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EPON在电力配网自动化应用中的挑战与对策

浏览次数:1577   更新时间:2016-08-05 16:28:00   发布人:管理员

要实现配网自动化,首先会面临通信技术的选择和光缆的规划,选择何种技术更合理?使得配套的光缆投入更少,更加适应长期的规划以及规划外的一些变化?本文就此问题作了一些分析和探索。


由于电力通信网络的接入网和运营商的接入网在拓扑上的不同,在逐步实施过程中,配网分布点常常随建设计划变化频繁,最终会导致通信网络拓扑变化频繁,这就造成了前期规划和后期扩展的实施的矛盾。和记奥普泰在给客户提出有效的前期规划建议的同时,提出了创新的融合EPON和工业以太网交换机技术的解决方案,解决了因分期建设规划、高可靠性、统一管理等要求带来的问题。


和记奥普泰提出了两种解决方案,一是利用在主干光纤上部署非均匀分光器直接串接所有通信节点,并在出现新增通信节点时,利用ONU的光接口的可扩展性进行就近扩展;二是利用在环网柜和开闭所部署均匀分光器的方式,进行有预留的设计,同时也利用ONU的光接口的可扩展性进行就近扩展的设计方式。


问题提出

在目前如火如荼的智能网建设中,配网自动化是作为一个重要的部分,那么配网自动化真正实施时面临什么样的困难呢?如何很好地解决呢?下文对和记奥普泰的在实际网络设计中总结的些设计原则和一种创新的技术思路做了阐述。

在电力通信的接入网络建设中,光缆/光纤网络的投资比重很大,光缆/光纤网络的调整和改造涉及面广,周期长,工程复杂,建成后要求长期、稳定使用,后续的网络变化、技术改造、带宽升级等最好在设备层面实施。当然前期有效的整体规划是非常重要的。

由于电力通信网络的接入网和运营商的接入网有拓扑上的不同:电力接入网接入点随配网设备分散分布,运营商的最终用户在大楼和住宅集中分布。还有电力接入网和运营商接入网在光纤建设的步骤也不相同,电力接入网有110KV、35KV、开闭所、环网柜、集中器等各个节点,众多节点覆盖的范围很大,所以电力光纤最终到小区或到户之前,一定是分期建设的,这会是一个长期的过程。而运营商几乎是

一步就把光纤拉到小区。

这样,实际的情况是配网分布点会随着建设计划变化而变化,如果变化频繁,最终会导致拓扑变化频繁。而运营商的用户建设几乎是一次性到位,并不随着建设计划变化而变化。

导致配网分布点变化的还有一个主要原因是城市发展日新月异,新的住宅区和新的商圈等随城市建设在一两年后会发生较大的变化,这也导致用电情况会发生较大的变化,最终导致配网节点的变化。这些变化较难预测,这也就直接导致了电力接入网规划的一系列现实问题:

首先,按光纤通信的技术选择来看,到底是选择EPON还是工业以太网交换机更能适应初期建设的要求和后续发展变化的要求?

其次,按EPON技术本身的特性来讲,在未来进行扩容时,需要进行光功率预留,但现在由于对未来用电情况的不可预知性,这就造成了前期规划和后期扩展的实施的矛盾。如何解决这个矛盾呢?


网络现状和技术选择

智能配网将进一步拓展对配电网全景信息的获取能力,以服务生产全过程为需求,整合系统各种实时生产和运营信息。光纤作为接入的承载介质已经成为必然趋势,因为光纤不受电磁干扰、雷电的困扰,信号质量好,维护工作小。

利用光纤承载的通信方式目前主要有两种,一是EPON技术,一是工业以太网交换机技术。目前这两种技术对电力要求的工业用环境都能达到要求,所不同的是,在实际应用时,对接入网层面的主干光纤数量要求会有不同。

在大部分的配网自动化设计中,光纤的布放首先从变电站(即通信子站)开始,根据已有的光/电缆的主沟道进行铺设,达到每个开闭所(或环网柜)节点,然后再根据一次电缆的走向,从各个开闭所(或环网柜),把光纤铺设到下属的通信节点。

如图所示,A和B变电站之间需要实施“三遥”的站点。


利用工业以太网交换机组网方式1: 同路由成环。


这种方式组网方式,因为是同路由成环,所以来回的纤芯都在同一条光缆中,光缆如因意外被切断,同处一根光缆中的不同纤芯也会被切断,因此,这种环形组网实际上起不到很好的保护作用。同时,由于工业以太网交换机的收发光模块是分开的,总共要使用4根纤芯。

利用工业以太网交换机组网方式2: 不同路由成环。


这种方式解决了同路由成环的保护问题,业务有了其他路由进行环回,但由于要经过其他变电站,这就使得变电站间的光纤数量又有了增加,上图总共使用了3个变电站中的6根纤芯才实际组成了变电站A和变电站B之间的环路。另外,也有可能由于电力公司目前沟道实际的情况,如果不能提供站点C进行迂回,就只能采用方式1。

EPON作为一种P2MP(点到多点)的光纤接入技术,系统网络拓扑能够与电力配电网环形、链形结构吻合,能够实现单纤双向高带宽业务承载,节省光纤,可以实现站点到配电终端之间链路的1+1保护功能并且实现50ms保护切换。

同时,EPON系统能提供综合网络管理系统,部署快捷,开通简便,运维轻松,实现自动化和流程化的资源规划、设备开通、业务发放、性能监控和端到端故障诊断。

同一站点数量的组网要求,使用EPON手拉手组网的效果如下:


使用这种方式组网,解决了如果光纤在某一个段被切断时,业务能被有效地保护,因为各个站点的ONU是同时和两个变电站的OLT

进行通信。同时,变电站之间的主干光纤的数量也使用的较少,对比以上同一应用,EPON只需要3根纤芯即可。

但是,由于电力接入网的接入点随配网设备分散分布,所以这种方案是使用非均匀分光,又由于PON模块的发光功率和接受灵敏度的限制,理论上最多只能进行13级 5%:95%的非均匀分光,但实际上由于光纤转接带来的额外损耗,以及需要在设计上保留适当的富余度,所以在实际工程实施中,单PON口所挂ONU数量建议不要超过8个。

在EPON网络建设中,光缆/光纤网络的投资比重不小,能否在建成后长期、稳定使用已铺设光纤,同时满足网络变化,提高一根光纤所能覆盖的通信节点数量,是个较大的挑战。

解决方案一

和记奥普泰总结出一种ODN的规划和设计原则,同时创新性的结合了EPON技术和工业以太网的技术,主要的方案是把工业级的ONU设计成同时兼容工业以太网交换机的功能,这样在主干上采用EPON技术,保证一根光纤能串接多个通信节点,同时,如果后续出现了新的、需要实施三遥的站点,采取利用就近的ONU进行业务扩展,利用光接口直接和新增加的ONU进行互联,并把新站点纳入到网管的统一平台之下。

例如,初期的配网规划如下:


在假设单一纤芯能带7个通信节点,根据光纤的损耗公式如下:

光路损耗=所有分光器插损之和+光纤长度(km)*0.4+跳纤点数目*0.45

(注:5%:95%分光器插损,95%侧为0.6dB,5%侧为15dB。每个跳纤点损耗为0.45dB)

假设,一个光支路上最多有15个光纤跳点,发光功率3dB,接受灵敏度为不低于-25dB,

此时,最长容许的变电站间的距离为:(28-(0.6*6)-15-15*0.45)/0.4= 6.6公里

也就是说,只要两个通信站点之间的不超过6.6公里,最多在一根纤芯上有15个光纤跳点时,一根纤芯可接入7个通信节点。

实际使用时,由于可能的光纤跳点数会比15个要少,并且有可能在接点处采用衰耗更小镕接方式,这样,两站点间可传输距离会进一步增加。

在当出现新的、需要实施三遥的站点后,就近新增光纤,首先在新的通信节点增加一个ONU,利用FE光接口和就近的ONU进行互联,即可实现站点的扩展。组成手拉手拓扑或树形拓扑可根据实际需要而定。具体连接如下:


此方案设计原则:

1:OLT部署在变电站中,变电站每个方向沿光纤主沟道铺设光缆。(注:建议铺设24芯光缆)

2:初期使用5:95非均匀分光器,放置在每个开闭所和配电箱通信节点。每个通信节点使用2个,组成手拉手拓扑方式。

3:主干光纤负责把所有通信节点串起来,开闭所(或环网柜)以下,以一次电缆走向铺设光纤。

此方案的优势在于:

1:主干使用EPON技术,利用EPON技术中的波分技术,一根纤芯完成上下行业务,这样减少光纤纤芯铺设的数量,可大量节约光缆投资。通常如果按一个变电站一个方向铺设24芯光缆来看,最少可在相据6公里的两个变电站之间,在单一纤芯最多20个跳点的情况下,初期部署能覆盖168个通信节点。

2:后期扩展新的通信站点时,可就近扩展,新铺设光纤距离短,且可跟随一次电缆布放的管道进行布放。

3:后期扩展站点时,不影响主干光纤上原有的光功率规划,也不需要针对扩展站点做额外的光功率规划。

4:新增站点,统一地接受网管系统的管理。

解决方案二

这个解决方案中,采用了另外一种ODN的规划设计原则,同时也结合了EPON技术和工业以太网的技术,初期的部署方案和解决

方案一有所不同。主要是因为众多的通信节点的一次电缆都是先汇集到区域集中点(开闭所或环网柜),然后再进入主沟道,那么我们以每个区域集中点为一个重要节点,把两个1:16分光器放置在这个区域集中点,连接区域集中点本身的通信终端,以及和下属通信节点的所有终端。然后两个分光器分别对两个方向接入到两个变电站的PON接口中去。

具体连接如下:


在当出现新的、需要实施三遥的站点后,如果新增的站点属于某一个区域集中点,而且这个区域集中点和下属的节点数量未超过16个,那么,直接从两个1:16分光器上各引出1根光纤,即可以组成手拉手的应用。

在当出现新的、需要实施三遥的站点后,如果新增的站点属于某一个区域集中点,而且这个区域集中点和下属的节点数量已经等于或大于16个,即1:16光分路器的分支已经被用完,那么,直接从就近ONU上的FE光接口引出光纤,连接到新的站点即可。如有条件,尽量用另一条迂回路由再连接到附近其他的ONU,以增强业务的可靠性。

具体连接如下:


在当出现新的、需要实施三遥的站点后,如果新增的站点是新增的一个区域集中点或是其下属的通信节点,那么,此时需要从变电站之间的主干光纤中再使用一根纤芯,并在这个新的区域集中点部署两个1:16分光器,即可把这部分通信节点连接起来并组成手拉手的应用。

具体连接如下:


以上方案中,单一芯光纤的损耗公式如下:

光路损耗=所有分光器插损之和+光纤长度(km)*0.4+跳纤点数目*0.45

(注:1:16分光器插损为13.6dB,每个跳纤点损耗为0.45dB)

假设,一个区域集中点到最远下属的节点有4公里,一个光支路上最多有20个光纤跳点,发光功率3dB,接受灵敏度为不低于-25dB。

此时,最长容许的变电站间的距离为:(28-(4*0.4)-13.6-20*0.45)/0.4= 9.5公里

也就是说,只要两个通信站点之间的不超过9.5公里,最多在一根纤芯上有20个光纤跳点时,且最远下属通信节点到区域集中点的距离不超过4公里,一根纤芯可接入16个通信节点。

实际使用时,由于可能的光纤跳点数会闭20个要少,也有可能在接点处采用衰耗更小的镕接方式,,此时,两站点间可传输距离会进一步增加。

此方案设计原则:

1:OLT部署在变电站中,变电站每个方向沿光纤主沟道铺设光缆。(注:建议铺设24芯光缆)

2:初期使用1:16均匀分光器,放置在每个区域集中点(开闭所或环网柜)。每个通信节点使用2个,组成手拉手拓扑方式。

3:区域集中点以下,以一次电缆走向铺设光纤。

此方案的优势在于:

1:主干使用EPON技术,利用EPON技术中的波分技术,一根光纤完成上下行业务,减少光纤铺设的数量,可大量节约光缆投资。通常如果按一个变电站一个方向铺设24芯光缆来看,最少可在相据14.5公里的两个变电站之间,在单一纤芯最多20个跳点的情况下,铺设的主光缆纤芯数位24时,初期部署能带384个通信节点。

2:后期扩展新的通信站点时,可就近扩展,新铺设光纤距离短,且可跟随一次电缆布放的管道进行布放。

3:后期扩展新的通信站点时,不影响主干光纤上原有的光功率规划,也不需要针对扩展站点做额外的光功率规划。

4:新增的通信站点,根据情况有不增加分光器方式,也有增加分光器而不增加主干纤芯方式,也有既增加分光器又增加使用主干纤芯方式。但无论那种方式,施工量都很少,也不会影响到原有主干光缆纤芯数量。

5:新增站点,统一地接受网管系统的管理。

具体案例

在目前重庆市南岸供电局智能配网总体规划中,共涉及到6个变电站,以及已有的408个配网通信节点中。但在一期建设所做的规划中,只

实施150个通信节点,余下的站点留待后续分期建设。


根据和记奥普泰所提供的产品方案,在本次技术方案的初设中,由于各个变电站之间的距离通常在3~5公里之间,就使用了解决方案一,6台型号为BroadEdge3000E 的OLT设备,部署在6个变电站:南坪、龙门浩、回龙湾、响水洞、丹桂、苏家湾,利用主干光纤串接部署在各个通信节点的ONU,共150台型号为BE20U-2040R4E 的工业级ONU设备,部署在现有的开闭所和配电箱,以及部分柱上开关。

这样,150台ONU,除了22台确实因地理条件限制不能形成手拉手拓扑,其余全部组成手拉手的配置,以保证业务的可靠性。同时,由于ONU具有带扩展光口的功能,能满足后期扩容的需要。

初设方案中,使用5%:95%的非均匀分光器,各个ONU的PON接口光接受灵敏度都控制在不大于-10dB和不小于-24dB,这样能保证光信号的有效接收。同时,因为ONU具有可扩展的光口,所以,在一期建设的基础上,光缆建设一次性到位。二期建设可方便容易地开展。