劉 兵，馬風(fēng)茹

（①河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031；②華北電網(wǎng)有限公司北京超高壓公司，北京 100053）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)和風(fēng)電信息化建設(shè)的快速發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)各種信息實(shí)時(shí)采集顯得越來越重要，而風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)通信的接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為制約智能風(fēng)電場(chǎng)信息化建設(shè)的發(fā)展瓶頸。

目前，風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)通信技術(shù)主要有工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)和無線技術(shù)，其中無線技術(shù)又分為無線專網(wǎng)和無線公網(wǎng)[1]。工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)為有源設(shè)備，不具備抗單、多點(diǎn)失效功能，擴(kuò)容成本高，安裝維護(hù)工作量大。無線專網(wǎng)易受氣候、地形影響，穩(wěn)定性較差，且頻點(diǎn)資源難以節(jié)約，運(yùn)營(yíng)維護(hù)困難；無線公網(wǎng)受制于電信運(yùn)營(yíng)商，網(wǎng)絡(luò)的安全性，穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性都無法得到保證。

EPON[2-4]作為一種穩(wěn)定、成熟、性價(jià)比高的通信接入技術(shù)，具有無源特性，組網(wǎng)靈活，對(duì)于光纜線路的走向有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以低成本的組成鏈型、星型或樹型網(wǎng)絡(luò)，十分適合風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)集電線路的分布式結(jié)構(gòu)。

1 智能風(fēng)電場(chǎng)EPON組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)分析

智能風(fēng)電場(chǎng) EPON系統(tǒng)主要由光纖線路終端（OLT，Optical line Terminal）站端設(shè)備、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU，Optical network unit）風(fēng)機(jī)側(cè)設(shè)備、無源光纖分配器（POS，passive Optical splitter）分光器組成。

OLT放在風(fēng)電場(chǎng)升壓站通信機(jī)房，它是整個(gè)EPON系統(tǒng)的核心部件，提供EPON系統(tǒng)與數(shù)據(jù)、視頻和語音網(wǎng)絡(luò)之間的接口。OLT通過POS與各個(gè)ONU相連，在下行方向，它提供面向無源光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖接口；在上行方向，它提供了千兆以太網(wǎng)高速接口[5]。

POS是一個(gè)連接OLT和ONU的無源光纖分支器，其功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)和集中上行數(shù)據(jù)[6]；POS布署靈活，能進(jìn)行多級(jí)連接，幾乎可以適應(yīng)于所有環(huán)境。

ONU放在風(fēng)機(jī)側(cè)，用于終結(jié)光纖鏈路，提供風(fēng)機(jī)側(cè)各種數(shù)據(jù)、視頻和語音網(wǎng)絡(luò)與EPON之間的接口，其作用是接收光路信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的格式；在中、高帶寬的ONU中實(shí)現(xiàn)了成本低廉的以太網(wǎng)第二層交換甚至是第三層路由功能，這種類型的ONU可以通過堆疊來為多個(gè)最終用戶提供很高的共享帶寬[7]。

EPON的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)如下：

1）采用“單纖雙向”技術(shù)，吻合了風(fēng)電場(chǎng)集電線路樹型或鏈型物理結(jié)構(gòu)；線路只需要一條光纖芯，通過高可靠性、低故障率的無源分光設(shè)備 POS，可以輻射多路光信號(hào)；ONU具有豐富的接口類型，能夠滿足風(fēng)機(jī)各種信息的傳輸，節(jié)約了大量的光電轉(zhuǎn)化裝置，降低了工程造價(jià)。

2) EPON技術(shù)能提供上下行對(duì)稱的 1.25 Gb/s的帶寬，而隨著以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，EPON技術(shù)的帶寬還可以升級(jí)到 10 Gb/s[8]，能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)帶寬需求，無需再考慮增加光纖芯。

3）EP0N技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)類型的通道隔離，并采用DBA（動(dòng)態(tài)帶寬分配）技術(shù)和自動(dòng)注冊(cè)方式，動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬分配，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的即插即用。

4）各個(gè)ONU與局端OLT設(shè)備之間是并聯(lián)通信關(guān)系，任何一個(gè)ONU或多個(gè)ONU故障，不會(huì)影響其他ONU及整個(gè)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并且基于EPON的通信數(shù)據(jù)都可以經(jīng)過高強(qiáng)度數(shù)據(jù)加密，保證數(shù)據(jù)的安全。

5）EPON技術(shù)不需要使用有源電子器件，網(wǎng)絡(luò)組件數(shù)量少，鋪設(shè)比較簡(jiǎn)單且出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的概率極小，這就使得EPON網(wǎng)絡(luò)基本上不需要進(jìn)行維護(hù)，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本和管理成本的節(jié)省很大[9]。

2 智能風(fēng)電場(chǎng)EPON系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)集電線路環(huán)境中，光纜網(wǎng)絡(luò)沿集電線路架設(shè)，通常以鏈型、樹型等方式組網(wǎng)，因此EPON系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為單鏈路結(jié)構(gòu)。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，光纜路由是單鏈路結(jié)構(gòu)，不能提供網(wǎng)絡(luò)保護(hù)功能且必須采用多級(jí)光分器級(jí)聯(lián)的組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)在一條光纖芯上級(jí)聯(lián)多個(gè)風(fēng)機(jī)側(cè)通信終端的能力，大大節(jié)省了光纖芯的需求量。

EPON系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是要確保網(wǎng)絡(luò)正常傳送光信號(hào)，這就需對(duì)每個(gè)ONU設(shè)備的光功率進(jìn)行計(jì)算，保證ONU設(shè)備接收的光功率在其光接口接收范圍內(nèi)；在此基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用非均勻分光的分光器，組成一級(jí)分光、多級(jí)分光等鏈型、樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分適用風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)集電線路結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)集電線路結(jié)構(gòu)的特殊性，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行專門的研究分析，主要包括非均分分光器的衰減計(jì)算，多級(jí)分光器的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的設(shè)計(jì)方法。

2.1 非均分分光器的衰減計(jì)算

在EPON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，一般OLT站端設(shè)備和ONU風(fēng)機(jī)側(cè)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)分別為：OLT發(fā)光功率2～7 dBm，OLT接收靈敏度-24～30 dBm，ONU發(fā)光功率-1～4 dBm，ONU接收靈敏度-24～27 dBm，因此下行方向最大光功率預(yù)算為26 dB，上行方向最大光功率預(yù)算為24 dB。

分光器鏈路總衰減為：光纖鏈路衰耗=n段光纖衰減+m個(gè)活動(dòng)連接器損耗+L個(gè)光纜接頭熔接損耗+h個(gè)分光器插損+富裕度。

具體分光器鏈路衰減計(jì)算需要考慮以下幾個(gè)圖表參數(shù)。

參照表1、表2、表3和表4的參數(shù)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行多級(jí)非均分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，通過對(duì)每個(gè)分支進(jìn)行分別的、多次的計(jì)算，確定分光級(jí)數(shù)、光功率分配比例及分光器種類，以獲得最佳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

表1 光纜接續(xù)衰耗

表2 系統(tǒng)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

以圖1所示的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)1條集電線路為例，站內(nèi)配置1套OLT站端設(shè)備，每一臺(tái)風(fēng)機(jī)配置1套ONU設(shè)備，進(jìn)行多級(jí)分光級(jí)聯(lián)并演示光功率計(jì)算。

圖1 多級(jí)分光案例

參數(shù)選取參照表1、表2、表3和表4，OLT到ONU的下行方向光功率衰減為：光纖衰減=光纖總長(zhǎng)度×0.21=10.856×0.21= 2.28 (dB)，活動(dòng)連接器衰減12×2×O.5=12(dB)(每個(gè)站點(diǎn)2個(gè)活動(dòng)連接器)，光分路器插入損耗=12×0.6=7.2(dB)(使用10：90分光器)，光纜接頭熔接損耗=光纖衰減=10.856×0.03=0.33(dB),線路總衰耗=2.28+12+7.2+0.33 =21.81(dB)

ONU到OLT的上行方向光功率衰減為：光纖衰減=10.856×0.36=3.91(dB)，活動(dòng)連接器衰減=12×2×O.5=12(dB)(每個(gè)站點(diǎn)2個(gè)活動(dòng)連接器)，光分路器插入損耗=12×0.6=7.2(dB)(使用10：90分光器)，光纜接頭熔接損耗=(5.032+4.424+1.4)×0.03=0.33(dB)，線路總衰耗=3.91+12 +7.2 +0.33=23.44(dB)

根據(jù)上述結(jié)果，下行方向光功率衰減計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求(考慮3 dB設(shè)計(jì)余量)，上行方向光功率不滿足設(shè)計(jì)要求(考慮3 dB設(shè)計(jì)余量)，因此減少分光級(jí)數(shù)或者采用5：95分光器來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 多級(jí)分光器的級(jí)聯(lián)及預(yù)留擴(kuò)容設(shè)計(jì)

風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)集電線路網(wǎng)絡(luò)一般為鏈型、樹型網(wǎng)絡(luò)，EPON系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為多級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，但若級(jí)聯(lián)數(shù)量太多，將使一條線路上的分光器插入損耗增大，浪費(fèi)系統(tǒng)光功率，且當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，也將擴(kuò)大影響的范圍，不利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；與此同時(shí)，考慮到每條集電線路和風(fēng)機(jī)側(cè)設(shè)備的擴(kuò)容需要，在進(jìn)行EPON系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，需預(yù)留足夠的光功率預(yù)算[10]；若預(yù)算不足，則可能需要將1個(gè)多級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分裂再分為多個(gè)多級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并通過增加主干纖芯的方法提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)余量。因此，在光纖芯條件允許的情況下，可適當(dāng)減少分光器級(jí)數(shù)，簡(jiǎn)化通信網(wǎng)絡(luò)，這樣即可以獲得較好的系統(tǒng)光功率設(shè)計(jì)指標(biāo)，還可以增強(qiáng)EPON系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時(shí)也為今后系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容預(yù)留了足夠的光功率余量[2]。

3 結(jié)語

基于EPON的智能風(fēng)電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)解決方案，組網(wǎng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、安全可靠、部署簡(jiǎn)易、易于安裝維護(hù)和擴(kuò)展，完全能夠滿足智能風(fēng)電場(chǎng)通信接入網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的要求。

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