波分復用技術在水電站調度通信系統中的應用

宗和剛，張永懿，趙頻嫣，沈唯羽，安美惠，王 偉

（華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電廠，云南 迪慶 674606）

0 引言

水電站調度通信系統是指用于水電站調度管理的通信系統，其重要性體現在以下幾個方面：①實時監(jiān)控與控制：水電站調度通信系統能夠實時監(jiān)測水電站各個設備的運行狀態(tài)，包括水位、流量、發(fā)電機運行狀態(tài)等，以便及時調整和控制水電站的運行情況，確保其穩(wěn)定運行和最大發(fā)電效率運行[1]；②數據傳輸與處理：水電站調度通信系統能夠傳輸和處理大量的實時數據，包括水電站設備運行數據、氣象數據、水文數據等，這些數據對于水電站的調度決策和運行管理至關重要[2]；③調度決策支持：水電站調度通信系統能夠根據實時數據和預測模型，提供給調度員決策支持，幫助其制定合理的水電站調度方案，以最大程度地滿足電力需求和水資源利用的平衡[3]；④故障診斷與維護：水電站調度通信系統能夠對水電站設備進行故障診斷，及時發(fā)現和解決設備故障，提高水電站的可靠性和運行效率。同時，它也能夠提供設備維護管理功能，對設備進行定期巡檢和維護，延長設備壽命。

然而，水電站調度通信系統也面臨一些挑戰(zhàn)：①大數據處理：它需要處理大量的實時數據，包括多種類型的數據和復雜的數據分析模型，對系統的計算能力和存儲能力提出了較高的要求。②數據安全與保護：由于它涉及到大量的敏感數據，包括水電站運行數據、設備狀態(tài)等，因此需要確保數據的安全性，采取保護措施，防止數據泄露和惡意攻擊。③通信可靠性：水電站調度通信系統需要保證通信的可靠性和穩(wěn)定性，以確保實時數據的傳輸和調度指令的準確傳達，降低通信故障對水電站運行的影響；④多方協同與互聯互通：它需要與多個相關部門和機構進行協同工作，包括集控、地調、省調、總調以及其他相關部門等，需要實現不同系統之間的互聯互通，確保信息的及時共享和協同決策的實現。

綜上所述，水電站調度通信系統在水電站的運行管理和調度決策中起著至關重要的作用，同時也面臨著數據處理、安全性、可靠性和協同等方面的挑戰(zhàn)[4]。

1 某水電站調度通信業(yè)務概述

某電站地面中控室的通信業(yè)務結構如圖1 所示，包括：集控電能量系統、總調OMS 系統、調度交互系統、集控交互系統、工業(yè)電視系統、廠內保信子站系統、調度電話系統、行政電話系統、集控衛(wèi)星電話系統、值守樓卡點電話系統等；以上業(yè)務中集控電能量系統、總調OMS 系統、調度交互系統、集控交互系統、工業(yè)電視系統、廠內保信子站系統使用的是普通光電轉換器進行業(yè)務中轉，而調度電話系統、行政電話系統、集控衛(wèi)星電話系統、值守樓卡點電話系統使用的是專用的電話語音光端機進行業(yè)務中轉。

圖1 改造前地面中控室通信業(yè)務結構圖

光電轉換器和電話語音光端機都是單電源，并且都是成對使用，一個布置在地下廠房通信機房的電信傳輸設備柜，另一個布置在地面中控室的一鍵落門控制柜。由于業(yè)務系統較多，需要大量使用光電轉換器和電話語音光端機，每個光電轉換器上都插著一對光纖，結果就造成了電信傳輸設備柜和一鍵落門控制柜內設備雜亂；另一方面，由于這些光電轉換器和電話語音光端機都是單電源，在廠內開展倒閘操作的過程中，經常出現由于失電導致業(yè)務中斷的情況；在去年無人值班現場查評時專家提出：電站地下廠房與地面中控室業(yè)務通道采用光纖通信，使用的光纖收發(fā)器均為單電源設備，不滿足重要設備工作電源冗余配置的要求，需要進行整改。最重要的是這些設備被放置在中控室一鍵落門控制柜內，對電站機組的穩(wěn)定運行也是一個極大的隱患。因此，計劃開展電站中控室通信業(yè)務可靠性的完善。

2 某水電站調度通信業(yè)務改造實踐

大部分水電站調度通信業(yè)務使用的都是點對點的通信方式，一個業(yè)務占用一對光纖，大量使用光纖，一旦其中一根光纖損壞，業(yè)務就會受到影響。

目前光傳輸技術中，有兩種比較常見的技術；其一是波分技術（Wavelength Division Multiplexing，WDM），它是利用光纖傳輸的不同波長來復用不同數據信號的技術。通過將不同波長的光信號混合在一起傳輸，實現多路復用。在接收端，使用光電轉換器將不同波長的光信號分離出來，再進行解調和解碼，實現數據的分離。波分技術可實現多達數百個波長的復用，大大提高了光纖傳輸的容量和效率[5]。其二是時分技術（Time Division Multiplexing，TDM），它是利用時間分割的方式將多個信號串行傳輸在同一條線路上。多個信號以不同的時間片輪流傳輸，接收端按照預定的時間間隔來識別和分離各個信號。

時分技術可以支持多個信號同時在同一線路上傳輸，但傳輸速率有限。波分技術和時分技術的區(qū)別在于復用方式不同，波分技術利用不同波長實現多路復用，而時分技術利用時間分割實現多路復用。波分技術具有高容量、高效率的特點，而時分技術則適用于低速率、低容量的傳輸。為了滿足電站調度業(yè)務實時性要求，計劃使用波分復用技術來改善電站的調度業(yè)務穩(wěn)定性[6]。

2.1 波分復用技術的原理

隨著電站通信業(yè)務的發(fā)展，服務受眾群體不斷擴大，對于網絡通信性能、穩(wěn)定性、可靠性、安全性提出了更高的要求。在這種情況下，波分技術成為了一種優(yōu)選的高效通信技術。

波分技術又稱為“波分復用技術”，它是一種在光纖通信系統中使用的技術。波分復用是將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶各種信息）在發(fā)送端經復用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進行傳輸的技術；在接收端，經解復用器(亦稱分波器或稱去復用器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然后由光接收機作進一步處理以恢復原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術，稱為波分復用。

簡單來說，也可以把WDM 看作是一條公路，如圖2 所示，不同類型的車輛涌入這條公路，到了目的地之后再各走各的。

圖2 波分復用示意圖

利用不同波長的光信號在同一光纖中傳輸時，通過調整波長將它們分隔開來。在一根光纖中，通過分配不同的波長可以將多個信息流進行分離，實現了多路信號在同一光纖上同時傳輸。波分技術的實現需要兩個主要部分：光源和分波器。光源可以產生多個波長的光信號，一般是使用激光器生成不同的波長光。分波器是用來將這些不同的波長光信號進行分離，在這方面，最常用的是光柵分波器和星型分波器。

2.2 某電站中控室通信業(yè)務可靠性完善的具體解決方案

經過調研某公司生產的雙電源光傳輸設備ITN8600，就是基于波分復用技術的光傳輸設備。該設備在幾大運營商都有使用，但是在水電站很少有使用。另外，該設備搭配了數量較多的RJ45 接口（以太網接口）和RJ11 接口（電話和調制解調器接口）；因此可以將目前大量使用的單電源電話語音光端機和光電轉換器進行替換。

光傳輸設備ITN8600 成對使用，由于地面中控室和二次盤室僅有50 m 的距離，考慮到光傳輸設備放在中控室的一鍵落門控制柜隱患較大，計劃將一臺光傳輸設備放在二次盤室內的內外網交換機柜，另一臺，還是放置在地下廠房通信機房的電信傳輸設備柜。

由于原來從地面的二次盤室到地下廠房通信機房的電信傳輸設備柜就敷設過一根48 芯光纜，現在使用這套光傳輸設備，只需要使用其中2 對光纖即可，一對主用，一對備用，可以節(jié)省多對光纖的使用。

雙電源方面，放置在地面的二次盤室內外網交換機柜內的光傳輸設備的雙電源取自旁邊的地面值守樓UPS 電源柜電源K7 和K8 兩路。放置在地下廠房通信機房的電信傳輸設備柜的光傳輸設備的雙電源一路取自旁邊的1 號高頻開關電源分配屏的TK42；另一路取自旁邊的2 號高頻開關電源分配屏的TK42；設備調試時，先將兩個光傳輸設備調試通，所帶的網口、電話接口調試通，再上架安裝，這樣可以縮短調試時間，進而縮短業(yè)務中斷時間。設備調試好之后，從地面值守樓二次盤室內外網交換機柜敷設網線到中控室各個終端，再插上相應的網線，測試業(yè)務是否正常。

改造后，中控室通信業(yè)務拓撲圖如圖3 所示。

圖3 改造后的通信業(yè)務系統拓撲圖

ITN8600 光傳輸設備由光傳輸設備主機、協議轉換器和語音交換機3 部分構成，如圖4 所示。光傳輸設備主機主要由網絡交換單板、OTN 業(yè)務單板、8 波合分波板、光線路保護板、備用空板和電源單板構成。電源單板電源1 和電源2 都是AC 220 V，取自不同電源點；光線路保護板起到冗余備份的作用，始終處于熱備狀態(tài)，主用的一對光纖故障，就立刻切到備用的一對光纖，期間業(yè)務不會中斷；主光口和備光口的光信號進來之后，由合光口往外送出，送到8 波合分波板的分光口；8 波合分波板波長為1 471 nm 的光口將光信號送到OTN 業(yè)務單板的L1 光口，然后OTN 業(yè)務單板上的電口1~電口8 就可以承載電口業(yè)務；8 波合分波板波長為1 491 nm的光口將光信號送到協議轉換器的EAST 光口，通過協議轉換器的轉化將光信號轉化為電信號，再通過同軸電纜送到語音交換機上，最終語音交換機的語音口1~語音口3 就可以承載電話語音業(yè)務，這里一個語音口可以承載4 部電話業(yè)務。

圖4 光傳輸設備接線原理圖

2.3 網管系統

由于光傳輸設備配置了帶NEG 口的網管交換機單板，因此可以通過在專用的維護電腦上安裝網管平臺（NView NNM），實現統一網管，及時接收告警，快捷定位故障，迅速開通業(yè)務。支持的故障類型包括設備電源故障、光功率故障、環(huán)回檢測故障等。

網管系統的安裝目的在于解決網絡維護難的問題，該系統功能完備，界面美觀大方，且操作簡單易用，能夠滿足日常維護的需求，網管界面如圖5 所示。

圖5 網管系統界面

該平臺能夠實現數據網絡、傳輸網絡的統一管理，具備強大的網元級管理與子網級管理功能，北向提供CORBA、SNMP、JDBC、SOCKET 等多種接口方式用于與業(yè)務運營支撐系統集成，南向采用SNMP 協議與網元層設備進行互管。系統采用模塊化設計理念，支持靈活的部署方式，依據網絡實際情況，按需部署。

網管軟件提供可視化操作界面，拓撲結構清晰、功能豐富，除了能提供完整的設備管理維護能力之外還能提供多樣化的圖形報表。

（1）圖形化的設備界面，網管圖形化設備界面及告警指示燈和設備實際狀態(tài)一致?？梢酝ㄟ^網管面板直接讀取設備告警狀態(tài)、端口使用情況及端口通斷狀態(tài)，無需復雜的網管操作。

（2）豐富的設備運行狀態(tài)讀取，除了常規(guī)設備基礎數據讀取外，還提供外部環(huán)境讀取，如溫度、電源狀態(tài)讀取。

（3）網管平臺還提供設備告警，告警窗口提供維護者排障建議，降低維護難度。

（4）除此之外，網管平臺還具有網管報表功能；提供詳細的網管操作和故障處理幫助文檔。

3 總結

在本次改造過程中，使用的波分復用光傳輸設備以點對點的組網方式進行通信，組網簡單清晰；機框采用雙電源供電；波分功能模塊分離式設計，即業(yè)務復用、波長轉換、合分波由不同板卡完成，互不影響；各模塊間通過物理連接，無需邏輯交叉配置，開通簡單，清晰明了，易于開通和維護。另外可擴容性方面，每臺波分設備有不少于6 個業(yè)務槽位。業(yè)務板卡、管理板卡和純光板卡可靈活混插。搭載了網管板卡，只要安裝網管系統，就能通過網管實時監(jiān)控，實現界面化監(jiān)控和操作；網管系統支持光纜故障自動定位、故障信息以郵件或短信方式自動通知；網管支持地圖方式顯示節(jié)點位置。

在水電站通信系統中，使用波分復用技術來取代單電源的光電轉換器、交換機和其他通信設備。波分復用技術通過光纖進行傳輸，支持不同協議和通信業(yè)務的同時傳輸，提高了通信的靈活性和多樣性。并且實現分散設備的集中管理，提高通信效率和可靠性，這是波分復用技術應用領域的擴展；這種技術主要有以下一些優(yōu)點：

（1）提高通信效率：設備搭載了波分復用技術，可以在一根光纖上實現多路信號傳輸，大大提高了通信效率，使得水電站調度通信更加及時、準確、穩(wěn)定。

（2）降低通信成本：設備使用的雙電源光傳輸技術，可以通過一條光纖傳輸多路信號，節(jié)省了光纖的使用成本，降低了通信成本。

（3）提高通信安全性：設備使用光傳輸技術，光纖通信不易被竊聽、干擾，從而保證了通信的安全性。

（4）提高工作效率：設備配備了大量的RJ45 和RJ11 接口，可以將大量的單電源電話語音光端機和光電轉換器進行替換，大大提高了工作效率。

綜上所述，該技術在水電站調度通信業(yè)務中的使用，可以提高通信效率、降低通信成本、提高通信安全性和工作效率，進而提升水電站的運營效率和服務質量，為電站帶來積極的經濟和社會效益[7]。