光纤通信：点对点以太网连接关系及串行异步光纤环网的优势

光纤通信是利用光波（一种频率在1013～1016Hz的电磁波）作为传输载体，以光纤为传输介质的先进通信手段。光纤通信是配电终端与配电主站通信的主要方式，为配电网自动化提供了实时、可靠的数据通信通道。

1.光纤通信的基本原理和特点

各种电信号对光波进行调制后，通过光纤进行传输的通信方式称为光纤通信。一般通信电缆最高使用频率为9～24MHz，而光纤工作频率能达到100～1000GHz，比目前半导体芯片的极限开关速度要高几十倍。光纤通信的特点：

（1）光纤通信是一种高速数据网，频带宽、通信容量大、传输速率高、传输距离远。

（2）可靠性高，抗干扰能力强。其误码率达到10-10数量级，远优于其他通信方式。光纤通信不受电磁波或者其他强电磁场的影响。

（3）通信网络具有自愈功能。在环形结构光纤通信网络中，若通信环链接的测点比较多，为了提高光纤通信的可靠性，采用双环通信网，互为热备用，一旦通信环有故障，光端设备能自选路由，自动愈合，保证主站到子站之间通信畅通，确保了通信的可靠性。

（4）配置灵活，扩展方便。配电网若要增加新的测点，只要在就近的光纤通信环网内，找开环路直接链接即可。每个光纤通信环可以链接100个通信节点，完全可以满足配电网自动化系统通信网扩展的需要。

（5）完善的光端设备通信接口方式。

（6）光缆防护等级高，易于铺设。采用带有铠装、充油、束管式的光缆。光缆张力强，有一定的柔性、防水、防挤压。光缆传输的是光信号，因此不怕强电场和磁场。这给光缆铺设带来很大的方便，地面下可以与动力、电力同沟铺设，地面上可以与架空高压线同杆架设。

（7）电力特殊光缆受外力破坏的可能性小，可靠性高。电力特种光纤依托于电力系统自己的线路资源，避免了在频率资源、路由协调、电磁兼容等方面与外界的矛盾和纠葛，有很大的主动权和灵活性。

配电网自动化中的光纤通信首先应用于电业局调度大楼到110kV及以下变电站、配电子站的数据通信，继而广泛地用于FTU、DTU到配电子站或配电主站的数据通信，成为配电网自动化系统数据通信的基础。目前应用于配电网自动化系统的光纤通信技术主要有光纤同步数据体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、光纤以太网、RS-232/RS-485串行异步光纤环网和以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）。

2.主要光纤通信技术和设备

下面介绍几种主要的光纤通信方式：SDH主干网络、光纤以太网、串行异步光纤环网、无源光纤网络。

（1）SDH主干网络。SDH是一种光纤通信系统中的数字通信体系。它是一套新的国际标准。SDH既是一个组网原则，又是一套通道复用的方法。过去的光纤通信系统没有国际统一标准，都是由各个国家各自开发出不同的系统，称为准同步数字体系（PlesiochronousDigitalHierarchy，PDH）。因此，各国所采用的传输速率、线路码型、接口标准、结构都不相同，无法在光路上实现不同厂家设备的互通和直接联网，造成许多技术上的困难和费用的增加。

SDH有以下几个主要的特点：

1）在全世界范围统一了体系中各级信号的传输速率。SDH定义的速率为155.52NMbit/s（Mbit/s表示每秒钟传输的兆比特数，N=1，2，3，…）。

2）复接和分接实现简单。SDH可以把2Mbit/s口直接复接入140Mbit/s口，而不必逐级进行。另外，每个2Mbit/s口还可以分接为64路64kbit/s串行同步口或9.6kbit/s串行异步口。SDH的出现简化了复接、分接技术，大大提高了通信组网的灵活性和可靠性。图2.10表示了配电子站利用SDH的2M口、配电终端利用SDH的串行异步口实现到配电主站的通信连接关系。

图2.10　配电子站到配电主站的点对点光纤以太网连接

3）确定了全世界通用的光接口标准。这样就使不同厂家生产的设备可以按统一接口标准互通使用，节省网络的成本。

（2）光纤以太网。以太网利用光纤介质实现网络通信，从而构成光纤以太网通信方式。以太网在网络层使用了以太网协议，在传输层使用了TCP/IP，并通过捆绑IEC 60870-5-104协议实现配电网自动化数据通信业务。光纤以太网的通信速度可达10Mbit/s及以上，信息路由方便，适用于数据文件传输，如配电子站到配电主站的点对点通信，配电主站与上级调度自动化系统、PMS，CIS，GIS，ERP等其他系统的互连。图2.11表示了配电子站到配电主站的点对点光纤以太网通信连接关系，此时配电子站可以看成是“挂”在以太局域网延伸网线上的一个工作站。

图2.11　配电子站到配电主站的点对点光纤以太网连接

光纤以太网也可用于配电终端到配电子站的数据通信，各配电终端在光纤上通过交换机构成开环链，或通过网关构成闭环链，其中闭环链具有“自愈”能力，而开环链则会“甩掉”被断开的节点。另外，以太网是一种局域网，多个配电终端可以“挂在”同一个交换机下面并通过交换机与光端机连接，或通过10Base-T的“T”形接线方式构成“总线”并直接与光端机连接。图2.12表示了配电终端到配电子站的链状光纤以太网通信连接关系，其中“虚线”表示光纤上的不同网段可以通过增加两个光端机“合并”为同一个网段，此时配电子站不能向“合并”前的两网段同时发起通信，否则会引起光路和以太网信号碰撞。另外，RJ45网线接入配电子站有两种方式：一是配电子站配置了多个网卡，各光端机网线分别接入不同的网卡；二是配电子站配置了带网关功能的交换机，光端机和配电子站都连接到交换机上。

图2.12　配电终端到配电子站的链状光纤以太网连接

（3）串行异步光纤环网。串行异步光端机在增加少量成本的基础上，利用时分复用技术可在同一对光纤上复用出多个相对独立的64kbit/s以上的逻辑通道，并能提供1～4个光方向，为配电网自动化实现数据的分组通信和交叉接入功能提供了可靠实用的技术支持。

利用RS-232或RS-485串行异步接口接入光纤环网的通信方式称为串行异步光纤环网，具有“自愈”和“网管”功能。串行异步接口在光纤上的通信方式有点对点、一点对多点、开环链、闭环链等多种基本形式，并可将各种形式“混合”在一起以适应现场复杂的通信结构情况。在配电网自动化的实际应用中，经常使用闭环链来组成配电终端接入网的主干网络。配电终端到配电子站使用光纤自愈环网的通信连接关系，如图2.13所示。

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图2.13　配电终端到配电子站的光纤自愈环连接

图2.13是单通道光纤自愈环，即光端机只有一个串行接口，并且在一个光纤物理环上只提供一个独立的通信通道。为了实现多种全透明并行接入通信业务、兼容多种通信协议，并提供“网管”功能，采用时分复用技术，在同一对光纤上复用出多个独立的逻辑通道，每个逻辑通道相当于一个普通光端机通道。利用这种多通道的串口光端机，可以节省光缆投资，提升通信容量，以实现分组通信和多种通信业务。例如，一种价位和普通光端机相差无几的8+1通道光端机就可以在同一对光纤环上复用出8个57.6kbit/s的数据口和1个9.6kbit/s的网管口。在配电网自动化系统通信应用中，经常把8个数据通道划分为2个配电终端分组通信口，2个采集器分组通信口，4个独立手拉手电气环的保护通信口，为实现网络式保护和控制功能提供通信保障。配电终端到配电子站、采集器到用电信息采集系统的多通道通信连接关系，如图2.14所示。

一种8+1通道光端机的通道分配如图2.15所示。

图2.14　配电终端到配电子站的8+1通道光纤自愈环连接

图2.15　单模自愈8+1通道光端机的通道分配

在配电网自动化系统通信网的实用方案设计上，主馈线上的配电终端经常使用两芯光纤构成两个光方向的自愈主环，而分支线路上的配电终端则可以通过主环四光口光端机提供的另外两个光口就近接入，这就是交叉连接的组网方式。除了扩充交叉连接方式以外，还可以在主环里面增加一个热备用主节点光端机，当某一个配电子站、主节点光端机出现故障或检修停运时，备用主节点光端机立即启动工作，成为光纤环的主节点光端机，不中断整个通信网的正常通信。这种热主备方式如光纤自愈环的自愈功能一样，极大地提高了配电网自动化系统通信网的可靠性。

光端机的交叉连接和热主备方式在环形基础上扩充了星形和树形结构的网络拓扑关系，并在每个光纤环里配置了热备主节点，基本满足了当前配电网自动化的通信需求，如图2.16所示。

（4）无源光纤网络。EPON是基于以太网，但光的传输及分配无需电源的光纤通信网络，是一种采用点到多点结构的单纤双向的光纤通信技术。它始于20世纪90年代中期，经过十多年的发展已走向大规模商用。EPON设备由三部分组成，分别是线路侧设备OLT（Optical Line Terminal）、中间无源分光设备POS（Passive Optical Splitter）、用户侧设备0NU（Optical Network Unit）。EPON系统组成如图2.17所示。目前，EPON是配电网自动化系统主要的通信方式之一。

图2.16　配电终端到配电子站的光纤自愈环交叉连接和热备方式

图2.17　EPON系统组成

1）EPON的技术特点：采用“单纤双向”技术，主干线路只需要一芯光纤，通过无源分光设备，最大可以辐射出64路光信号。ONU上的不同业务类型可以实现业务通道隔离，上行数据通过时分复用（Time Division Multiple Access，TDMA）方式按照时隙传递，互不干扰，下行数据采用广播方式发送，通过动态带宽分配（Dynamically Bandwidth Assignment，DBA）技术进行动态带宽调整，各个ONU通过各自特定的数据标识接收数据。通过给每个光支路分配标签，在OLT设备的网管上可以清晰地区分出不同的ONU设备。OLT和ONU设备之间可采用自动注册方式，添加ONU设备能实现即插即用，完全不影响整个通信网络的正常运行。采用DBA技术，根据各个ONU设备的业务容量情况，实时地动态调整带宽分配，最大限度利用光纤资源。

2）EPON组网优势：①维护简单。在EPON中，光传输不需要额外电源，可节约维护成本，并且随着接入节点的增加，只需要相应增加分光器和ONU即可；②可提供高带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gbit/s带宽，并且随着以太网规模扩大可以升级到10Gbit/s；③网络覆盖范围大。EPON作为一种点到多点技术，可以利用局端OLT设备上单个光模块及光纤资源，接入大量配电终端，覆盖半径可达20km；④网络可靠性高。EPON系统中各个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的通信数据都采用AES-128进行加密，以保证数据的安全；⑤简化网络层次。EPON通过使用分光设备，简化了中继传输系统，使网络结构更加简单明晰；⑥组网灵活。EPON可以组成星形、链形、环形、树形、混合型等网络结构，如图2.18所示。

图2.18　EPON网络结构

（a）基础树形；（b）主干保护树形；（c）全冗余保护树形；（d）总线型（链形）；（e）全保护总线型（链形）

3）EPON系统使用的通信介质：目前各级电力公司已建成以光纤通信网络为主的调度通信网，所辖电网内35kV、110kV及以上变电站基本实现光纤全覆盖，因此，光纤通信网络具备向110kV或35kV以下的配电线路延伸的网络基础。常用于电力系统通信介质的光缆有三种：全介质自承式光缆、光纤复合架空地线、光纤复合相线。在实际施工中，通常有以下几种敷设光缆的方式：

a.将光缆沿着配电线路架设，挂在电力导线下方。

b.将光纤放置于架空的中高压配电线的地线中。

c.在一些不架设地线的配电线路中，将光纤单元复合在配电电缆相线中。

d.利用电力线管道，地埋光缆。

无论使用哪种光缆、采用何种方式敷设，只要是单模光纤介质，EPON系统都可以支持。

4）EPON系统的通信带宽及接口：现有配电网终端一般具有RS-232、RS-485、GPRS或以太网等通信接口。随着以太网技术应用的不断发展，近年来配电终端接口正慢慢朝以太网过渡。与传统的调度自动化系统相比，配电网自动化系统中配电终端节点数量极大，一个中等规模配电子站系统的配电终端节点数量可有一千多个，同时配电终端还具有节点分散、每一节点的通信数据量小、实时性要求高等特点。因此，在实施配电网自动化通信网络建设时，应该充分考虑到每个配电子站系统通信线路所需要提供的速率要求。通信速率的选择一般是依据监控点数据量及实时性要求而定的，对不同的配电终端通信速率的选择见表2.4。

表2.4　不同配电终端通信速率的选择

EPON系统所能提供的接入带宽足以满足上述要求。在接口方式上，ONU设备在以太网口、语音接口的基础上增加了RS-232/RS-485接口，并且可以配置、更改各接口的通信参数。