電力系統(tǒng)超長(zhǎng)距離光纖通信傳輸系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

徐 晶，韓 敏

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司平?jīng)龉╇姽?，甘肅 平?jīng)?744000）

0 引 言

隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，光纖通信技術(shù)已成為現(xiàn)代通信領(lǐng)域的核心。在電力系統(tǒng)中，光纖通信技術(shù)因其高帶寬、低損耗以及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于超長(zhǎng)距離傳輸。本研究旨在深入探討超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以期為該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。另外，詳細(xì)探討系統(tǒng)總體架構(gòu)、各部分功能、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式等，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例分析評(píng)估該系統(tǒng)的性能和效果。

1 超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)是整個(gè)光纖數(shù)據(jù)傳輸期間控制光纖中繼器的使用工具，進(jìn)而達(dá)到光纖通信高效傳輸?shù)闹匾康摹Ｔ谶M(jìn)行傳輸過(guò)程中，需要保持環(huán)境具備良好的平穩(wěn)性，以此有效降低光在傳輸中的損耗，進(jìn)而促使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳性價(jià)比[1]。其中，超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 電力系統(tǒng)超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)流程

第一步，整體規(guī)劃。確定系統(tǒng)參數(shù)，包括傳輸距離、傳輸速率、傳輸格式等。第二步，確定通路組織。根據(jù)實(shí)際情況選擇光纖類型，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)計(jì)光發(fā)送和接收模塊，包括調(diào)制方式、靈敏度、線性動(dòng)態(tài)范圍等。在超長(zhǎng)距離傳輸中，光信號(hào)的功率會(huì)隨著傳輸距離的增加而減小，因此需要采用光放大技術(shù)來(lái)提高光信號(hào)的功率。第三步，系統(tǒng)配置。根據(jù)實(shí)際需求確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如星型、環(huán)型、鏈型等，并設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，包括網(wǎng)元管理、故障處理、性能監(jiān)測(cè)等。第四步，提出系統(tǒng)性能規(guī)范。超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)的最大傳輸距離應(yīng)該達(dá)到或超過(guò)100 km，以滿足電力系統(tǒng)廣泛覆蓋的需求。系統(tǒng)應(yīng)支持高速數(shù)據(jù)傳輸，至少應(yīng)達(dá)到10 Gb/s，以適應(yīng)電力系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。由于電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性要求極高，超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)應(yīng)具備抵抗惡劣環(huán)境和氣候條件的能力，以確保穩(wěn)定運(yùn)行。第五步，系統(tǒng)類型選擇。該系統(tǒng)應(yīng)具備高級(jí)別的安全性能，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)泄露，保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行?？紤]未來(lái)電力系統(tǒng)可能進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)應(yīng)具備良好的擴(kuò)展性，便于未來(lái)升級(jí)和擴(kuò)容。第六步，系統(tǒng)仿真/實(shí)際運(yùn)行和測(cè)試。通過(guò)仿真和測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)的性能是否滿足要求。第七步，系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)。根據(jù)仿真測(cè)試和實(shí)際運(yùn)行測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。第八步，考慮未來(lái)的擴(kuò)展性。在設(shè)計(jì)超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)時(shí)，需要考慮未來(lái)的擴(kuò)展性，以便在未來(lái)進(jìn)行升級(jí)或擴(kuò)容。

2 工程方案設(shè)計(jì)與建設(shè)

2.1 項(xiàng)目概況與整體規(guī)劃

本項(xiàng)目旨在升級(jí)牙克石500 kV 變電站，并擴(kuò)展海北和嶺東兩座變電站的容量。新建的海北-牙克石線路將采用雙回同塔設(shè)計(jì)，單程長(zhǎng)度約為75 km，選用LGJ-400x4 導(dǎo)線；而牙克石至嶺東的線路則為雙回同塔，全程約256 km，同樣采用LGJ-400x4。經(jīng)過(guò)深入研究，提出2 種可能的實(shí)施方案。

方案一，傾向采用中繼站策略，包括土建施工及電源接入等步驟。在牙克石變電站-海北變電站和牙克石變電站-嶺東變電站之間各設(shè)置一個(gè)中繼站。方案二，依賴?yán)夥糯蠹夹g(shù)，在不同位置部署定制化的放大設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備特性確定安裝區(qū)域。

盡管兩者均符合實(shí)際情況，但方案實(shí)施時(shí)也需關(guān)注其他限制，如土地征用[2]?？紤]我國(guó)部分地區(qū)因拆遷問(wèn)題導(dǎo)致施工受阻，方案一可能在農(nóng)村地區(qū)面臨較多困難[3]。相比之下，方案二無(wú)須額外建設(shè)中繼站，對(duì)土地需求較小，因此在實(shí)際操作上更具可行性。鑒于此，本項(xiàng)目決定采納方案二作為實(shí)驗(yàn)首選。在500 kV高壓變電站內(nèi)，核心設(shè)施包括主控調(diào)度系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)以及應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)等。

2.2 系統(tǒng)配置與性能規(guī)范

我國(guó)的同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）是一種集成型的技術(shù)平臺(tái)，在對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)期間需充分考量實(shí)際運(yùn)行需求。在線路傳輸過(guò)程中，中繼器的部署至關(guān)重要，短距離傳輸可酌情省略，但遠(yuǎn)程通信則應(yīng)適時(shí)增設(shè)。對(duì)于光同步數(shù)據(jù)的傳輸，采取預(yù)防性策略，通過(guò)最保守的算法預(yù)估可能遇到的最低光纖傳輸速率，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)各種環(huán)境條件，靈活調(diào)整傳輸策略，如統(tǒng)計(jì)分析法，適應(yīng)性管理中繼設(shè)備。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

2.3.1 傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

技術(shù)的進(jìn)步預(yù)示著光纖傳輸?shù)臐撛诟邘挘谠O(shè)計(jì)中，依然以最嚴(yán)格的《電力系統(tǒng)同步數(shù)字系列（SDH）光纜通信工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5404—2007）內(nèi)容為基準(zhǔn)，若低于此標(biāo)準(zhǔn)，則將適度增加中繼站以滿足最低傳輸需求。設(shè)置原則應(yīng)遵循效益最大化，即在故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)檢測(cè)傳輸終端和中繼器可以定位光源丟失，確定故障點(diǎn)B 的系統(tǒng)參數(shù)。提高效率的最佳途徑是精簡(jiǎn)和優(yōu)化現(xiàn)有代碼，減少冗余，從而整體提升性能[4]。

針對(duì)色散限制型的通信系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)流程基于預(yù)設(shè)的總色散值進(jìn)行。通過(guò)查找相關(guān)分類編碼，可以確定出一套完整的光系統(tǒng)參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的性能優(yōu)化至關(guān)重要。實(shí)際上，色散受限系統(tǒng)最大中繼段距離的估算公式為

式中：M為中繼鏈路的長(zhǎng)度，km；ε 為光源的色散容限值，當(dāng)光源選擇為多模式激光器時(shí)，對(duì)應(yīng)的值為0.115，而若是單模式激光器，則取0.306；B為線路中的信號(hào)數(shù)據(jù)速率，Mb/s；D為系統(tǒng)使用壽命結(jié)束時(shí)的光纖色散特性，ps/（nm·km）；λ為系統(tǒng)壽命末期光源譜寬的均方根值。

在實(shí)際操作中，檢驗(yàn)光纜的富裕度Mc是否適應(yīng)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，僅需核實(shí)目標(biāo)長(zhǎng)度。在計(jì)算過(guò)程中，利用設(shè)備本身預(yù)期使用壽命期間的穩(wěn)定性能，即發(fā)送光功率和接收靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)值?；顒?dòng)連接器的損耗程度取決于其類型，以國(guó)內(nèi)常用的FC/PC 連接器為例，即使經(jīng)過(guò)1 000 次以上的插拔操作，其損耗也仍然保持在0.5 dB。

光纖在1 310 nm 波長(zhǎng)窗口的衰減系數(shù)設(shè)定為0.36 dB/km，而在1 550 nm 窗口則為0.21 dB/km；光纖色散系數(shù)在1 310 nm 時(shí)為3.5 ps/（nm·km），而在1 550 nm 時(shí)則降低至18 ps/（nm·km）。固定接頭的損耗則與接頭的質(zhì)量相關(guān)，本工程假設(shè)為0.02 dB/km。對(duì)于Mc，當(dāng)再生段長(zhǎng)度小于75 km 時(shí)，富裕度設(shè)為3 dB；若長(zhǎng)度超過(guò)125 km，則富裕度提升至5 dB。然而，需注意，設(shè)計(jì)中繼段時(shí)系統(tǒng)必須同時(shí)滿足系統(tǒng)衰減限制、色度色散以及極化模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）的所有技術(shù)規(guī)范。

2.3.2 光接口與電接口設(shè)計(jì)

在構(gòu)建光纖電路時(shí)，嚴(yán)格遵循ITU-T G.957 標(biāo)準(zhǔn)定義的光接口規(guī)范，確保SDH 設(shè)備之間的橫向兼容性得以實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目選用G.652 光纖，并且結(jié)合STM-64 和STM-16 這2 種光接口技術(shù)[5]。SDH 長(zhǎng)途光傳輸網(wǎng)絡(luò)的電接口種類豐富，涵蓋從2 ～155 Mb/s的多種速率，以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

2.4 系統(tǒng)優(yōu)化與改進(jìn)

針對(duì)本500 kV 變電站項(xiàng)目，其網(wǎng)絡(luò)定位和特性決定主要依賴2 Mb/s 的上行和下行話路服務(wù)（其電接口參數(shù)規(guī)范參考表1）。在本設(shè)計(jì)中，所有SDH設(shè)備都配備2 塊63 路的2 Mb/s 電接口板，用于保護(hù)熱固型改性聚苯板，每塊電接口板至少具備63 個(gè)獨(dú)立的2 Mb/s 接口。此外，配置一塊100 Mb/s 以太網(wǎng)板（其接口類型及其要求見表2），以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和數(shù)據(jù)傳輸能力。

表1 2 Mb/s 電接口參數(shù)規(guī)范

表2 100 Mb/s 接口要求

3 實(shí)現(xiàn)效果與未來(lái)擴(kuò)展性的考慮

根據(jù)所采用的設(shè)計(jì)策略，對(duì)系統(tǒng)傳輸輔助設(shè)備性能進(jìn)行評(píng)估。初始轉(zhuǎn)發(fā)光放大器輸出的光強(qiáng)度為13 dBm。經(jīng)過(guò)235 km 的光纜傳輸后，光強(qiáng)衰減至-37.22 dBm。引入拉曼放大器后，這一數(shù)值改善為-27.22 dBm。增加功率放大器后，光功率提升到-12.22 dBm，明顯優(yōu)于預(yù)期的閾值-18 dBm。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠滿足接收端接收需求。

在本工程項(xiàng)目的實(shí)施中，特別采用適用于超長(zhǎng)距離光纖通信的先進(jìn)放大器技術(shù)，特別是在電力系統(tǒng)兩端的光接口位置部署拉曼放大器。這一創(chuàng)新舉措的顯著優(yōu)勢(shì)在于，消除傳統(tǒng)中繼站的需求，極大簡(jiǎn)化運(yùn)行管理和維護(hù)流程。

4 結(jié) 論

超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究與應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。在未來(lái)的研究中，將繼續(xù)關(guān)注超長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，不斷探索新的關(guān)鍵技術(shù)，以提高系統(tǒng)的傳輸效率、穩(wěn)定性以及可靠性。同時(shí)，將加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的合作與交流，共同推動(dòng)該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用拓展。