无源光网络技术在智能配电通信接入网的可行性分析
作者：未知 如您是作者，请告知我们
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【摘要】电力光网络通信是智能电网基础设施的基础，建设满足配用电业务通信需求的电力光网络通信接入网络，是实现智能电网的重要先决条件。无源光网络技术作为目前在电力通信中被广泛认可并应用的接入网技术。本文从智能电网中配用电通信需求出发，结合无源光网络技术的特点，从组网结构、链路保护和抗单/多点失效、带宽要求和网络扩容四方面详细分析了无源光网络技术应用于智能电网配电通信接入网的可行性。分析结果表明，基于无源网络的EPON技术目前是配网通信系统中，配电子站到自动化终端这个层面光纤通信方式的最佳选择。
【关键词】光网络通信；组网结构；EPOM网络；接入网技术
中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）01-0078-03
Feasibility Analysis of Passive Optical Network Technology in Intelligent Distribution Communication Access Network
WAN Wentao1，XIONG Songsong2
（1. Hefei NO.6 High School，Hefei 230061，China；2.Jinan University，Guangzhou 510632，China）
Abstract：Power optical network communication is the foundation of smart grid infrastructure，and building power optical network access network to meet the demand of power distribution business communication is an important prerequisite for smart grid implementation.Passive optical network（passive optical network）technology is widely accepted and applied in power communication.This article from the smart grid with electric communication needs，combined with the characteristics of passive optical network technology，the network structure，link protection and anti single / four multi point failure，bandwidth requirements and detailed analysis of the feasibility of the application of network passive optical network technology in intelligent power distribution communication access network.The analysis results show that EPON technology based on passive network is currently the best choice for optical fiber communication mode in distribution network communication system，from electronic distribution station to automatic terminal.
Keywords：optical network communication；networking structure；EPOM network；access network technology
0 引 言
智能電网包含智能输电网和智能配电网两部分。其中智能配电网是最为重要基础和关键部分，其负责电网内部的信息交互，优化及整合电力系统网络内的全部运维和生产信息，通过加强监控、诊断和处理动态的电网实时业务，为配电网的管理和维护人员提供全面、完善和准确的运维信息，提供辅助决策支撑，最大程度地实现智能电网智能化管理和运营。电力光网络作为智能电网的基础网络，其建设需满足配用电业务通信需求的电力光网络通信接入网络，是实现智能电网的重要先决条件[1-5]。
如何建设符合配电网运行特点的光网络通信系统成为当前的难点。目前，配用电网对光网络通信系统主要有几点要求：（1）光网络通信系统组网方式，需要网络拓扑清晰，与现有配电网络兼容性强；（2）通信安全，且高度可靠，并能提供保护机制；（3）光网络的通信速率、带宽不仅能满足当前需求，且能为将来的扩容提供冗余；（4）网络扩容性强，节省资源，避免重复建设，浪费资源。
1 组网结构分析
在电力配电网通信网络中，常用的组网结构有：单电源辐射网结构、“手拉手”环网结构和双电源双T网三种结构，其拓扑结构如图1-3所示。
如图1所示，单电源辐射网作为配电网的一种简易网络，其覆盖的有效区域约为3km-5km，网络铺设投资少且运行简单，因此通常应用于用户数量少、业务量低的偏远地区。图2中的“手拉手”环网因其具有高可靠的接线结构，采用各末端间与主干网络之前的通信，从而完成开环运行和环网接线，此网络结构目前被广泛的应用于城镇配电网中。而双电源双T网络，如图3所示，其是另一种高可靠性的接线方式，此结构除拥有T形结构的优点外，还可采用灵活的运行方式，备份低压和变压器系统，从而节约电缆长度，降低造价。以上配电网的网络结构同样也是EPON通信线路常见的组网拓扑结构，如图4-6所示。
如图4所示，EPON链型单电源组网结构，光纤路终端（OLT）通过多一个PON口级联多个光分路器，且将其步放在配电子站处，且OLT的通信半径范围可达20km左右，由于单电源辐射网结构其工作半径为3km-5km因此，该结构可完全满足配电网的需求；从图5所示的拓扑结构可知，在全链路保护-手拉手环网中，OLT设备配置在两个配电子站点，采用分光器实现双向级联延伸，在上行通信链路中，ONU通过双向PON口实现1+1的链路冗余保护，保证环网监测的安全运行，此拓扑结构可完全的匹配配电网中“手拉手环网”结构；最后图6中所示的“EPON全链路保护-双电源双T网”，其采用双T型光缆结构组网，将OLT设备步放在A、B两个配网子站点，相比“手拉手”组网模式，其OLT的光方向基本同向且OLT的安放位置也类似。通过分析三类组网结构可知，无源光网络EPON可根据实际配电网的电缆组网结构分别采用“点-线-环”的灵活组网方式，以适应配电网的组网结构，实现配电网子站到配变终端的配电通信需求。
2 EPON组网结构的链路保护和抗失效性分析
配电网的网络保护能力是配电通信网络的稳定运行的基本要求，且至关重要。在配电网中，由于网络中存在大量的节点，假如其不具备抗单点和多点设备的失效性功能，此网络就存在非常高安全隐患，一旦通信链路中的一个或多个设备故障，可导致整个网络的瘫痪。
因此无源光网络EPON组网结构需具备高效的链路保护和抗失效性。在EPON系统中，由于其单个的ONU设备均通过无源光分路器（Passive Optical Spliter，POS），采用并联方式进行组网，当OLT的光信号通过点到多点的方式传送到单个ONU时，每个ONU设备均采用分光器建立ONU到OLT的数据信道，因此当配电网中假如出现单点或多点的设备故障时，均不会对其它ONU设备的正常运行，上述的结构如图7所示。
根据分析可知，配电网子站的OLT通过干路链路光纤下挂多套ONU设备，在每个ONU设备中均配備了监测通信端设备FTU，即使一旦通信网络中ONU2设备的PON光口损害，或ONU1设备的光纤中断故障，光链路的其它设备（ONU3、ONU4、ONU5、ONU6、ONU7）仍然可与配电网子站正常通信。
有图7可得，9个拥有双光接口的ONU设备，通过OLT的2个PON口沿东、西两个方向依次连接9套OUN设备，该结构可实现ONU设备与OLT设备间的1+1模式的链路保护。如图中所示，当设备ONU1和ONU2分贝出现光口故障和分支光纤链路中断时，完全不影响ONU4和ONU5设备同其它ONU设备的通信。综上所述，EPON设备组成的网络在链路保护和抗失效性方面有着明显的优越性。
3 带宽要求分析
由于配电通信网中其终端节点数量众多，一个中等规模的配电子站，其节点数量可高达约一千个，此外，由于各节点还存在通信距离较短、分布位置散、实时性高和节点通信量小的特点，因此配电网的终端通信速率一般可按表1来配置。
针对配电网的以上特点，EPOM网络可采用上、下为1.25Gbps对称的通信速率，并根据需求将通信带宽扩容至10Gbps。
从表1可知，EPON系统提供的接入带宽可完全满足配电网的带宽需求。在接口选择上，通过对不同的ONU端口在以太网口、语音接口做改造，增加RS232/485口，并通过设置不同端口的配置参数，可保障配电网设备与通信设备的无缝连接。
4 网络扩容分析
如图8所示，以EPON组网技术的光无源网络能够根据配电网中后期开闭所、环网柜等方式，提供不同的扩容形式和灵活的网络拓扑结构，EPON组网方式，由于其下游的节点设通过干线缆与OLT设备相连，无论下游节点增加节点的数目多少，均可实现单个ONU设备可独立运行工作，其不受其它ONU设备损坏而影响其征程工作，另外，由于后续增加的ONU设备其与链路的连接只需靠更换分光器，在增加额外ONU时，只需要拔插对应的馈线即可。
且所增加的ONU单元成本远低于交换机和MSTP设备的价格。因此，EPON组网技术，即使在配电网后期开闭所、环网柜、箱变等节点数量的不断更改或扩容情况下，都可根据实际节点数量的变化，灵活的调整网络结构以适应配电网需求。
5 结 论
本文从组网结构、链路保护和抗单/多点失效、带宽要求、和网络扩容四方面对EPON网络应用于配电通信网络的可行性分析，分析结果表明EPON网络因其拓扑结构清晰、组网方式灵活、高可靠性高失效性，可保证电力配电网的稳定运行，此外其还可提供大宽带容量和低成本的网络扩容特点，因此其可作为最优的光网络接入方案，被广泛的应用于智能配电通信接入网中。
参考文献：
[1] 于晓东，于昉.无源光网络技术在配用电通信网中的应用 [J].电力系统通信，2010（5）.
[2] 郝晓伟，郭丽.以太网无源光网络技术在智能配用电通信网中的应用 [J].山西电力，2014（4）.
[3] 刘丽榕.智能配用电网通信方式研究 [D].华北电力大学，2011.
[4] 孙圆圆.无源光网络技术在配、用电通信网中的组网研究 [J].宁夏电力，2013（3）.
[5] 钟浩.配用电通信网中无源光网技术的有效应用 [J].信息通信，2015（10）.
作者简介：万文涛（2000.03-），男，安徽合肥人。研究方向：光网络通信；熊松松（1984.12-），男，江西九江人，博士，暨南大学电子信息工程系。研究方向：光网络通信。
【关键词】光网络通信；组网结构；EPOM网络；接入网技术
中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）01-0078-03
Feasibility Analysis of Passive Optical Network Technology in Intelligent Distribution Communication Access Network
WAN Wentao1，XIONG Songsong2
（1. Hefei NO.6 High School，Hefei 230061，China；2.Jinan University，Guangzhou 510632，China）
Abstract：Power optical network communication is the foundation of smart grid infrastructure，and building power optical network access network to meet the demand of power distribution business communication is an important prerequisite for smart grid implementation.Passive optical network（passive optical network）technology is widely accepted and applied in power communication.This article from the smart grid with electric communication needs，combined with the characteristics of passive optical network technology，the network structure，link protection and anti single / four multi point failure，bandwidth requirements and detailed analysis of the feasibility of the application of network passive optical network technology in intelligent power distribution communication access network.The analysis results show that EPON technology based on passive network is currently the best choice for optical fiber communication mode in distribution network communication system，from electronic distribution station to automatic terminal.
Keywords：optical network communication；networking structure；EPOM network；access network technology
0 引 言
智能電网包含智能输电网和智能配电网两部分。其中智能配电网是最为重要基础和关键部分，其负责电网内部的信息交互，优化及整合电力系统网络内的全部运维和生产信息，通过加强监控、诊断和处理动态的电网实时业务，为配电网的管理和维护人员提供全面、完善和准确的运维信息，提供辅助决策支撑，最大程度地实现智能电网智能化管理和运营。电力光网络作为智能电网的基础网络，其建设需满足配用电业务通信需求的电力光网络通信接入网络，是实现智能电网的重要先决条件[1-5]。
如何建设符合配电网运行特点的光网络通信系统成为当前的难点。目前，配用电网对光网络通信系统主要有几点要求：（1）光网络通信系统组网方式，需要网络拓扑清晰，与现有配电网络兼容性强；（2）通信安全，且高度可靠，并能提供保护机制；（3）光网络的通信速率、带宽不仅能满足当前需求，且能为将来的扩容提供冗余；（4）网络扩容性强，节省资源，避免重复建设，浪费资源。
1 组网结构分析
在电力配电网通信网络中，常用的组网结构有：单电源辐射网结构、“手拉手”环网结构和双电源双T网三种结构，其拓扑结构如图1-3所示。
如图1所示，单电源辐射网作为配电网的一种简易网络，其覆盖的有效区域约为3km-5km，网络铺设投资少且运行简单，因此通常应用于用户数量少、业务量低的偏远地区。图2中的“手拉手”环网因其具有高可靠的接线结构，采用各末端间与主干网络之前的通信，从而完成开环运行和环网接线，此网络结构目前被广泛的应用于城镇配电网中。而双电源双T网络，如图3所示，其是另一种高可靠性的接线方式，此结构除拥有T形结构的优点外，还可采用灵活的运行方式，备份低压和变压器系统，从而节约电缆长度，降低造价。以上配电网的网络结构同样也是EPON通信线路常见的组网拓扑结构，如图4-6所示。
如图4所示，EPON链型单电源组网结构，光纤路终端（OLT）通过多一个PON口级联多个光分路器，且将其步放在配电子站处，且OLT的通信半径范围可达20km左右，由于单电源辐射网结构其工作半径为3km-5km因此，该结构可完全满足配电网的需求；从图5所示的拓扑结构可知，在全链路保护-手拉手环网中，OLT设备配置在两个配电子站点，采用分光器实现双向级联延伸，在上行通信链路中，ONU通过双向PON口实现1+1的链路冗余保护，保证环网监测的安全运行，此拓扑结构可完全的匹配配电网中“手拉手环网”结构；最后图6中所示的“EPON全链路保护-双电源双T网”，其采用双T型光缆结构组网，将OLT设备步放在A、B两个配网子站点，相比“手拉手”组网模式，其OLT的光方向基本同向且OLT的安放位置也类似。通过分析三类组网结构可知，无源光网络EPON可根据实际配电网的电缆组网结构分别采用“点-线-环”的灵活组网方式，以适应配电网的组网结构，实现配电网子站到配变终端的配电通信需求。
2 EPON组网结构的链路保护和抗失效性分析
配电网的网络保护能力是配电通信网络的稳定运行的基本要求，且至关重要。在配电网中，由于网络中存在大量的节点，假如其不具备抗单点和多点设备的失效性功能，此网络就存在非常高安全隐患，一旦通信链路中的一个或多个设备故障，可导致整个网络的瘫痪。
因此无源光网络EPON组网结构需具备高效的链路保护和抗失效性。在EPON系统中，由于其单个的ONU设备均通过无源光分路器（Passive Optical Spliter，POS），采用并联方式进行组网，当OLT的光信号通过点到多点的方式传送到单个ONU时，每个ONU设备均采用分光器建立ONU到OLT的数据信道，因此当配电网中假如出现单点或多点的设备故障时，均不会对其它ONU设备的正常运行，上述的结构如图7所示。
根据分析可知，配电网子站的OLT通过干路链路光纤下挂多套ONU设备，在每个ONU设备中均配備了监测通信端设备FTU，即使一旦通信网络中ONU2设备的PON光口损害，或ONU1设备的光纤中断故障，光链路的其它设备（ONU3、ONU4、ONU5、ONU6、ONU7）仍然可与配电网子站正常通信。
有图7可得，9个拥有双光接口的ONU设备，通过OLT的2个PON口沿东、西两个方向依次连接9套OUN设备，该结构可实现ONU设备与OLT设备间的1+1模式的链路保护。如图中所示，当设备ONU1和ONU2分贝出现光口故障和分支光纤链路中断时，完全不影响ONU4和ONU5设备同其它ONU设备的通信。综上所述，EPON设备组成的网络在链路保护和抗失效性方面有着明显的优越性。
3 带宽要求分析
由于配电通信网中其终端节点数量众多，一个中等规模的配电子站，其节点数量可高达约一千个，此外，由于各节点还存在通信距离较短、分布位置散、实时性高和节点通信量小的特点，因此配电网的终端通信速率一般可按表1来配置。
针对配电网的以上特点，EPOM网络可采用上、下为1.25Gbps对称的通信速率，并根据需求将通信带宽扩容至10Gbps。
从表1可知，EPON系统提供的接入带宽可完全满足配电网的带宽需求。在接口选择上，通过对不同的ONU端口在以太网口、语音接口做改造，增加RS232/485口，并通过设置不同端口的配置参数，可保障配电网设备与通信设备的无缝连接。
4 网络扩容分析
如图8所示，以EPON组网技术的光无源网络能够根据配电网中后期开闭所、环网柜等方式，提供不同的扩容形式和灵活的网络拓扑结构，EPON组网方式，由于其下游的节点设通过干线缆与OLT设备相连，无论下游节点增加节点的数目多少，均可实现单个ONU设备可独立运行工作，其不受其它ONU设备损坏而影响其征程工作，另外，由于后续增加的ONU设备其与链路的连接只需靠更换分光器，在增加额外ONU时，只需要拔插对应的馈线即可。
且所增加的ONU单元成本远低于交换机和MSTP设备的价格。因此，EPON组网技术，即使在配电网后期开闭所、环网柜、箱变等节点数量的不断更改或扩容情况下，都可根据实际节点数量的变化，灵活的调整网络结构以适应配电网需求。
5 结 论
本文从组网结构、链路保护和抗单/多点失效、带宽要求、和网络扩容四方面对EPON网络应用于配电通信网络的可行性分析，分析结果表明EPON网络因其拓扑结构清晰、组网方式灵活、高可靠性高失效性，可保证电力配电网的稳定运行，此外其还可提供大宽带容量和低成本的网络扩容特点，因此其可作为最优的光网络接入方案，被广泛的应用于智能配电通信接入网中。
参考文献：
[1] 于晓东，于昉.无源光网络技术在配用电通信网中的应用 [J].电力系统通信，2010（5）.
[2] 郝晓伟，郭丽.以太网无源光网络技术在智能配用电通信网中的应用 [J].山西电力，2014（4）.
[3] 刘丽榕.智能配用电网通信方式研究 [D].华北电力大学，2011.
[4] 孙圆圆.无源光网络技术在配、用电通信网中的组网研究 [J].宁夏电力，2013（3）.
[5] 钟浩.配用电通信网中无源光网技术的有效应用 [J].信息通信，2015（10）.
作者简介：万文涛（2000.03-），男，安徽合肥人。研究方向：光网络通信；熊松松（1984.12-），男，江西九江人，博士，暨南大学电子信息工程系。研究方向：光网络通信。