无源光网络技术在配电自动化系统的技术发展

　　一、前言
　　通信系统是配电自动化系统的重要组成部分，其性能与可靠性的好坏，对系统整体功能的实现及运行可靠性有着决定性的影响。事实上，许多建成的配电网自动化系统不能很好的发挥作用的主要原因就是通信系统的建设不够完备。
　　电力系统通信这些年取得了长足的发展，逐步建成了以光纤传输为基础的全国最大的行业专用的光纤传输网络。通过交换网包括电话网、IP网、视频网等，和各种业务平台相连接，支撑了电力的生产业务、办公自动化业务、营销自动化业务等。通信部门为各个不同的电力业务部门提供通信通道。
　　作为电网的接入网（电网和用户连接的这一部分）即配电网，还太薄弱，缺乏大容量、双向、实时的通信接入网的支持。没有实现光纤覆盖，电力通信中急需解决的问题，首先是配电通信网的建设问题。
　　二、通信技术的发展
　　通信系统是建设配电自动化系统的关键技术，通信系统的好坏从很大程度上决定了自动化系统的优劣。随着通信技术的不断发展，目前可供使用、选择的通信方式多种多样，按照传统的分类方法，可简单地分为有线方式和无线方式。光纤通信接入技术又可分为两大类：有源光网络（AON，Active Optical Network）和无源光网络（PON，Passive OpticM Network）。PON是一种纯介质网络.由于它取消了局端与客户端之间的有源设备。因而能避免外部设备的电磁干扰和雷电影响。减少线路的故障率，提高系统的可靠性，是配电通信方式的理想选择。
　　三、无源光网络的技术原理及种类
　　PON即无源光网络，Passive Optical Network的缩写，一种采用点到多点（P2MP）结构的单纤双向光接入网络，其典型拓扑结构为树型无源光分路器可以是一级分光或者多级分光。
　　PON系统由网络侧的光线路终端（OLT）、用户侧的光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）组成，网络结构非常简单，其技术上的复杂性主要在于信号处理技术。在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号通过一个1：n的无源光分路器（或几个分路器的级联）广播到达各个ONU，各ONU需要从中取出发给自己的数据。在上行方向（ONU到OLT），一个ONU发送的信号只会到达OLT，而不会到达其他ONU。由于各ONU共享一根干路光纤（多点发送，单点接收），为了避免数据冲突并提高网络利用效率，就必须采用TDM（时分复用）多址接入协议，实现多用户对共享传输通道的访问。
　　PON的原理如下图所示。下行方向，发送给各个ONU的数据进行时分复用（TDM），承载在下行波长上（一般采用1490nm），连续的光信号广播到每个ONU上，ONU根据一定的标识，选取自己所需的数据。上行方向，OLT通过多点控制协议（MPCP）控制每个ONU在指定的时间起始点发送指定时间长度的数据，这就是时分多址接入（TDMA）协议。通过TMDA，使多个ONU能够共享上行波长（一般为1310nm）的带宽。
　　光线路终端OLT设备向网络侧提供数据、视频和电话等业务接口，并经ODN与ONU通信。光网络单元ONU设备位于用户侧，为用户提供数据、视频和电话等业务接口。光分配网络ODN为OLT与ONU之间提供光传输通道，其主要功能是完成光信号功率的分配。光分配网络为点到多点结构，按照其连接方式不同主要可分为星型、树型、总线型和环型结构。ODN的组成分为光纤光缆、无源光分路器（POS）、光连接器、光衰减器、ODF、光缆交接箱、分支接头盒、分纤盒、用户智能终端盒等。
　　早在1998年，ITU-T就正式推出了业界第一个宽带PON标准———G.983.1，这个标准基本定义了基于ATM的PON框架（现已更名为BPON）。此后，经过不断地增补、修订，已经发展成为一个非常完善的系列标准。
　　BPON是现有各种宽带PON技术的基础，后继发展起来的其他PON技术都直接或间接引用了BPON系列标准中的大量内容。但是由于ATM技术在网络中的部署并不如最初想象的那样顺利，业界推出的BPON产品也始终没有得到广泛应用。2000年，IEEE成立了第一英里以太网工作组（EFM，802.3ah），并在其开发的技术标准中包含了基于以太网的PON规范，这就是我们所熟悉的EPON标准。
　　EPON将以太网的廉价和PON的结构特性融于一体，使其在尚未推出正式标准的时候就得到了业界的广泛认同。相对于传统的BPON，EPON的封装更加简单高效，速率也提升到了1Gb/s；相对于常规的P2P以太网，EPON增强了其OAM方面的特性，从理论上说，EPON的设备成本和维护成本也将大幅低于P2P的光纤以太网（详见下一部分的论述）。业界很早就推出了EPON产品，但早期的产品均无成熟的标准可参照，甚至有些厂家推出的EPON产品仅有100Mb/s的线路速率，因而一些人将具有千兆速率的EPON产品宣称为GEPON。
　　2003年，ITU-T推出了一种新的PON技术规范———GPON。GPON名称中的字母“G”至少包含了二层含义：首先，GPON技术能够提供最高2.5Gb/s的接入能力，是当前最高速率的PON；其次，GPON采用了一种全新的封装技术———GEM（GPON Encapsulation Method）。GEM的主要思想来自于GFP（通用成帧规程，G.7041），是一种能够高效封装各种上层数据的封装技术。通过GEM，GPON获得了更高的封装效率和更加理想的QoS保障能力。另外，GPON也可以采用ATM进行封装。
　　四、PON技术在配电自动化通信系统中的应用
　　根据国网公司《配电自动化系统技术导则》中的相关要求，以“标准先行、统一规划、因地制宜”为原则，结合配网自动化应用需求，采用以电力无源光网络（PON）为接入层主要通信方式的建设方案，同时构建配电一体化通信平台实现对系统有效的监控与管理，确保通信通道安全、可靠、稳定运行。
　PON技术组网，改变传统的ONU单上行无保护的网络结构，使用专为电力配网设计的支持双PON口上行的ONU，组成拓扑为“手拉手”类环形结构的全保护网络，以满足配电自动化系统对通信系统的安全性、实时性和可靠性要求。配电线路、环网站及柱上开关实现信息上传。组网拓扑示意如下：
　　如图2所示，组网包括通信子站OLT及终端ONU设备，主站汇聚交换机、网管及相应分光器，可采用EPON系统，并支持向GPON系统及10G G/EPON扩展。
　　（1）子站通信层：OLT安装于110kV变电子站处；上行可以接入目前电力通信网已有的MSTP传输网中，当某节点链路故 障，设备快速完成设备上行链路的切换，OLT提供GE接口上行。本次项目中，110kV变电所及宁波局位于该层中。各点通过接入MSTP网络实现业务保护。（2）接入网通信层：接入通信层主要有ODN和ONU两部分通信设备组成，ODN和ONU安装于开闭所、环网柜和柱上开关等处。ODN根据技术要求选择1：2不等比分光器，每站点放置两个；对于ONU，主要负责对FTU/RTU/TTU等监控数据的采集，ONU上行需要提供两个PON端口，某端口故障后，快速切换到备用端口上；下行提供足够的业务接口。所有ONU设备采取手拉手保护组网。使得主用光纤的主干光纤和分支光纤断开的情况下仍然能通过备用光纤通道进行通信，有效的保护了网络中的数据安全性。OLT设备支持电信级的可靠性，主控、电源等全部1+1保护。OLT支持48个PON口，6个业务插槽满足今后几年扩容升级需求。网管功能丰富，具备符合电信级标准的中文图形化网络管理系统，支持北向接口、还支持在线操作能力、业务下放能力、ONU注册识别能力、安全管理、业务管理、签权认证能力。网管不仅支持对OLT、ONU的管理，还支持对汇聚交换机的统一管理。
　　五、小结
　　电力通信网需要能延伸到电网末端配电网，智能电网的数据获取、保护和控制业务都需要有效的双向高速通信网络加以支撑，配电通信系统是实现配电自动化的关键之一，配电通信系统以满足配电网通信需求为核心，建成技术先进、实用性好，网络结构合理、可靠性高，覆盖范围广、接入灵活、自愈能力强、综合效能高的开放网络架构，通用通信标准，保证配电网的可靠、保密、安全、经济、高效运行。本文通过以上的阐述，为智能电网配电通信系统建设贡献出自己的一点经验。
　　参考文献
　　[1]阎德升等. EPON：新一代宽带光接入技术与应用.机械工业出版社，2007.
　　[2]格伦·克雷默、陈雪、孙曙和、刘冬.基于以太网的无源光网络.北京邮电大学，2007.