EPON在智能配用电通信网中的组网研究

周 欣 ，朱 兰 ，吴 江 （.江西省电力公司信息通信中心，江西 南昌 330077；.烽火通信科技股份有限公司，湖北 武汉430073）

0 前言

2009年5月，国家电网公司首次提出了智能电网的概念。在《国家电网智能化规划总报告》中，我国首次提出了智能电网的发展目标。智能电网的构建需要大容量、高速实时、支持多业务灵活接入、具有自愈功能的“坚强”电力通信网络。电力通信网络采用分层的架构，主要由骨干核心层与接入层网络构成。

骨干核心层又可分为干线传输网及城域核心网，主要覆盖发电、输电、变电等环节。接入层网络是各地（市）供电公司骨干通信网的延伸，主要覆盖配电及用电环节。网络范围以各地（市）供电公司骨干通信网的相关变电站 （如220、110、35 kV变电站和10 kV开闭所）为通信接入点，同时向下逐渐覆盖到配电网开关站、配电室、环网柜、柱上开关、公用配电变压器、线路等以及网内专变变压器、工商业及居民用户表、智能交互终端、电动汽车充电站和分布式能源站点,最终将深入到用户家庭内的智能家电等相关设备。

1 配用电通信技术分析和比较

根据接入对象和业务等级的不同，智能电网通信网络接入层可分为配网和用网2个部分，分别用于实现配网自动化和用户信息采集。随着智能电网的建设，配网自动化和用户信息采集等旨在实现计量装置在线监测和用户负荷、电量、电压等重要信息的实时采集等系统显得越来越重要，因此，110、35 kV以下接入层通信网已经成为制约智能电网发展的瓶颈。

根据信道不同，目前配用电网主要采用的通信方式可以分为工业以太网、电力线载波（PLC）、无线专网（230 MHz/WiMAX/LTE/Mobitex）、 无 线 公 网 （GPRS/CDMA/3G）和微功率无线（Zigbee）等几种方式。工业以太网为有源设备，不具备抗多点失效性，扩容成本高，且缺乏统一的产品标准，无法整体应用。电力线载波传输速率低，噪声干扰大，信号衰减严重，不适于信号远距离传输。无线专网易受环境影响，信号不稳定，需单独申请频点，运营困难。无线公网受制于电信运营商，带宽较低，可靠性和实时性很差，不能广泛满足智能电网配电网通信要求。微功率无线通信中的Zigbee技术在用户信息采集系统中得到了试点应用。各种通信方式的比较如表1所示。

作为一种光接入技术，EPON为建设智能电网领域的全光通信网提供了重要技术手段。EPON具有无源特性，组网灵活，对于光缆的走向有很强的适应性，可以低成本地组成环形、星形或树形网络，天然地适应配用电网的分布式结构。另外，EPON通信系统设计之初预留光纤资源及光功率裕量，在主干光纤上采用非均分的无源分光器，保证将主要光功率留给下级扩容节点设备，对于配用电网监测节点数量巨大，采用EPON组建配电网自动化通信系统，能最大限度节省投资成本。因此，EPON成为配用电系统的主流通信方式，是建设坚强智能电网的必然选择。

2 配用电通信网络中EPON组网结构

在配用电通信网中，配网主站一般位于地（市）电网调度中心，配网子站一般为35 kV或者10 kV变电站，主站与子站间目前基本建有基于SDH/MSTP技术的光纤通信环网，各变电站基本建设有专用的通信机房，SDH设备位于机房内。由于配网通信终端（FTU/TTU/RTU）设备沿配网电力线路安装，数量多，覆盖范围大，因此，在配网用EPON系统的设计中，一般将OLT设备安装在变电站 （配网子站）的通信专用机房中，每个配网通信终端安装ONU设备，实现通信终端数据信号的集中汇接到变电站机房，再通过SDH网络汇集到配电主站。目前在配网范围内，光缆网络沿着电力杆路铺设，因此ODN网络的结构一般根据配电网的结构进行设计。配网电力线路的主要结构类型包括单电源辐射网、单环网、手拉手环网、双电源双T网等，因此，ODN网络的设计一般和配网电力线路的结构相同。

对于单电源辐射网结构，EPON网络可以设计为单链路结构。在这种网络结构下，由于光缆路由是单链路结构，没有冗余光缆路由，因此EPON系统不能提供网络保护功能。ODN网络采用多级光分路器级联的组网方式，可以实现在一根光纤上级联多个配网通信终端的能力，可以大大节省光纤的需求量。

对于单环网结构的配网网络，EPON网络可以设计为单环网结构。在此种网络结构条件下，由于电网杆路采用了环形结构，因此沿杆路铺设的光缆网络具备了环形结构，ODN网络可以设计为全线路保护方式，OLT设备采用1∶1保护的2个PON口，2条主干光纤分别沿环形结构的2个方向延伸，每个ONU配置2个上行PON口，实现主干线路和分支线路的全线路保护。在这种结构下，无论线路中任何一条光纤中断，网络都可以实现快速收敛，确保通信业务不受影响。系统具备了抗单点失效的冗余保护能力。此种结构要求OLT设备具备PON口的1∶1保护功能，要求ONU设备具备2个上行PON口。

由于配网环境复杂多变，在多数情况下，单电源辐射网络结构和单环网结构在同一配电网络中随机出现，因此对于EPON系统来说，大多数情况下是2种网络结构的复合组网。

表1 配用电通信系统各通信方式比较

而在手拉手环网和双电源双T网配网结构中，由于有2条母线分别从2个不同的变电站引出，因此对于光纤网络拓扑来说，EPON系统可以设计成手拉手双PON口保护结构。在这种结构中，由于2条母线分别位于2个不同的变电站，而OLT是沿变电站安装的，因此相互保护的2个PON口位于2台不同的OLT设备中，PON口倒换需要在2台OLT之间进行，这与传统的EPON网络保护结构完全不同。需要EPON系统采用全新的手拉手保护方案。手拉手保护方案不但可以实现环网结构中单节点失效保护，还可以实现OLT PON口或整个OLT失效时的网络保护，是一种性能非常好的保护方案。

3 智能配用电网络中的ODN设计方法

ODN由主干光纤、分光器和支路光纤组成，整个ONU网络为无源网络，传输OLT和ONU之间的光信号，ODN网络的设计就是要保证光信号的正常传送。

为了保证ODN网络正常传送信号，最需要做的就是对每个ONU侧的光功预算进行演算，确保ONU接收的光功率在ONU光接口的接收范围内。在此基础上，ODN网络可以灵活设计，可以采用均匀分光或者非均匀分光的分光器，组成一级分光、多级分光等星形、链形、树形网络结构，充分适配配网结构。由于配电网络的独特性和复杂性，电力专用EPON系统的ODN设计需要专门进行研究分析，主要需要研究的范围是非均分分光器网络的衰减计算方法，多级分光器级联设计方法，配网网络扩容时的ODN扩容设计思路和原则。

在配网自动化应用环境中，由于ONU的接入终端通常以链形、环形、环带链等方式组网，光缆网络也沿电力线路铺设，因此无法实现公众通信网络中集中分光的模式，必须采用多级分光的组网方案，典型的组网方式为以非均分分光比的1∶2分光器级联部署。

由于EPON系统存在光功率预算限制，在采用多级分光器级联的ODN网络中，为了尽可能实现更多的分光级数，需要把光功率更多地分配到下游级联分光器更多的光支路上，因此在电力EPON网络中，一般采用非均分的1∶2分光器组网，连接ONU的分支分配较少的光功率，而连接下级分光器的分支分配较多的光功率。由于每个分支下级联的分光器级数、光纤长度不同，还需要采用不同光功率分配比例的非均分分光器，因此在电力多级非均分ODN网络的设计中，为了提高分光级数，一条链路的分光级数和采用何种功率比例的非均分分光器必须经过精确的计算。

3.1 ODN光功率预算计算方法

目前EPON系统一般采用PX20光模块，其技术指标为：OLT发光功率+2~+7 dBm，接收灵敏度-24~-30 dBm；ONU发光功率-1~+4 dBm，接收灵敏度-24~-27 dBm，则下行方向最大光功率预算为26 dB，上行方向最大光功率预算为24 dB。

ODN光链路的总衰减为

光纤系统的衰减计算需要考虑以下几个部分。

a）光纤的衰减。在1 310 nm波长时可以按照0.36 dB/km来考虑；在1 490 nm波长时可以按照0.22 dB/km来考虑。

b）光纤接头衰减。光纤接头分为2种，对于活动接头（又称为法兰接头）可以按照0.5 dB/个来考虑；对于熔接固定接头，可以按照0.2 dB/个接头来考虑。

c）系统富裕度。由于要考虑环境对光纤衰减的影响和光纤自身老化的影响，光纤富裕度一般可以考虑为3 dB。

均分分光器和非均分分光器（1∶2）的典型衰减分别如表2和表3所示。

表2 均分分光器的典型衰耗

表3 非均分分光器的典型衰耗

在进行多级非均分ODN网络的设计时，通常按照分光级数最大的分支来计算系统最大的分光级数，但是在设计采用何种光功率分配比例的非均分分光器时，需要对每个分支进行分别计算，多次计算后取最佳的方案。

下面以图1所示的多级分光案例为例，进行光功率计算演示。

OLT到ONU的下行方向光功率衰减为：

图1 多级分光案例

系 统 衰 减 =（0.967+1.563+0.481+1.516+1.819+1.031+2.881+0.474+0.707）×0.22=2.52（dB），法兰接头衰减=18×0.5=9（dB）（每个站点 2 个法兰盘），光分路器插入损耗=9×0.9=8.1（dB）（使用 1∶9 分光器），光缆熔接点损耗=9×0.2=1.8（dB），线路总衰耗=2.52+9+8.1+1.8=21.42（dB）。

ONU到OLT的上行方向光功率衰减为：

光 缆 衰 减 =（0.967+1.563+0.481+1.516+1.819+1.031+2.881+0.474+0.707）×0.36=4.12（dB），法兰接头衰减=18×0.5=9（dB）（每个站点 2 个法兰盘），光分路器插入损耗=9×0.9=8.1（dB）（使用 1∶9 分光器），光缆熔接点损耗=9×0.2=1.8（dB），线路总衰耗=4.12+9+8.1+1.8=23.02（dB）。

根据以上计算结果，下行方向光功率预算满足设计要求（考虑3 dB设计余量），上行方向光功率不满足设计要求（考虑3 dB设计余量），因此减少分光级数或者采用5∶95分光器来进行设计。

3.2 分光器级联设计方法

由于配电网络多为链形、环形网络，因此ODN一般设计为多级级联网络，但是如果级联数量太多，每个分光器接入的光纤接头数量较多导致插入损耗增大，浪费光功率，还会使在发生线路故障时，受影响的范围扩大。因此，在ODN设计时，在纤芯允许的条件下，可适当减少分光器级数，简化网络，这样不但可以获得比较好的系统光功率设计指标，还可以提高ODN网络的可靠性，同时也为今后站点的扩容预留足够的光功率。如图2和图3所示，在有8个ONU需要接入的环境下，既可以采用1个PON口，8级分光器级联的方案，出可以采用2个PON口，2个4级分光器级联的方案。

方案1采用8级非均分分光级联，只占用1芯主干光纤。光功率预算将非常紧张，即使目前满足要求，未来扩容的余地已经不大。

方案2将8级级联ODN网络改造为2个4级级联ODN网络，虽然主干光纤增加了1芯，但光功率预算将非常充裕，未来扩容的余地非常大。

因此，在进行多级级联ODN网络设计时，尽量采用少的多级级联级数是基本的设计原则之一。

3.3 分光器预留扩容设计方法

由于我国处于城市化快速发展的过程中，各地均在进行大规模的小区建设，配电网络根据城市的发展也需不断发展扩容，因此通常在ODN网络规划时，要参考未来2~3年电网建设的规划，提前考虑未来配电网对通信系统的需求，在设计时考虑足够的富裕度。下面以图4所示案例进行说明。如果未来2~3年在A、B、C 3点均需要扩容，那么在进行ODN网络设计时，需要在A、B、C 3点预留足够的光功率预算。在初期进行ODN网络设计时，考虑每个点今后的扩容需要，预留足够的光功率预算，如果预算不足，则可能需要将1个多级级联网络分裂为多个多级级联网络，通过增加主干纤芯的方法提高ODN系统的设计余量。

图2 分光器级联设计方案1

图3 分光器级联设计方案2

图4 多级分光扩容设计方法

4 结束语

鉴于EPON在智能配用电通信网络中的种种优势，江西电力将在十二五期间采用EPON进行规模网络建设。随着智能电网建设的深入进行，未来EPON ONU将会内置到智能电表中，并随着智能电表的改造，将EPON系统延伸到千家万户，从而实现光纤到户。在此基础上，电力公司未来可开展基于光纤到户的各类增值服务的运营，如智能家电、智能家居、宽带上网等业务均可以依托这一网络实现。因此，采用EPON进行智能配用电网络建设将有广阔的应用前景，并在不远的将来对大众生活方式带来巨大的改变。