖雙向”技術，吻合了風電場集電線路樹型或鏈型物理結構；線路只需要一條光纖芯，通過高可靠性、低故障率的無源分光設備 POS，可以輻射多路光信號；ONU具有豐富的接口類型，能夠滿足風機各種信息的傳輸，節約了大量的光電轉化裝置，降低了工程造價。

2) EPON技術能提供上下行對稱的 1.25 Gb/s的帶寬，而隨著以太網數據傳輸技術的不斷發展，EPON技術的帶寬還可以升級到 10 Gb/s[8]，能夠滿足風電場場內不斷增長的業務帶寬需求，無需再考慮增加光纖芯。

3）EP0N技術可實現不同業務類型的通道隔離，并采用DBA（動態帶寬分配）技術和自動注冊方式，動態調整帶寬分配，實現節點設備的即插即用。

4）各個ONU與局端OLT設備之間是并聯通信關系，任何一個ONU或多個ONU故障，不會影響其他ONU及整個通信系統的穩定運行，并且基于EPON的通信數據都可以經過高強度數據加密，保證數據的安全。

5）EPON技術不需要使用有源電子器件，網絡組件數量少，鋪設比較簡單且出現網絡故障的概率極小，這就使得EPON網絡基本上不需要進行維護，長期運營成本和管理成本的節省很大[9]。

2 智能風電場EPON系統網絡設計

在風電場場內集電線路環境中，光纜網絡沿集電線路架設，通常以鏈型、樹型等方式組網，因此EPON系統網絡設計為單鏈路結構。在這種網絡結構下，光纜路由是單鏈路結構，不能提供網絡保護功能且必須采用多級光分器級聯的組網方式，實現在一條光纖芯上級聯多個風機側通信終端的能力，大大節省了光纖芯的需求量。

EPON系統設計就是要確保網絡正常傳送光信號，這就需對每個ONU設備的光功率進行計算，保證ONU設備接收的光功率在其光接口接收范圍內；在此基礎上，網絡應采用非均勻分光的分光器，組成一級分光、多級分光等鏈型、樹型網絡結構，充分適用風電場場內集電線路結構。由于風電場場內集電線路結構的特殊性，網絡系統設計需要進行專門的研究分析，主要包括非均分分光器的衰減計算，多級分光器的級聯設計，網絡擴容的設計方法。

2.1 非均分分光器的衰減計算

在EPON網絡系統中，一般OLT站端設備和ONU風機側設備的技術指標分別為：OLT發光功率2～7 dBm，OLT接收靈敏度-24～30 dBm，ONU發光功率-1～4 dBm，ONU接收靈敏度-24～27 dBm，因此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。

分光器鏈路總衰減為：光纖鏈路衰耗=n段光纖衰減+m個活動連接器損耗+L個光纜接頭熔接損耗+h個分光器插損+富裕度。

具體分光器鏈路衰減計算需要考慮以下幾個圖表參數。

參照表1、表2、表3和表4的參數設計，在進行多級非均分網絡設計時，通過對每個分支進行分別的、多次的計算，確定分光級數、光功率分配比例及分光器種類，以獲得最佳的系統設計方案。

表1 光纜接續衰耗

表2 系統富裕度

表3 均分分光器典型衰耗

表4 非均分分光器（1∶2）典型衰耗

以圖1所示的風電場內1條集電線路為例，站內配置1套OLT站端設備，每一臺風機配置1套ONU設備，進行多級分光級聯并演示光功率計算。

圖1 多級分光案例

參數選取參照表1、表2、表3和表4，OLT到ONU的下行方向光功率衰減為：光纖衰減=光纖總長度×0.21=10.856×0.21= 2.28 (dB)，活動連接器衰減12×2×O.5=12(dB)(每個站點2個活動連接器)，光分路器插入損耗=12×0.6=7.2(dB)(使用10：90分光器)，光纜接頭熔接損耗=光纖衰減=10.856×0.03=0.33(dB),線路總衰耗=2.28+12+7.2+0.33 =21.81(dB)

ONU到OLT的上行方向光功率衰減為：光纖衰減=10.856×0.36=3.91(dB)，活動連接器衰減=12×2×O.5=12(dB)(每個站點2個活動連接器)，光分路器插入損耗=12×0.6=7.2(dB)(使用10：90分光器)，光纜接頭熔接損耗=(5.032+4.424+1.4)×0.03=0.33(dB)，線路總衰耗=3.91+12 +7.2 +0.33=23.44(dB)

根據上述結果，下行方向光功率衰減計算滿足設計要求(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。

2.2 多級分光器的級聯及預留擴容設計

風電場場內集電線路網絡一般為鏈型、樹型網絡，EPON系統一般設計為多級級聯網絡，但若級聯數量太多，將使一條線路上的分光器插入損耗增大，浪費系統光功率，且當線路發生故障時，也將擴大影響的范圍，不利于整個網絡的穩定性；與此同時，考慮到每條集電線路和風機側設備的擴容需要，在進行EPON系統網絡設計時，需預留足夠的光功率預算[10]；若預算不足，則可能需要將1個多級級聯網絡分裂再分為多個多級級聯網絡，并通過增加主干纖芯的方法提高系統的設計余量。因此，在光纖芯條件允許的情況下，可適當減少分光器級數，簡化通信網絡，這樣即可以獲得較好的系統光功率設計指標，還可以增強EPON系統網絡的可靠性，同時也為今后系統網絡的擴容預留了足夠的光功率余量[2]。

3 結語

基于EPON的智能風電場通信網絡解決方案，組網靈活、適應性強、安全可靠、部署簡易、易于安裝維護和擴展，完全能夠滿足智能風電場通信接入網絡建設的要求。

[1] 李祥珍,何清素,孫寄生.智能配電網通信組網技術研究及應用[J].中國電力,2011(12):78.

[2] 周欣,朱蘭,吳江.EPON在智能配用電通信網中的組網研究[J].郵電設計技術,2011(01):53.

[3] 陳濤,孫旭,王幸.GPON技術的應用模式研究[J].通信技術,2009,42(09):133-135.

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[5] 雷承達,彭芳,郎為民,等. EPON技術原理[J].光纖與電纜及其應用技術,2006(04):19.

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