對無源光網絡技術在電力配網自動化通信中的應用研究
長期以來我國電力投資的重點都是發電廠以及輸電設備的建設和完善,對配網系統的投入相對較少,導致配網結構不合理。為了提高輸電網以及配電網的可靠性,我國必須進一步完善電力應急機制和電力配電自動化,因此迫切需要一種靈活性強、帶寬高、保護機制好、管理智能化以及性價比高的通信系統來實現配網自動化,而無源光網絡技術(passive optical network,PON)正好符合這些要求,因此對無源光網絡技術在電力配網自動化通信中的應用展開研究具有重要的現實意義。
1 PON技術的概述
1.1 PON系統的工作原理
作為一種樹狀結構的全光網絡,PON采用點到多點拓撲結構。PON系統由局端的光線路終端(OLT)、用戶端的光網絡單元(ONU)和光分配網絡 (ODN)構成。ODN全部采用無源器件,不含有任何電子器件及電子光源,包括光纖和光分路器或耦合器,用于連接一個OLT和多個ONU。OLT到ONU 的傳輸(下行方式)采用TDM廣播方式,連續不斷地將信息傳輸給每個ONU。ONU到OLT的傳輸(上行方式)采用TDMA(時分多址復用)方式,各ONU只有在OLT分配給自己的時隙內將信息傳輸給OLT。PON系統的工作原理見,圖1:
1.2 PON技術的分類比較
無源光纖網絡PON消除了局端和用戶端之間的有源設備,大大降低了維護成本,提高了系統的可靠性,并且有效的節約了光纖資源,是未來FTTH的主要解決方案。目前PON技術主要可分為以下三種:
(1)APON,其二層采用的是ATM封裝和傳送技術,最高速率為622Mbps,但由于成本較高、帶寬較低、ATM技術復雜等原因,目前已經基本退出了市場;
(2)EPON,其二層采用的是以太網技術,它提供1,25Gbps的速率,將來速率還能升級為10Gbps。它將以太網技術與PON技術完美地結合在一起,充分發揮兩者的優勢,因此非常適合IP業務的寬帶接入技術,其芯片和設備發展都比較成熟,市場占有率較高;
(3)GPON,其二層采用的是ITU-U定義的GFP,能提供所有標準的上行速率和1.25、2.5Gb/s下行速率。在高速率業務支持方面,GPON占據明顯的優勢,但成本要高于EPON,另外產品的成熟度也略遜于EPON。
2 有源光網絡和無源光網絡的區別
有源光網絡(Active Optical network,AON)中,ONU設備串聯在光纖網絡中,每個ONU收到的信號時經上級ONU光-電-光變換后的信號。而在無源光網絡中,ONU設備是通過光分路器并接在光纖網絡上,各ONU收到的信號都由OLT直接發送下來。
當網絡需要增加支路時,有源光網絡系統必須在支路節點增加光接口板以實現光方向的增加,而無源光網絡系統則只需更換光分路器,采用分路數更多的光分路器即可增加光方向,因此無源光網絡系統擴充比有源光網絡系統更方便,且投資成本更低。與此同時,無源光網絡系統具有更可靠的網絡安全保護機制,具體包括: (1)單節點保護,網絡中某一節點設備故障不影響其他節點工作,同時具備抵抗多節點同時失效的能力;(2)全網保護,可以采用完全相同的雙光平面保護機制,提供1+1的通道保護盒1+1的電路保護,自動切換光平面,有效保證網絡的安全性。
3 無源光網絡技術在電力配網自動化通信中的應用
作為整個配網系統的關鍵,通信系統的功能至關重要,因此才配網自動化通信系統的設計時必須具備如下特性:系統能夠穩定運行在各種惡劣的環境中,應變能力和穩定性能要高;系統能對網絡中的任何緊急事件作出快捷準確的反應,實時性要好;系統的拓撲靈活多變,設備適應性強,安裝、攜帶和維護比較方便;系統支持全雙工,既滿足主站向終端下發控制命令,又滿足終端向主站上傳數據,必要時還需同時雙向收發信息;系統必須充分利用已有資源,努力縮減投資,極大地提高整個系統的資金、設備和人力投入。
必須綜合考慮電力配網自動化通信網絡的特點和業務要求,采用PON技術實現業務接入,其常見的網絡結構有如下兩種:
(1)星形結構。主站(供電公司)和每個子站(變電站)之間都有一芯光纖連接。OLT放置在主站中心機房,分路器可以放置在中心機房也可以放置距離各個站點相對距離都比較近的集控站或營業廳,分路器和OLT之間通過一芯光纖連接,從而節省光纜的數量。在站點內放置用戶終端ONU,子站設備通過ONU實現與主站設備的互聯互通。由于ONU有多個網絡接口,每個接口的優先級和帶寬都可以靈活設置,可以對立劃分不同的虛網,因此,PON系統不但可以為各種業務提供靈活的網絡接入,也可為站點的業務接入提供良好的網絡環境。通過增加相應的語音網關設備和合波設備,電話和有線電視也可以通過PON系統在一芯光纜上實現,從而為用戶提供更多的信息接入服務。
(2)鏈形結構。鏈形結構是PON系統的另一種接入方式,由于光纖呈鏈式分布,因此與星形接入相比可以更大程度上節省主干光纖資源。鏈式結構中,PON系統可采用多級分光且分光功率不等的光分路器方案,即在只有一芯或幾芯光纜資源的情況下采用功率不等的光分路器逐點匯聚。在鏈式結構中供電公司(主站)和各個站點由一根光纖連接起來,從OLT沿著光纜敷設的路徑到達第1個站點時,由分路器進行分光。分光后,一路經一芯光纖接人站點ONU設備,另一路接著到下一個站點,依此類推。這種接入方式可以大大節省主干光纖資源,提高光纖資源的利用率。各個站點雖然經過多級分光實現,但從網絡管理上仍然是二級結構,即從 OLT到每一個ONU都是直接連接的中間,不經過其他設備,從而保證了扁平化管理。
4 小結
接入網是用戶將網絡終端設備通過電話線、無線設備或光纖等接入國際互聯網,以實現相互通信的方法,其主要方式有公共交換電話網絡、綜合業務數字網、數字用戶線路、光纖到戶接入等多種方式。其中光纖到戶接入的快速發展已成為寬帶城域網建設中的必然趨勢,其技術主要為無源光網絡技術(PON)和有源光網絡技術 (AON),其中PON技術相對而言發展更快些,設備安全性高、成本低、帶寬高、機房投資少且建網速度快,無疑會成為未來光纖到戶接入最理想的接入方式。
雖然配電網設備數量大且分散,但是每個測點傳遞的數據量較少,基于PON技術的通信接入方案在通信速率、成本、可靠性等方面均能較好地滿足電力配網自動化的通信要求,網絡擴展靈活。隨著光電器件的技術發展和價格的下降,PON技術將在未來的電力配網自動化通信中受到越來越多的應用。
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