浅谈智能电网下基于以太网的无源光网络技术的组网方案选择

浅谈智能电网下基于以太网的无源光网络技术的组网方案选择

李菲

（国网山东省电力公司费县供电公司273400）

改革开放以来，经济的高速增长对于电网提出了更高要求，电网要提供优质可靠的电力供应，并要满足用户对能源和信息的多元化服务需求，提升服务水平，促使国家大力发展智能电网。智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能化电网。目前，山东省已经全面推进智能电网建设，加快中低压城市配电网更新改造。

通信技术是智能电网的重要基础，通信方式的性能、承载能力保证了智能电网下服务系统功能的多样性，在智能电网中起着至关重要的作用。常用的无线公共网络具有覆盖范围广、投入费用低等优点，但是其建设及运行维护全部由通信运营商提供，电力企业不能根据电网的实际需求及时进行更新维护。随着通信技术的不断发展，无线公共网络的不足可以利用光纤通信的优点来弥补。

光纤专网通信以光波作为信息载体，以光导纤维作为传输介质的通信方式，主要利用无源光络技术实现信息传输，具有节省光缆资源、安全性高、建网速度快等优点。无源光网络技术（PON）是指光分配网中不含有任何电子器件及电子电源的光接入网。无源光网络技术作为一种新兴的宽带接入光纤技术，在光分支点不需要节电设备，只需安装一个简单的光分路器。其中，基于以太网的无源光网络技术（EPON）结合了以太网和无源光网络两种技术的优点，能够实现一点到多点的单纤数据双向传输，具有抗多点失效、点对多点、灵活组网及安全性高等优点。

EPON系统由局端的光线路终端OLT和、用户端的光网络单元ONU和光分配网ODN组成，为单纤双向系统。

EPON技术执行IEEE802.3ah标准，在物理层采用PON技术，在链路层采用以太网协议。EPON系统在OLT和ONU间采用单根光纤，提供上下行对称的1.25Gbps带宽，可以传输数据、语音和视频业务。EPON在单根光纤上采用波分复用技术，上下行数据流分别在不同的频段传输。

下行方向（从OLT到ONU），采用1490nm波长，OLT采用广播方式发送信号，将802.3格式的以太网帧数据流发送到各个ONU，ONU根据以太网帧帧头中的逻辑链路标识LLID选择性的接收相应信号。上行方向（从到OLT到ONU），采用1310nm波长，采用时分多址（TDMA）接入方式，把上行的时间分成时隙，根据ONU分配的带宽和业务的优先级，OLT给ONU的上行数据流分配不同的时隙发送信号，每个时间点上光纤上只传送一个ONU的上行数据流。通过OLT和ONU之间协商，避免了ONU上行数据流之间的冲突，不会造成数据丢失，增加了系统安全性。

OLT是EPON光纤网络主站处的终端，属于接入网的业务节点侧设备。OLT一般设置在中心机房内，与路由器相连，主要由业务接口与协议处理模块、光传输模块和后管理模块组合而成，可以管理其下的ONU终端设备。OLT是EPON系统的控制中心，提供EPON与其他系统的额数据业务接口，实现网络管理。在OLT上通过定义用户带宽参数来控制用户业务质量，通过编写访问控制列表来实现网络安全控制，通过读取MIB库获取系统状态以及用户状态信息等，还能提供有效的用户隔离。在下行方向，OLT提供面向ODN的光纤接口，在上行方向，OLT提供GE光/电接口。

ODN由无源光纤分支器和光纤构成，用来接OLT和ONU的无源设备，起到分发下行数据和集中上行数据的作用。无源分光器的部署相当灵活，由于是无源器件，几乎可以适应于所有的环境。一般无源光纤分支器的分光比有1：2、1：4、1：8、1：16、1：32、1：64等。分光器到OLT和ONU距离比为12：1，一般采用一级分光，最多不能超过二级分光。

ONU属于接入网的用户侧设备，负责用户数据的转发及选择性接收OLT转发的广播数据，为用户提供电话、数据通信、图像等业务接口。可以提供对用户的散出连接，每条中继线最多支持32次分路和64个ONU。ONU与用户连接可以使用电缆、光缆及双绞线。ONU采用以太网协议，在通信的过程中不需要再进行协议转换，可以实现ONU对用户数据的透明传送，从OLT到ONU之间采用加密协议保证用户数据的安全性。

在实际组网方案中，为了满足智能电网对可靠性的要求，EPON系统通常采用全光纤方式实现。光线路终端OLT安装在变电站内，设置两个PON口冗余，负责将EPON网络的数据信息汇总并接入SDH骨干网，光网络单元ONU安装在现场终端附近，并通过以太网接口连接现场终端，分光器可以根据实际情况灵活布置，如图3所示。

EPON技术实现电网接入时，采用OLT和ONU组网方式，在调控中心机房内安装大容量的OLT设备，在各个信息采集点布置ONU设备，OLT与ONU之间通过大量非均匀分光器进行连接。EPON系统利用点到多点结构的单纤双向光接入网络，实现单链及树状组网结构、环状组网结构及手拉手组网结构。

光缆是随着配电网电缆走向布放的，通信网络的结构应与电力配电网缆线结构相符合，根据目前常用的配电网络拓扑结构，EPON系统的组网结构可以选择相应的方案。

单电源辐射配电网在农村电网占主导地位，线路依靠单电源供电，主干线路一般要求分3～4段，供电半径约为3～5km。线路接线方式简单、建设投资金额较少。当线路或设备故障、检修时，用户停电范围大，电网的供电可靠性较差。EPON系统应选择单链及树状结构进行布置，ODN为多级联网络，为避免在线路故障时扩大影响范围，可以适当减少分光器级数，简化网络，提高供电可靠性。

环状配电网实质是两端供电的树型电网，适用于负荷容量稍小的用户。环形线路中部开环运行，任何一段线路故障或检修时，只需要经过短时间的停电切换后，即可恢复供电。EPON系统应选择环状组网结构进行布置。从同一个变电站的两个不同方向布置两条光缆，ONU具备双PON口，在任一点光缆中断时仍能保证正常通信。

手拉手环状配电网是城市电网供电的主要方式，线路依靠双电源供电，通过主干线路末端之间的直接联络，实行环网接线。线路开环运行，大大提高了供电可靠性。EPON系统应选择手拉手组网结构进行布置。为ONU设置双PON口对OLT设备的失效进行保护，ONU上行选择主用OLT，当主用OLT失效时，ONU倒换到备用OLT。

在光缆线路满足的条件下，EPON系统应采用手拉手保护方式，使各远端通信设备同时与两个变电站的局端通信设备进行连接。

在光缆线路不能满足手拉手保护组网方式时，EPON系统可采用双总线类环形保护方式。

当用户端站点相对比较集中时，EPON系统应采用主干光纤冗余保护方式，局端OLT设备的两个PON口分别接入分光器的输入侧。

当ONU设备具备2个PON口，它们分别接至从OLT两PON口出来的对应的分光器上时，EPON系统应采用全保护方式。

EPON系统网络拓扑能够与电力配电网环形、链形结构完全吻合，能够节省光纤，能够实现站点到配电终端之间的链路保护功能。EPON系统全程无源，不需要建设机房和电源设备，有效避免了电磁干扰和雷电影响，减少了线路的故障率和维护成本，提高了系统的可靠性。EPON系统完全能够满足智能电网坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的要求，是智能电网下电力通信接入的最佳选择。