长期以来我国电力投资的重点都是发电厂以及输电设备的建设和完善,对配网系统的投入相对较少,导致配网结构不合理。为了提高输电网以及配电网的可靠性,我国必须进一步完善电力应急机制和电力配电自动化,因此迫切需要一种灵活性强、带宽高、保护机制好、管理智能化以及性价比高的通信系统来实现配网自动化,而无源光网络技术(passive optical network,PON)正好符合这些要求,因此对无源光网络技术在电力配网自动化通信中的应用展开研究具有重要的现实意义。

    1 PON技术的概述

    1.1 PON系统的工作原理

    作为一种树状结构的全光网络,PON采用点到多点拓扑结构。PON系统由局端的光线路终端(OLT)、用户端的光网络单元(ONU)和光分配网络(ODN)构成。ODN全部采用无源器件,不含有任何电子器件及电子光源,包括光纤和光分路器或耦合器,用于连接一个OLT和多个ONU。OLT到ONU的传输(下行方式)采用TDM广播方式,连续不断地将信息传输给每个ONU。ONU到OLT的传输(上行方式)采用TDMA(时分多址复用)方式,各ONU只有在OLT分配给自己的时隙内将信息传输给OLT。PON系统的工作原理见,图1:

    1.2 PON技术的分类比较

    无源光纤网络PON消除了局端和用户端之间的有源设备,大大降低了维护成本,提高了系统的可靠性,并且有效的节约了光纤资源,是未来FTTH的主要解决方案。目前PON技术主要可分为以下三种:

    (1)APON,其二层采用的是ATM封装和传送技术,最高速率为622Mbps,但由于成本较高、带宽较低、ATM技术复杂等原因,目前已经基本退出了市场;

    (2)EPON,其二层采用的是以太网技术,它提供1,25Gbps的速率,将来速率还能升级为10Gbps。它将以太网技术与PON技术完美地结合在一起,充分发挥两者的优势,因此非常适合IP业务的宽带接入技术,其芯片和设备发展都比较成熟,市场占有率较高;

    (3)GPON,其二层采用的是ITU-U定义的GFP,能提供所有标准的上行速率和1.25、2.5Gb/s下行速率。在高速率业务支持方面,GPON占据明显的优势,但成本要高于EPON,另外产品的成熟度也略逊于EPON。

    2 有源光网络和无源光网络的区别

    有源光网络(Active Optical network,AON)中,ONU设备串联在光纤网络中,每个ONU收到的信号时经上级ONU光-电-光变换后的信号。而在无源光网络中,ONU设备是通过光分路器并接在光纤网络上,各ONU收到的信号都由OLT直接发送下来。

    当网络需要增加支路时,有源光网络系统必须在支路节点增加光接口板以实现光方向的增加,而无源光网络系统则只需更换光分路器,采用分路数更多的光分路器即可增加光方向,因此无源光网络系统扩充比有源光网络系统更方便,且投资成本更低。与此同时,无源光网络系统具有更可靠的网络安全保护机制,具体包括:(1)单节点保护,网络中某一节点设备故障不影响其他节点工作,同时具备抵抗多节点同时失效的能力;(2)全网保护,可以采用完全相同的双光平面保护机制,提供1+1的通道保护盒1+1的电路保护,自动切换光平面,有效保证网络的安全性。

    3 无源光网络技术在电力配网自动化通信中的应用

    作为整个配网系统的关键,通信系统的功能至关重要,因此才配网自动化通信系统的设计时必须具备如下特性:系统能够稳定运行在各种恶劣的环境中,应变能力和稳定性能要高;系统能对网络中的任何紧急事件作出快捷准确的反应,实时性要好;系统的拓扑灵活多变,设备适应性强,安装、携带和维护比较方便;系统支持全双工,既满足主站向终端下发控制命令,又满足终端向主站上传数据,必要时还需同时双向收发信息;系统必须充分利用已有资源,努力缩减投资,极大地提高整个系统的资金、设备和人力投入。

    必须综合考虑电力配网自动化通信网络的特点和业务要求,采用PON技术实现业务接入,其常见的网络结构有如下两种:

    (1)星形结构。主站(供电公司)和每个子站(变电站)之间都有一芯光纤连接。OLT放置在主站中心机房,分路器可以放置在中心机房也可以放置距离各个站点相对距离都比较近的集控站或营业厅,分路器和OLT之间通过一芯光纤连接,从而节省光缆的数量。在站点内放置用户终端ONU,子站设备通过ONU实现与主站设备的互联互通。由于ONU有多个网络接口,每个接口的优先级和带宽都可以灵活设置,可以对立划分不同的虚网,因此,PON系统不但可以为各种业务提供灵活的网络接入,也可为站点的业务接入提供良好的网络环境。通过增加相应的语音网关设备和合波设备,电话和有线电视也可以通过PON系统在一芯光缆上实现,从而为用户提供更多的信息接入服务。

    (2)链形结构。链形结构是PON系统的另一种接入方式,由于光纤呈链式分布,因此与星形接入相比可以更大程度上节省主干光纤资源。链式结构中,PON系统可采用多级分光且分光功率不等的光分路器方案,即在只有一芯或几芯光缆资源的情况下采用功率不等的光分路器逐点汇聚。在链式结构中供电公司(主站)和各个站点由一根光纤连接起来,从OLT沿着光缆敷设的路径到达第1个站点时,由分路器进行分光。分光后,一路经一芯光纤接人站点ONU设备,另一路接着到下一个站点,依此类推。这种接入方式可以大大节省主干光纤资源,提高光纤资源的利用率。各个站点虽然经过多级分光实现,但从网络管理上仍然是二级结构,即从OLT到每一个ONU都是直接连接的中间,不经过其他设备,从而保证了扁平化管理。

    4 小结

    接入网是用户将网络终端设备通过电话线、无线设备或光纤等接入国际互联网,以实现相互通信的方法,其主要方式有公共交换电话网络、综合业务数字网、数字用户线路、光纤到户接入等多种方式。其中光纤到户接入的快速发展已成为宽带城域网建设中的必然趋势,其技术主要为无源光网络技术(PON)和有源光网络技术(AON),其中PON技术相对而言发展更快些,设备安全性高、成本低、带宽高、机房投资少且建网速度快,无疑会成为未来光纤到户接入最理想的接入方式。

    虽然配电网设备数量大且分散,但是每个测点传递的数据量较少,基于PON技术的通信接入方案在通信速率、成本、可靠性等方面均能较好地满足电力配网自动化的通信要求,网络扩展灵活。随着光电器件的技术发展和价格的下降,PON技术将在未来的电力配网自动化通信中受到越来越多的应用。