電力主干波分復(fù)用智能網(wǎng)的應(yīng)用研究

田宇 焦杰 劉彥揚

1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206；2.華北電網(wǎng)有限公司北京超高壓公司,北京 102488

電力主干波分復(fù)用智能網(wǎng)的應(yīng)用研究

田宇1焦杰2劉彥揚2

1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206；2.華北電網(wǎng)有限公司北京超高壓公司,北京 102488

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，其原有的電力通信系統(tǒng)的通信壓力日益加大。密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)在智能電網(wǎng)中主干傳輸網(wǎng)上的應(yīng)用也逐漸得到人們的重視。本文首先介紹了DWDM系統(tǒng)的概念、優(yōu)點和關(guān)鍵技術(shù)。最后對DWDM在智能電網(wǎng)中主干傳輸網(wǎng)中的應(yīng)用方案進行了研究。

智能電網(wǎng)；DWDM系統(tǒng)；主干傳輸網(wǎng)；應(yīng)用研究

在社會發(fā)展巨大需求的帶動下，電力事業(yè)的發(fā)展一日千里，對整個社會生活和現(xiàn)代化進程產(chǎn)生了極大的推動作用，智能電網(wǎng)是當(dāng)前電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。智能電網(wǎng)對電力業(yè)務(wù)的實時性與可靠性傳輸要求提出了更高的要求，快速發(fā)展的電網(wǎng)也給電力通信系統(tǒng)帶來巨大的擴容壓力。而由于受器件自身特性的限制，原有電力通信系統(tǒng)光纖網(wǎng)的傳輸容量及擴容方式均無法滿足實際需求，而也沒有充分利用原有光纖的巨大帶寬資源。因此，對現(xiàn)有電力通信系統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)進行擴容是非常必要的。隨著波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing:WDM)和密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing:DWDM）的逐漸成熟，波分復(fù)用技術(shù)在電力通信系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用前景。

1 WDM概述

1.1 WDM和DWDM

在同一根光纖中同時讓兩個或兩個以上的光波長信號通過不同光信道各自傳輸信息，稱為光波分復(fù)用技術(shù)。如圖1所示，在發(fā)送端，將兩個或多個波長不同的光載波信號，經(jīng)合波器匯合后耦合到某一根光纖中進行傳輸；在接收端通過分波器對不同波長的光載波進行分離，之后再由光接收機做進一步處理和提取信號。波分復(fù)用不僅可以單向傳輸，而且可以雙向傳輸。

圖1 波分復(fù)用原理圖

WDM的實質(zhì)是光域上的頻分復(fù)用(FDM)技術(shù)。WDM系統(tǒng)中，每個信道通過頻域的分割來實現(xiàn)，每個信道占用一段光纖的帶寬。

WDM系統(tǒng)中，根據(jù)光纖中傳送的相鄰光載波的波長大小，可以分為粗波分復(fù)用(CWDM)和密集波分復(fù)用(DWDM)。其中CWDM是指相鄰的光載波的波長間隔比較大，而DWDM是指相鄰的光載波的波長間隔比較小。與通用的單信道系統(tǒng)相比，DWDM不僅極大地提高了通信系統(tǒng)的容量，充分利用了光纖的帶寬，而且它具有擴容簡單和性能可靠等諸多優(yōu)點，因此，密集波分復(fù)用技術(shù)的前景十分光明。

DWDM技術(shù)是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個波長作為載波，允許各載波信道在光纖內(nèi)同時傳輸。當(dāng)前，密集波分復(fù)用技術(shù)就是將1550nm窗口附近的承載不同業(yè)務(wù)信號的不同波長的光信號耦合到同一根光纖中進行傳輸，并在接收端對其解復(fù)用后再分別進行接收。近年來，光電器件的迅速發(fā)展，特別是EDFA的成熟和商用化，使在1550nm窗口區(qū)域采用DWDM技術(shù)逐漸成熟并走向商用化。

1.2 DWDM的優(yōu)點：

DWDM技術(shù)之所以在近幾年得到迅猛發(fā)展，是因為它具有下述優(yōu)點

1.2.1 能夠同時傳輸多種且類型不同的信號。DWDM技術(shù)使用的各波長的信道是相互獨立的。包括數(shù)字信號、模擬信號、PDH信號、SDH信號和多種業(yè)務(wù)的混合傳輸?shù)?。因此同時可以傳輸多種速率及特性完全不同的信號，可以便捷的做到綜合傳輸各種電信業(yè)務(wù)信號;

1.2.2 充分挖掘光纖的巨大帶寬資源。光線具有巨大的帶寬資源（低損耗波段），DWDM技術(shù)使一根光纖的傳輸容量比但波長傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍，從而增加了光纖的傳輸容量，降低了通信成本，有很強的經(jīng)濟實用價值;

1.2.3 大容量傳輸?shù)耐瑫r降低了器件的超高速要求。許多光電器件的響應(yīng)速度由于傳輸速率的快速提升而顯得吃力，而DWDM技術(shù)不僅可以大容量傳輸，還能夠降低對部分器件在性能上的極高要求;

1.2.4 具有高度的組網(wǎng)經(jīng)濟性、可靠性和靈活性。DWDM技術(shù)有多路多址局域網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、長途干線網(wǎng)等多種應(yīng)用形式。利用DWDM技術(shù)可以選擇路由，完成故障恢復(fù)和網(wǎng)絡(luò)交換，從而實現(xiàn)經(jīng)濟實用、靈活的光網(wǎng)絡(luò);

1.2.5 減少線路的成本。采用DWDM技術(shù) 可使N個波長復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，同時單根光纖也可以進行雙向傳輸，在相隔距離較遠且信號傳輸量大時可以減少大量光線的使用，另外，對已經(jīng)建成的光纖通信系統(tǒng)擴容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可以進一步增容而不必對原系統(tǒng)做大的改動。

2 DWDM的關(guān)鍵技術(shù)

DWDM技術(shù)的特點有：大容量的信息傳遞、網(wǎng)絡(luò)平滑擴容、兼容性好、節(jié)約光纖資源、超長中繼距離等。DWDM技術(shù)的特征正式有了以下幾個方面技術(shù)的支撐才得以實現(xiàn)。

2.1 光合波與分波技術(shù)。光合波技術(shù)通過光復(fù)用器來實現(xiàn)，光復(fù)用器將不同波長的發(fā)送信號混合在一條單獨的光纖上；分波技術(shù)由是光分解器來實現(xiàn)，分解器將混合信號分解為接收器的分支波長。光復(fù)用器和光分解器的性能的優(yōu)劣決定著系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，在超高速、大容量波分復(fù)用系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。DWDM系統(tǒng)對其要求是：

2.1.1 低的偏差相關(guān)性；

2.1.2 損耗及其偏差??；

2.1.3 信道間的串?dāng)_小。

2.2 光放大技術(shù)。光放大技術(shù)是目前DWDM系統(tǒng)在大容量長距離的傳輸技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)手段。在相距較遠的距離中，光功率受限往往成為決定傳輸距離的主要障礙，而光放大器（OA）的出現(xiàn)和發(fā)展使得光功率受限不再是長距離傳輸?shù)闹饕獑栴}。在摻鉺光纖放大器（EDFA）的實用化，有效地節(jié)省了大量的再生中繼器，并且實現(xiàn)了直接光放大，簡化了系統(tǒng)，擴大了傳輸容量，使得在傳輸過程中的光纖損耗不再成為主要問題；在光纖通信領(lǐng)域上是一次重大飛躍。促進了真正意義上的密集波分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展。

2.3 節(jié)點技術(shù)。DWDM光傳送網(wǎng)中的節(jié)點分為光交叉連接（OXC）節(jié)點、光分插復(fù)用（OADM）節(jié)點和混合節(jié)點（同時具有OXC和OADM功能的節(jié)點）。當(dāng)業(yè)務(wù)發(fā)展需要對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行調(diào)整時，OXC能夠簡單迅速地完成網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度和升級。當(dāng)出現(xiàn)光纜中斷或節(jié)點失效時，OXC能自動完成故障隔離、重選路由、重新配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等功能，OXC節(jié)點無需進行光/電轉(zhuǎn)換和電信號處理。OADM節(jié)點的功能類似于SDH網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字分插復(fù)用設(shè)備（ADM），它可以直接以光波信號為操作對象，利用光波分復(fù)用技術(shù)在光域上實現(xiàn)波長信道的上下。

2.4 功率均衡技術(shù)。在光網(wǎng)絡(luò)中，從本地節(jié)點上路的光信號與其它由于傳輸了不同距離、從而光功率不同的一些信號復(fù)用在一起傳輸，由于光濾波器、EDFA和光開關(guān)等器件對各波長的信號響應(yīng)略有不同，即使是復(fù)用在一起傳輸?shù)墓庑盘?，在傳輸一段距離后，它們的功率也可能不同。在經(jīng)過級聯(lián)EDFA系統(tǒng)后，不同功率的波長信號中的一些波長的功率將可能進一步降低，導(dǎo)致該信道性能惡化。另外，因為光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)、上下話路或重新配置等原因，導(dǎo)致進入節(jié)點的各個波長通道的光功率也存在差異，由于光信號要經(jīng)過多個節(jié)點和鏈路，各個波長通道之間的光功率差異不斷累積，這使得各個光信道的信噪比不一致，直接影響到系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。因此要保障通信質(zhì)量，非常有必要在光網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點處對每個波長的光功率進行均衡。

3 密集波分復(fù)用技術(shù)在智能電網(wǎng)主干傳輸網(wǎng)中的應(yīng)用研究

在智能電網(wǎng)主干傳輸網(wǎng)中引入DWDM技術(shù)，不僅要考慮當(dāng)前電網(wǎng)的整體運營狀況，還要充分考慮未來電網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展對電力通信系統(tǒng)的需求、現(xiàn)有資源的利用和整合以及經(jīng)濟效益等諸多因素。

3.1 DWDM系統(tǒng)建設(shè)方案

DWDM系統(tǒng)是一種適合多業(yè)務(wù)、大容量的傳輸系統(tǒng)，具有低成本、易擴展、穩(wěn)定性高的特點。隨著我國電力通信網(wǎng)所要承載的系統(tǒng)寬帶、業(yè)務(wù)類型和服務(wù)質(zhì)量面臨著巨大的壓力，以語音和窄帶數(shù)據(jù)為主的業(yè)務(wù)模式逐漸向?qū)拵Щ?、?shù)字化、智能化和綜合化的網(wǎng)絡(luò)化模式發(fā)展。智能電網(wǎng)中主干DWDM系統(tǒng)的建設(shè)就變得越來越急迫。建設(shè)DWDM的方案如下。

3.1.1 電力主干DWDM系統(tǒng)不僅要滿足當(dāng)前電力數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)寬帶的快速發(fā)展，同時要成為電力生命線運行的基本保障。

3.1.2 采用通用多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)。若有某條干線光纜突發(fā)中斷時，仍能快速自動地恢復(fù)光路，真正實現(xiàn)自動光交換。

3.1.3 DWDM系統(tǒng)的建設(shè)，要滿足社會生產(chǎn)和經(jīng)營管理信息化應(yīng)用的需要。因此該系統(tǒng)不僅要滿足日常大顆粒業(yè)務(wù)的高寬帶傳輸?shù)囊?，同時還必須在各類災(zāi)害發(fā)生時滿足調(diào)度中心EMS系統(tǒng)、營銷和財務(wù)、生產(chǎn)MIS以及各分公司數(shù)據(jù)中心等各類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的異地災(zāi)備需求。

3.2 智能電網(wǎng)主干傳輸網(wǎng)中DWDM系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

DWDM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計要綜合考慮業(yè)務(wù)需求和分布、光纖鋪設(shè)、技術(shù)能力以及實際網(wǎng)絡(luò)的兼容性等諸多因素。由于DWDM系統(tǒng)中波道的數(shù)量較多，在實際工程設(shè)計中要因地制宜，根據(jù)不同的波道分別組織線形、樹干形、格形和環(huán)形等不網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另外，光纜干線工程設(shè)計中，省際干線和省內(nèi)干線兩種傳輸系統(tǒng)需要分別進行設(shè)計，在DWDM系統(tǒng)工程中可有效利用不同的光波道，分別組成省際干線、省內(nèi)干線和其他專業(yè)網(wǎng)的傳輸系統(tǒng)。

3.2.2 設(shè)備選型

DWDM設(shè)備選型是一項非常重要的工作，需要考慮設(shè)備的性能、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備上下兼容性、網(wǎng)管性能等諸多方面的因素。智能電力主干DWDM系統(tǒng)的終端部分由現(xiàn)有的SDH設(shè)備構(gòu)成，線路傳輸部分由DWDM設(shè)備和光纖等構(gòu)成。因此，設(shè)備選型的工作主要包括DWDM設(shè)備、光纖和終端設(shè)備和三方面內(nèi)容。

3.2.2.1 光纖。DWDM系統(tǒng)要求對光纖的要求較高，要求光纖小的偏振模色散和小的色度色散，同時工作波長區(qū)的色度色散不能為零。當(dāng)前，我國已建的近百萬公里光纜線路采用的光纖，基本上全是ITU-TG G.652單模光纖，該光纖適合傳輸波道基礎(chǔ)速率為2.5Gbit/s的DWDM系統(tǒng)。新建的光纜線路工程，已改用G.655非零色散位移單模光纖，G.655光纖既適合傳輸波道基礎(chǔ)速率為2.5Gbit/s、10Gbit/s的DWDM系統(tǒng)也適合傳輸高速率的時分復(fù)用系統(tǒng)。

3.2.2.2 DWDM設(shè)備。DWDM設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)主要包括設(shè)備制式、波道數(shù)量、波道系統(tǒng)速率、技術(shù)性能指標(biāo)和網(wǎng)管性能等。DWDM設(shè)備主要分為集成式和開放式兩種。相比于集成式DWDM設(shè)備，開放式DWDM設(shè)備為了可以兼容不同的工作波長和不同廠家生產(chǎn)的SDH設(shè)備，在系統(tǒng)中采用了波長轉(zhuǎn)換器，使得僅僅使用DWDM設(shè)備就可以構(gòu)成光纖通信鏈路的傳輸系統(tǒng)，而只在鏈路的終端接入SDH設(shè)備。這使得網(wǎng)絡(luò)的組織、管理、維護、擴容等均非常有利。因此，在工程設(shè)計中選用開放式DWDM設(shè)備。目前，可商用的DWDM系統(tǒng)的波道基礎(chǔ)速率有2.5Gbit/s和10Gbit/s兩種設(shè)備，根據(jù)選定系統(tǒng)傳輸容量和所使用的光纖種類進行選用。

3.2.3 站段配置

DWDM傳輸系統(tǒng)設(shè)有光放站、再生站、轉(zhuǎn)接站和終端站。光放段一般按照等增益原則設(shè)計，并確保再生段內(nèi)全部的光線路放大器的輸出功率電平及其接收靈敏度完全相同。再生段的主要參數(shù)是長度及可接受的總色散和信噪比指標(biāo)要求。同時為了系統(tǒng)的維護和調(diào)測，一般只選用相同增益類型的光放大器。再生段單波光波道的信噪比一般要求不小于20dB。轉(zhuǎn)接站和終端站主要根據(jù)通路組織和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，在該兩種站內(nèi)配置DWDM的合波器、波長轉(zhuǎn)換器、分波器和SDH的終端復(fù)用器等。

3.2.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理要求

DWDM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是維護網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備穩(wěn)定工作的重要途徑，是DWDM系統(tǒng)發(fā)展的最重要問題，DWDM系統(tǒng)應(yīng)用能否取得成功很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)管理。DWDM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)DWDM系統(tǒng)的配置管理、安全管理、故障管理和性能管理等。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)元網(wǎng)絡(luò)管理兩大部分構(gòu)成。其中網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管的級別比網(wǎng)元網(wǎng)管要高一級，前者主要負責(zé)對整個DWDM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進行管理和監(jiān)控，能夠及時地反映網(wǎng)絡(luò)的工作狀況，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行參數(shù)配置和維護管理。而網(wǎng)元網(wǎng)管的主要工作是完成對網(wǎng)元設(shè)備的管理和監(jiān)控，對網(wǎng)元設(shè)備進行配置并實時反應(yīng)網(wǎng)元設(shè)備的運行狀況。

4 結(jié)語

在智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng)中利用DWDM技術(shù)構(gòu)建的是一個光網(wǎng)絡(luò)層，可以搭建在現(xiàn)有電力通信系統(tǒng)的SDH網(wǎng)絡(luò)之上，來對現(xiàn)有電力通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行整合、優(yōu)化。DWDM技術(shù)以其眾多的優(yōu)點必然逐漸在只能電網(wǎng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。智能電網(wǎng)中主干光纖DWDM系統(tǒng)的建成，可以大大提高目前電力通信系統(tǒng)的速率和帶寬容量，能充分適應(yīng)未來一段時間內(nèi)電力通信業(yè)務(wù)對大容量和高速率的需求。DWDM系統(tǒng)自身具有健壯的自愈能力，這使得DWDM系統(tǒng)在出現(xiàn)設(shè)備檢修或光纜中斷等情況時，依然可以確保所有電網(wǎng)重要業(yè)務(wù)傳輸?shù)母呖煽啃院桶踩?。另外，DWDM系統(tǒng)還大大減少了電網(wǎng)的重要生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管理信息中斷次數(shù)，大大減少了人工倒接電路的工作，同時也保證了電網(wǎng)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理工作的正常運行，有效地解決了電力通信業(yè)務(wù)IP化需求。

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