智能配电网EPON技术应用研究及网络设计

第３３眷第２３２期　２０１２年２月１０　１３　电　力　系统通信　

Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＶｏＩ．３３　Ｎｏ．２３２　

Ｆｅｂ．１０，２０１２　．８５．　

智能配电网Ｅ　ＰＯＮ技术应用研究及网络设计　梁芝贤，王剑，唐万理　（西安供电局，陕西西安７１００３２）　

摘要：结合智能配电网对通信发展的需求，介绍了西安供电局主站控制层、骨干通信层和接　入通信层的ＥＰＯＮ网络结构。提出配网通信建设原则与思路以及系统组网和设备选型原则，　给出基于ＥＰＯＮ技术的配电通信网络拓扑设计、光通道衰减设计、ＯＤＮ结构设计等具体策　ｊ略。最后提出建设光缆在线监测系统及基于ＧＩＳ平台的光缆资源管理系统的维护管理建议，　对配电通信网络建设具有实际意义。　关键词：智能配电网：电力通信：ＥＰＯＮ　

中图分类号：ＴＮ９１５．８５３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００５—７６４１（２０１２）０２—００８５—０６　

Ｏ　引言　智能配电网提出了新型配电网生产管理模　式，将实现配电网运行监视、倒闸操作、应急处理　等高效管控。有效提升配电网安全、经济和智能化　水平，对电力通信系统的安全性、可靠性、灵活性　等提出更高要求。　智能配电网传输业务包括如下４点。　１）配电自动化信息采集数据，包括开关、配　变、故障指示器、分布式电源、储能、微网设备等开　关分合、保护动作和异常信号、故障信息、配电终　端状态和通信通道状态信息采集和上传。　２）配电网设备监控信息，如对相关配电设备　及周边运行环境的视频监控信息等。　３）配电网设备控制信号，实现配网开关（包括　用户侧专变）的分合控制，实现保护及重合闸远方　投停（退）和程序化控制。　４）实现网络各类查询信息，实现分布式电源、　储能装置、微电网状态等信息查询、图形定位等。　１　智能配电网通信系统建设原则　１）严格的信息传输服务质量。考虑到电力系　统运行的特殊性，配电网终端监测系统通信平台　必须具有专一性，保证数据传输的安全，阻止可能　的电力传输中断和数据窃听。　２）数据传输的实时性和可靠性。配电网终端　监测系统作为配电网自动化的重要组成部分，不　仅能够迅速寻找、隔离故障和恢复供电，还能实时　对电量和相关设备状态进行监测，因此要求信息　处理速度快且实时性要求高。　３）抗干扰能力强。配电自动化终端一般安装　在室外，工作环境恶劣、电磁环境差，尤其当通信　设备与电力线距离较近时，电磁干扰强烈、雷击影　响严重。为了保证数据传输的误码率小的要求，必　须具有较强的抗干扰性和较好的电磁兼容性，使　设备在恶劣环境下能长期可靠运行。　４）可扩展性好。由于配电网自动化程度越来　越高，未来配电网终端监测系统的数量将以指数　级增长。随着配电通信网规模不断扩大，其网络拓　扑结构也随之不断变化，因此，终端通信必须适应　网络结构变化．并具有一定的前瞻性。　５）成本和效益兼顾。配电网终端分布分散且　数量庞大，通信系统设计在满足可靠性等要求前　提下．既要考虑成本和实用化要求，又要考虑长期　的使用和维护费用。应充分利用已有管、线资源及　主网通信资源，主、配网统一规划，避免重复投资。　６）配电通信网的建设应同步考虑网络管理与　维护平台的建设。特别是满足大量光缆线路安全　可靠运行管理需求，实现对配网通信设备、光缆资　源的远程监控、维护和管理。　・８６・　电　力　系　饶　违　铹　２　ＥＰＯＮ通信技术　ＥＰＯＮ是基于千兆以太网的点到多点的单　纤、双向光接入网络，由配电子站侧的光线路终端　（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｌｉｎｅ　Ｔｅｒｍｉｎａｌ，ＯＬＴ）、配电终端侧的光网　络单元（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｕｎｉｔ，ＯＮＵ）以及配电网　络中的光分配网络（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，　ＯＤＮ）组成。ＯＤＮ将１个ＯＬＴ和多个ＯＮＵ连接起　来，由主干光缆、分光器和支路光缆组成，提供光　信号的双向传输。　ＥＰＯＮ中使用单芯光纤，在１根芯上传送上下　行２个波（上行波长：１　３１０　ｒｉｍ；下行波长：１　４９０　ｎｍ），　可在这根芯上下行叠加１　５５０　ｎｍ的波长传递其　他信号。ＥＰＯＮ下行通信为连续方式，发送的以太　网数据帧中载有ＯＮＵ的标识逻辑链路标记　（Ｌｏｇｉｃａｌ　Ｌｉｎｋ　Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ，ＬＬＩＤ），广播发送给每个　ＯＮＵ并实现数据帧的过滤：上行通信采用时分多　址（Ｔｉｍｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ，ＴＤＭＡ）方式实　现多点接入，每个ＯＮＵ由局端设备统一分配的时　隙中发送数据帧，避免碰撞。在下行方向，ＩＰ数　据、语音、视频等多种业务由位于子站的ＯＬＴ采　用广播方式，通过光分配网中的１：Ⅳ无源分光器　分配到ＰＯＮ的所有ＯＮＵ。在上行方向，来自各个　ＯＮＵ的多种业务信息互不干扰地通过光分配网　中的１：　无源分光器耦合到同一根光纤，最终被　送到位于局端的０ＬＴ接收端。　ＯＬＴ既是１个交换机或路由器。又是１个多　业务提供平台，提供面向无源光纤网络的光纤接　口，多个１　Ｇｂｉｔ／ｓ和１０　Ｇｂｉｔ／ｓ的以太接口，支持　ＷＤＭ传输，支持ＡＴ，ＦＲ以及ＯＣ３／１２／４８／１９２等速　率的光网络连接，如果需要支持传统的时分话音，　普通电话线和其他类型的时分复用通信（Ｔ１／Ｅ１）　可以被复用连接到输出接口，ＯＬＴ还可以针对用　户的ＱｏＳ／业务等级协定（Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｌｅｖｅｌ　Ａｇｒｅｅ．　ｍｅｎｔ．ＳＬＡ）不同要求带宽分配、网络安全和管理配　置。ＯＬＴ根据需要可以配置多块光接口与多个　ＯＮＵ连接　无源光网络具有以下特点。　１）树形光网络结构．适合于带状或链状组，与　电网配、用电系统结构相匹配。ＥＰＯＮ点到多点技　术可利用局端单个光模块及光纤资源，服务大量　终端用户．特别适用于配电网的环形或链形网络　拓扑。　２）建设与运维成本低。安全可靠性高。物理层　采用ＰＯＮ技术，ＯＬＴ与ＯＮＵ之间仅有光纤、光分　路器等光无源器件，无需机房、电源，避免了电磁　干扰和雷电影响，可靠性高。ＥＰＯＮ系统模块化程　度高，初期投入低，扩展容易。　３）ＯＮＵ终端能满足各类业务终端的接人需　求，采用标准１０／１００　Ｍ　ＢＡＳＥ—Ｔ　ＲＪ一４５，ＲＳ一４８５，　ＲＳ一２３２．ＦＸＯ／ＦＸＳ语音网关接口．方便各类业务　应用扩展。　４）强大的覆盖能力．最远覆盖可达２０　ｋｍ　（１：３２分路比），从端局覆盖到用户接人点。　５）高带宽灵活分配，网管功能完善，维护简　单，易于升级。可提供上下行对称的１．２５　Ｇｂｉｔ／ｓ带　宽，可升级到１０　Ｇｂｉｔ／ｓ。ＥＰＯＮ对带宽的分配和保　证有完整的体系，可以通过动态带宽算法等对每　个用户进行带宽分配并保证其ＱｏＳ。　６）完善的网管功能。ＥＰＯＮ支持配置管理、性　能管理、故障管理、安全管理、告警管理等功能，可　管理到ＯＮＵ的ＰＯＮ每个端口业务。　ＥＰＯＮ的关键技术包括以下４点。　１）时间戳定时方式。使用绝对定时方式完成　网络的控制，脱离帧的周期性限制，为传输不定长　的以太网帧打下基础。　２）测距与时延补偿。使用控制门作为窗口，各　ＯＮＵ随机后退方式进行注册，类似于以太网的碰　撞探测机制中的随机后退方式。　３）多点控制协议（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｐｏｉｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐｒｏ—　ｔｏｃｏｌ，ＭＰＣＰ）控制帧。增加以太网控制帧，使ＯＬＴ　可以控制点到多点的网络。　４）其他关键技术。包括操作、管理与维护（Ｏｐ．　ｅｒａｔｉｏｎ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ＯＡＭ）功　能动态带宽分配和业务等级服务下行加密技术。　

３　ＥＰＯＮ网络拓扑设计　ＥＰＯＮ光网络（以下简称ＯＤＮ）拓扑结构设计　重点是合理确定分光器级数及分光比。ＥＰＯＮ系　统对于分光器级数没有理论限制，但每个ＯＮＵ的　光通道衰减应小于２４　ｄＢ。实际应用中分光器级　数越多，越能节省主干光纤数量，但也会造成接头　损耗增加、网络拓扑复杂，因此需在光纤资源允许　的范围内优化ＯＤＮ网络拓扑。同时要考虑扩容或　・智能通信・　梁芝贤等　智能配电网ＥＰＯＮ技术应用研究及网络设计　．８７．　改造需求，预留光纤支路及光功率预算。　３．１　光通道衰减设计　ＯＤＮ的光功率衰减与分光器级数、分光器分　光比、活动连接数量、光缆熔接头数量、光缆线路　长度等因素有关，设计时必须控制ＯＤＮ中最大的　衰减值，使其符合ＯＬＴ和ＯＮＵ的ＰＯＮ口光功率　衰减要求。　ＯＤＮ光通道衰减所允许的衰减定义为Ｓ／Ｒ　和Ｒ／Ｓ参考点之间的光衰减，包括光纤、分光器、　光活动连接器、光纤熔接接头所引入的衰减总和。　应对无源光分配网络中的最远用户终端的光通道　衰减核算，采用最坏值法进行ＯＤＮ光通道衰减核　算。光通道计算模型如图１所示。　多级分路则级联　头盒　图１光通道计算模型　Ｆｉｇ．１　Ｌｉｇｈｔ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｍｏｄｅ　计算公式为：　ＯＤＮ光链路衰减（ｄＢ）＝　ｎ　ｍ　Ｐ　ｈ　∑Ｌｉ＋∑Ｋｉ＋∑　＋∑Ｆｉ　（１）　＝１　ｉ＝ｌ　ｉ＝１　ｉ＝ｌ　ＯＤＮ光链路衰减＋胁≤系统允许衰减　（２）　式中，∑Ｌｉ是光通道全程　段光纤衰减总和；　＝１　ｔｌＩ　Ｐ　∑　是ｍ个光活动连接器插入衰减总和；∑Ｍｉ　ｉ＝ｌ　ｉ＝ｌ　ｈ　是ｐ个光纤熔接接头衰减总和；∑Ｆｉ是ｈ个分光　＝１　器插入衰减总和；Ｍｃ是光纤富余度。　计算时可取以下估值。　１）光纤衰减：１　３１０　ｎｍ波长时取０．３９　ｄＢ／ｋｍ。　１　４９０　ｎｍ波长时取０．２２　ｄＢ／ｋｍ：　２）光活动连接器插入衰减：０．５　ｄＢ／个：　３）光纤熔接接头衰减：分立式光缆光纤接头　衰减取双向平均值为０．０８　ｄＢ／接头：带状光缆光纤　接头衰减取双向平均值为０．２　ｄＢ／接头：　４）分光器插入衰减参数：分光器插入损耗＝分　光损耗＋附加损耗。其中分光损耗指不同分光比对　光信号产生的损耗，为一１０ｌｇＫ（Ｋ为分光比）。附加　损耗指分光器本身对光信号产生的损耗，这种损　耗称为光分路器附加损耗，为一ＩＯＩｇ（Ａ／Ｂ）（Ａ为各　输出端输出功率之和；Ｂ为输入功率）。　５）光纤富余度Ｍｃ：当传输距离≤５　ｋｍ时，光　纤富余度不少于１　ｄＢ；当传输距离≤１０　ｋｍ时，光　纤富余度不少于２　ｄＢ：当传输距离＞１０　ｋｍ时，光　纤富余度不少于３　ｄＢ。　３．２　ＯＤＮ结构设计　ＯＤＮ设计时，需着重考虑光路保护、分光器　级数、扩容和资源预留等。ＯＤＮ结构应根据用户　性质、用户密度、地理环境、管道资源、光缆容量以　及ＯＬＴ与ＯＮＵ之间的距离、网络安全可靠性、经　济性、操作管理和可维护性等综合考虑。ＯＤＮ分　光方式应采用多级分光，具体级数可通过无源光　器件及光纤衰减计算得出，设计时应充分考虑分　光器的端口利用率，根据用户分布情况选择合适　的分光方式。在主干光缆纤芯数量允许的情况下，　可以适当减少分光器级数，便于维护。　３－２．１分光器放置位置　对于集中分配的一级或两级ＯＤＮ网络，分光　器一般位于光交接箱或机箱内。对于总线形或环　形拓扑，分光器通常在电力杆路上或开关站内，内　置于光缆接头盒或终端盒内，独立安装在室外的　分光器需注意防水、取电及防外力破坏等。　３＿２＿２分光器级数设计　分光器技术应满足光功率预算要求，分光器　级数过多，导致拓扑层级较多，主干光纤接头数量　较多导致损耗增大。因此，在纤芯允许的条件下，　可适当减少分光器级数，简化网络。如占用一芯主　干光纤可使用八级分光器，若占用两芯主干光纤　则可使用四级分光器。后者当网络拓扑变化或扩　容时会更灵活。　３．２．３　ＯＤＮ光路保护　针对ｌ０　ｋＶ配电线路实际应用较多的“手拉　手”形和环形保护，“手拉手”形的ＯＤＮ将主、备　ＯＬＴ放置在不同地点，ＯＤＮ采用总线形结构，由　于每个ＯＮＵ连接的２个ＰＯＮ口所连的分光器位　于不同的级数，因此分光器的规格不一致。双向保　护链结构示意如图２所示。