基于EPON的智能风电场通信解决方案

刘 兵，马风茹

（①河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031；②华北电网有限公司北京超高压公司，北京 100053）

0 引言

随着智能电网和风电信息化建设的快速发展，风电场场内各种信息实时采集显得越来越重要，而风电场场内通信的接入网络已经成为制约智能风电场信息化建设的发展瓶颈。

目前，风电场场内通信技术主要有工业以太网组网技术和无线技术，其中无线技术又分为无线专网和无线公网[1]。工业以太网组网为有源设备，不具备抗单、多点失效功能，扩容成本高，安装维护工作量大。无线专网易受气候、地形影响，稳定性较差，且频点资源难以节约，运营维护困难；无线公网受制于电信运营商，网络的安全性，稳定性、实时性都无法得到保证。

EPON[2-4]作为一种稳定、成熟、性价比高的通信接入技术，具有无源特性，组网灵活，对于光缆线路的走向有很强的适应性，可以低成本的组成链型、星型或树型网络，十分适合风电场内集电线路的分布式结构。

1 智能风电场EPON组网结构及优势分析

智能风电场 EPON系统主要由光纤线路终端（OLT，Optical line Terminal）站端设备、光网络单元（ONU，Optical network unit）风机侧设备、无源光纤分配器（POS，passive Optical splitter）分光器组成。

OLT放在风电场升压站通信机房，它是整个EPON系统的核心部件，提供EPON系统与数据、视频和语音网络之间的接口。OLT通过POS与各个ONU相连，在下行方向，它提供面向无源光纤网络的光纤接口；在上行方向，它提供了千兆以太网高速接口[5]。

POS是一个连接OLT和ONU的无源光纤分支器，其功能是分发下行数据和集中上行数据[6]；POS布署灵活，能进行多级连接，几乎可以适应于所有环境。

ONU放在风机侧，用于终结光纤链路，提供风机侧各种数据、视频和语音网络与EPON之间的接口，其作用是接收光路信号，并将其转换成系统所需的格式；在中、高带宽的ONU中实现了成本低廉的以太网第二层交换甚至是第三层路由功能，这种类型的ONU可以通过堆叠来为多个最终用户提供很高的共享带宽[7]。

EPON的技术优势主要表现如下：

1）采用“单纤双向”技术，吻合了风电场集电线路树型或链型物理结构；线路只需要一条光纤芯，通过高可靠性、低故障率的无源分光设备 POS，可以辐射多路光信号；ONU具有丰富的接口类型，能够满足风机各种信息的传输，节约了大量的光电转化装置，降低了工程造价。

2) EPON技术能提供上下行对称的 1.25 Gb/s的带宽，而随着以太网数据传输技术的不断发展，EPON技术的带宽还可以升级到 10 Gb/s[8]，能够满足风电场场内不断增长的业务带宽需求，无需再考虑增加光纤芯。

3）EP0N技术可实现不同业务类型的通道隔离，并采用DBA（动态带宽分配）技术和自动注册方式，动态调整带宽分配，实现节点设备的即插即用。

4）各个ONU与局端OLT设备之间是并联通信关系，任何一个ONU或多个ONU故障，不会影响其他ONU及整个通信系统的稳定运行，并且基于EPON的通信数据都可以经过高强度数据加密，保证数据的安全。

5）EPON技术不需要使用有源电子器件，网络组件数量少，铺设比较简单且出现网络故障的概率极小，这就使得EPON网络基本上不需要进行维护，长期运营成本和管理成本的节省很大[9]。

2 智能风电场EPON系统网络设计

在风电场场内集电线路环境中，光缆网络沿集电线路架设，通常以链型、树型等方式组网，因此EPON系统网络设计为单链路结构。在这种网络结构下，光缆路由是单链路结构，不能提供网络保护功能且必须采用多级光分器级联的组网方式，实现在一条光纤芯上级联多个风机侧通信终端的能力，大大节省了光纤芯的需求量。

EPON系统设计就是要确保网络正常传送光信号，这就需对每个ONU设备的光功率进行计算，保证ONU设备接收的光功率在其光接口接收范围内；在此基础上，网络应采用非均匀分光的分光器，组成一级分光、多级分光等链型、树型网络结构，充分适用风电场场内集电线路结构。由于风电场场内集电线路结构的特殊性，网络系统设计需要进行专门的研究分析，主要包括非均分分光器的衰减计算，多级分光器的级联设计，网络扩容的设计方法。

2.1 非均分分光器的衰减计算

在EPON网络系统中，一般OLT站端设备和ONU风机侧设备的技术指标分别为：OLT发光功率2～7 dBm，OLT接收灵敏度-24～30 dBm，ONU发光功率-1～4 dBm，ONU接收灵敏度-24～27 dBm，因此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。

分光器链路总衰减为：光纤链路衰耗=n段光纤衰减+m个活动连接器损耗+L个光缆接头熔接损耗+h个分光器插损+富裕度。

具体分光器链路衰减计算需要考虑以下几个图表参数。

参照表1、表2、表3和表4的参数设计，在进行多级非均分网络设计时，通过对每个分支进行分别的、多次的计算，确定分光级数、光功率分配比例及分光器种类，以获得最佳的系统设计方案。

表1 光缆接续衰耗

表2 系统富裕度

表3 均分分光器典型衰耗

表4 非均分分光器（1∶2）典型衰耗

以图1所示的风电场内1条集电线路为例，站内配置1套OLT站端设备，每一台风机配置1套ONU设备，进行多级分光级联并演示光功率计算。

图1 多级分光案例

参数选取参照表1、表2、表3和表4，OLT到ONU的下行方向光功率衰减为：光纤衰减=光纤总长度×0.21=10.856×0.21= 2.28 (dB)，活动连接器衰减12×2×O.5=12(dB)(每个站点2个活动连接器)，光分路器插入损耗=12×0.6=7.2(dB)(使用10：90分光器)，光缆接头熔接损耗=光纤衰减=10.856×0.03=0.33(dB),线路总衰耗=2.28+12+7.2+0.33 =21.81(dB)

ONU到OLT的上行方向光功率衰减为：光纤衰减=10.856×0.36=3.91(dB)，活动连接器衰减=12×2×O.5=12(dB)(每个站点2个活动连接器)，光分路器插入损耗=12×0.6=7.2(dB)(使用10：90分光器)，光缆接头熔接损耗=(5.032+4.424+1.4)×0.03=0.33(dB)，线路总衰耗=3.91+12 +7.2 +0.33=23.44(dB)

根据上述结果，下行方向光功率衰减计算满足设计要求(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。

2.2 多级分光器的级联及预留扩容设计

风电场场内集电线路网络一般为链型、树型网络，EPON系统一般设计为多级级联网络，但若级联数量太多，将使一条线路上的分光器插入损耗增大，浪费系统光功率，且当线路发生故障时，也将扩大影响的范围，不利于整个网络的稳定性；与此同时，考虑到每条集电线路和风机侧设备的扩容需要，在进行EPON系统网络设计时，需预留足够的光功率预算[10]；若预算不足，则可能需要将1个多级级联网络分裂再分为多个多级级联网络，并通过增加主干纤芯的方法提高系统的设计余量。因此，在光纤芯条件允许的情况下，可适当减少分光器级数，简化通信网络，这样即可以获得较好的系统光功率设计指标，还可以增强EPON系统网络的可靠性，同时也为今后系统网络的扩容预留了足够的光功率余量[2]。

3 结语

基于EPON的智能风电场通信网络解决方案，组网灵活、适应性强、安全可靠、部署简易、易于安装维护和扩展，完全能够满足智能风电场通信接入网络建设的要求。

[1] 李祥珍,何清素,孙寄生.智能配电网通信组网技术研究及应用[J].中国电力,2011(12):78.

[2] 周欣,朱兰,吴江.EPON在智能配用电通信网中的组网研究[J].邮电设计技术,2011(01):53.

[3] 陈涛,孙旭,王幸.GPON技术的应用模式研究[J].通信技术,2009,42(09):133-135.

[4] 赵振东,薛海龙,宋高鹏.基于GPON系统实现综合业务接入的研究[J].通信技术,2009,42(10):192-193.

[5] 雷承达,彭芳,郎为民,等. EPON技术原理[J].光纤与电缆及其应用技术,2006(04):19.

[6] 徐嘉鸿,张永霖.EPON-以太网无源光网络接入技术浅析[J].科技信息,2012(02):279.

[7] 孙亚宁,谷林波,侯伟. EPON技术在莱钢监控传输网络中的研究与应用[J].硅谷,2011(05):74.

[8] 郑力明,刘伟平,黄红斌,等.以太无源光网络技术及其系统设计[J].电信科学,2004(04): 8.

[9] 洪伟鹏,孙耀波.EPON技术在高速公路视频监控系统中的应用研究[J].公路,2010(01):102.

[10] 袁圆,陈超,田金丽.一种基于EPON的新型电力系统通信网[J].煤矿机电,2010(04):36.

[11] 李鹰.EPON加密系统的设计和实现[J].信息安全与通信保密,2009:79-8I.