电力系统超长站距光传输解决方案分析

李玉杰 ，汪 洋 ，赵宏波

(1.甘肃电力信息通信中心 兰州 730050；2.中国电力科学研究院 北京 100192）

1 引言

电力系统通信网是我国专用通信网中规模较大、发展较为完善的专网。随着通信网络光纤化趋势进程的加速，我国电力专用通信网在很多地区已经基本完成从主干线到接入网向光纤过渡的过程，光纤通信已经成为电力系统安全稳定运行以及电力系统生产生活中不可缺少的一个重要组成部分[1]，对其在电力通信中应用的研究也越来越受关注[2～5]。近年来，随着跨大区、特高压输电线路的建设使得电网传输容量越来越大，变电站(发电厂)至变电站的传输距离越来越长[6～8]，1000 kV交流输电系统的输电距离在300～500 km，±500 kV/±800 kV 直流输电的距离在 1000 km左右，长距离500 kV交流输电至少也有300 km。这样与输电线路同步建设的OPGW光缆及光纤通信也需要进行超长站距传输或者新建中继站。

新建中继站涉及征地、外接电源引接、土建施工、消防排水、防雷接地等工作，工程实施比较困难，此外中继站需设专人看守，易遭人为盗抢破坏，维护量大，所以近年来电力系统各网省公司纷纷开展超长站距光通信技术方面的研究并进行试验[9～12]。针对甘肃电力通信超长站距的实际情况，我们选取甘肃定西330 kV—平凉750 kV变电站进行了现场测试与分析，提出了超长站距光传输的解决方案。

2 超长站距光传输的关键技术

超长站距光传输是指不采用任何电再生中继的全光传输。根据ITU-T建议，对于2.5 Gbit/s速率的光通信系统，超长站距是指大于160 km的传输系统。由于减少了光/电转换次数，并且可以利用光纤丰富的带宽资源，超长站距光传输技术大大降低了长距离传输的成本，同时系统的可靠性和传输质量都得到了保证。正是由于这些优点，长距离光传输技术受到了密切关注。针对光通信线路的衰减、色散、非线性等影响因素，光放大技术、受激布里渊散射（SBS）抑制技术、前向纠错技术（FEC）、色散补偿技术成为解决长站距无中继传输的关键技术。

2.1 光放大技术

光纤放大是在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。目前,常用的且技术比较成熟的光放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）和光纤拉曼放大器（FRA）[13～15]。

2.1.1 EDFA

采用适当的工艺在石英或其他基质的光纤中掺杂铒离子(Er3+)构成掺铒光纤，利用掺铒光纤制作的光放大器就是EDFA。EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、波分复用器（WDM）、隔离器等组成，如图1所示。泵浦方式除了图中所示的前向泵浦外，还有反向泵浦和双向泵浦。

2.1.2 FRA

FRA的工作原理是基于光纤中的受激拉曼效应(SRS)，用量子力学的观点可解释为：一个泵浦光子入射到光纤，光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级，然后处在虚能级的电子在信号光的感应下回到振动态的高能级，同时发出一个低频斯托克斯光子。光纤中电子也可以从振动态的高能级跃迁到虚能级，然后回到基态，发出反斯托克斯光子。

在光纤中位于基态之上的振动态能级有一个较大范围，如果弱信号光与强泵浦光同时在光纤中传输，且信号光波长在泵浦光的拉曼增益谱内，那么一部分能量就从泵浦光转移到信号光，实现信号光的放大。

根据增益介质的不同，FRA可分为两种类型：分布式拉曼放大器(DRA)和分立式拉曼放大器(DCRA)。分立式所用增益光纤相对较短，泵浦功率很高，可产生40 dB以上的高增益，主要用在要求高增益、高功率、放大EDFA不能放大的波段；分布式所用增益光纤很长，一般是几十千米，泵浦功率可以降低到几百毫瓦，主要和EDFA配合使用，提高系统的整体性能。

2.1.3 遥泵技术

为了进一步解决光信噪比（OSNR）受限延长传输距离，可在光纤链路中间对部分光信号进行预先放大。在传输光纤的适当位置熔入一段掺饵光纤，并从单段长站距传输系统的端站(发射端或接收端)发送一个高功率泵浦光，经过光纤传输和合波器后注入饵纤并激励饵离子。信号光在饵纤内部获得放大，并可显著提高传输光纤的输出光功率。由于泵浦激光器的位置和增益介质 (饵纤)不在同一个位置，因此称为“遥泵(remote pump)[16]”。遥泵光源通常采用瓦级的1480 nm激光器，以克服长距离光纤传输的损耗问题。根据泵浦光和信号光是否在一根光纤中传输，遥泵又分为“旁路”(泵浦光和信号光经由不同光纤传输)和“随路”(两者通过同一光纤传输)两种形态。随路方式中泵浦光还可对光纤中的信号光进行拉曼放大，进一步增加传输距离，并可节省光纤资源。

2.2 SBS抑制技术

当注入光纤的光功率足够大时，光纤中就会出现非线性现象。光纤中典型的非线性主要分为克尔效应(包括自相位调制、互相位调制、四波混频等)和散射效应(包括受激布里渊SBS和受激拉曼SRS)，其中SBS的阈值最低，因此是限制入纤光功率提高的主要因素[13]。SBS的表现为：当输入光纤的泵浦光功率不断增大并超过某个阈值时，输出光功率会趋向于饱和，而大量的光功率会通过散射产生反向传输的斯托克斯光波。主要通过外加相位调制器的方法来抑制SBS效应。

2.3 FEC技术

前向纠错是一种纠错编码方式，它通过在需要传输的原始信号码流中插入冗余码，并在接收端利用一定的算法解码以抵制传输过程中产生的误码从而获得原始信号码流[14]。根据应用方式可以分为带内编码FEC和带外编码FEC。所谓带内编码FEC，是指利用信道本身的未使用传输开销字节，作为FEC纠错编码字节，实施FEC编码后，信道码速不变，因为帧开销中可利用的字节数和帧长度有限，所以编码增益较小(3～4 dB)；所谓带外编码FEC，是指把FEC纠错冗余字节加入传输信道，实施FEC编码后，信道码速增加，它的编码冗余度大，纠错能力强，编码增益较高(5～6 dB)，并可方便地插入FEC开销而不受SDH帧格式的限制，具有较强的灵活性。现在主要采用带外的增强型FEC或超强型FEC，编码增益可以达到8～10 dB。

2.4 色散补偿技术

色散补偿的基本原理就是在通信系统中插入具有负色散系数的装置，平衡掉系统中积累的色散，或者用压缩工具将被展宽的脉冲压窄。传统的方法是采用色散补偿光纤（DCF），但是DCF造价昂贵、线路损耗大，通常衰减为0.5 dB/km，同时会引入插入损耗；并且普通DCF色散斜率不能与G.652光纤或G.655光纤完全匹配。近年来出现的比较新颖的是采用啁啾光纤光栅（CFG）进行色散补偿[18～20]，由于CFG为无源偏振不敏感器件，具有插入损耗低、波长选择性好、与偏振无关、易于与其他光纤器件耦合等优点，被认为是极具发展前途的技术方案。

3 超长站距光传输试验及解决方案分析

根据对甘肃光通信传输网的调查统计，特高压电网建设后，多段新增线路的长度都超过了200 km，甚至出现300 km以上的线路。根据中国电力科学研究院和甘肃电力公司的研究，我们选取了定西330 kV变—平凉750 kV变进行超长站距的试验研究。

3.1 试验方案

（1）方案依据

对速率为2.5 Gbit/s的单信道光传输系统，要实现超长站距传输，可以不考虑非线性的影响，主要考虑的是衰减的影响，是功率受限的系统。定西330 kV—平凉750 kV线路光缆传输损耗见表1。

表1 定西330 kV—平凉750 kV线路具体情况

从表1可以看出定西330 kV—平凉750 kV线路设计65 dB的总衰耗可以满足要求。

（2）具体方案配置及测试结果分析

方案一：采用高输出功率的功率放大器（BA，含SBS抑制）+FEC+高灵敏度前置放大器（PA），如图2所示。

在方案一中，BA的典型输出光功率为22 dBm，PA的灵敏度是-45 dBm，功率损耗极限=22-（-45）=67 dB＞65 dB；采用的SDH设备光口通道最大允许色散为1600 ps/nm，不能满足传输252.6 km的要求，采用了啁啾光纤光栅色散补偿模块进行色散补偿，并采用了FEC模块可以使光信噪比得到改善。

实际现场测试的功率极限传输距离为69.06 dB＞65 dB，测试的其他各项指标也达到要求，满足实际应用需要。

方案二：采用 BA+分布式拉曼放大器（DRA）+PA，如图3所示。

在方案二中，BA的典型输出光功率为17 dBm，PA的灵敏度是-38 dBm，反向拉曼增益典型值 17 dB(＞10 dB)，功率损耗极限=17-（-38）+17=72 dB＞65 dB；采用的 SDH设备光口通道最大允许色散为10880 ps/nm，可以满足252.6 km的长站传输要求，节省了色散补偿单元。

实际现场测试结果的功率极限传输距离为73.32 dB＞65 dB，测试的其他各项指标也达到要求，满足实际应用需要。

方案三：采用高功率输出BA（含SBS抑制）+FEC+DRA+高灵敏度PA，如图4所示。

在方案三中，BA的典型输出光功率为22 dBm，PA的灵敏度是-45 dBm，DRA的典型增益为10 dB,功率损耗极限=22-（-45）+10=77 dB＞65 dB；采用的 SDH 设备光口通道最大允许色散为1880 ps/nm，不能满足传输252.6 km的要求，采用了啁啾光纤光栅色散补偿模块进行色散补偿，并采用了FEC模块可以使光信噪比得到改善。

实际现场测试的功率极限传输距离为79.5 dB＞65 dB，测试的其他各项指标也达到要求，满足实际应用需要。

3.2 超长站距解决方案分析

主要从3个方面进行分析。

3.2.1 光线路衰耗问题及其解决方案

普通2.5 Gbit/s SDH的光接口参见表2。

表2 2.5 Gbit/s SDH光接口参数

分析表1的参数可知，L16.2型和L16.2JE型光接口设备按照衰耗限制最大的传输距离只能是(按最坏值考虑)90 km和108 km,远不能满足现场超长站距的要求。

为此，需探讨解决问题的具体方案。

①若采用EDFA，则可以延长相当的传输距离，但由于G.652普通光纤上传输2.5 Gbit/s速率时，光放大器的入光功率不能超过+18 dBm，建议使用+17 dBm的入光功率，否则将产生较为严重的非线性效应。接收端的低噪声PA的最低入光功率一般取-37 dBm，在不考虑色散的情况下，最大传输距离约为200 km。

②当注入光纤的光功率足够大时，光纤中就会出现非线性现象。如果在功率放大器前一级采用抑制SBS技术，使功率放大器的入纤光功率提升至22 dBm(商用最高水平)，在不考虑色散的情况下，最大传输距离约为224 km；若进一步提高PA的灵敏度至-45 dBm，最大传输距离约为260 km。

③拉曼光纤放大器(FRA)是一种在最新低噪声放大技术基础上开发的器件,其主要特性是增益平坦、噪声低，非常适合长距离的传输和海底光传输系统的信号放大。当拉曼光纤放大器对2.5 Gbit/s速率传输信号进行放大时,其增益有10 dB、14 dB、18 dB和20 dB这几种典型值,相应拉曼的接收灵敏度对应-47 dBm、-51 dBm、-55 dBm和-57 dBm。这样，在不考虑色散的情况下，最大传输距离分别约为 270 km、288 km、306 km、315 km。

④若再需要更远的无中继传输距离，则可以采用遥泵（RPOA）技术，但是采用遥泵技术要将遥泵增益单元安装在缆路中的适当位置。需要预先设计传输线路或是对已敷设的线路，需要在适当的位置切断光缆，将掺铒光纤串联到原来的光纤中，施工改动量和难度较大。

3.2.2 光线路色散问题及其解决方案

普通的L16.2型光接口设备最大色散值为1600 ps/nm,若采用G.652光纤,其最大平均色散系数按17 ps/nm·km计算,那么按照色散计算的最大传输距离应约为94 km(光接口最大色散与光纤色散系数之比)，L16.2JE型光接口设备的最大色散值2400 ps/nm,其最大传输距离应为141 km。

为消除色散对传输距离的限制，考虑两种解决方案。

·采用波长转换技术,将普通的灰色光接口转换为彩色光接口(波长1550.12 nm),功率放大器之前增加波长转换器设备,该设备也可集成在SDH设备内部。

·增加色散补偿模块，可以采用光纤光栅或色散补偿光纤。现在比较常用的是采用光纤光栅进行色散补偿，主要是其插损小，易于普通单模光纤耦合，并且还能滤除以部分EDFA引入的ASE噪声等特点。

3.2.3 光信噪比问题及其解决方案

由于光放大器不但能对输入的光信号和ASE噪声进行相同增益的放大，而且会额外增加一部分ASE噪声功率，因此ASE噪声会沿着传输光纤路径积累起来，这一效应可利用“光信噪比（OSNR）”这一概念来定量衡量。

OSNR定义为某信道的光功率和该信道波长上的ASE光功率之间的比值。显然，沿着传输光纤路径上OSNR数值是逐步降低（劣化）的。

对于一个带光放大的传输链路，作为衡量系统性能最终手段的接收比特误码率 （BER）直接与接收器的OSNR有关。其他条件不变，OSNR越大，则BER越低。在2.5G系统中，为获得e-10～e-12的BER所要求的最小OSNR的典型值为14 dB～15 dB，因此2.5G系统在接收端的OSNR必须大于这一数值。相应这一OSNR数值称为该传输系统的“OSNR容限”。显然，OSNR最终也会对传输距离造成限制。

由于OSNR受限引起的OSNR受限距离小于实际需要传输的距离，一般采用FEC降低接收端的OSNR门限，或DRA和RPOA技术提高光信号的OSNR值。

4 超长站距光传输解决方案推荐

4.1 光线路的具体参数计算

光传输系统计算参数的选取遵循国际电信联盟（ITU）的有关建议，遵循原电力部、邮电部颁布的有关行业标准，SDH传输系统性能指标遵循中华人民共和国通信行业标准YD/T 5095-2005《SDH长途光缆传输系统工程设计规范》及ITU-T G.826建议。

·功率受限采用ITU-T建议G.957的最坏值法计算再生段距离公式如下

其中：L为再生段距离；Ps为S点寿命终了时的最小平均发送功率；Pr为R点寿命终了时的最差灵敏度(BER≤10-12)；Pp为光通道代价；Ac为所有活动连接器衰减之和，每个连接器衰减取0.5 dB；Mc为光缆富余度，L小于75 km时取 3 dB，L大于 125 km时取 5 dB；Af为光纤衰减常数，取0.21 dB；As为光纤熔接接头每公里衰减系数，取0.0125 dB。

·色散受限实际可达再生段距离计算公式为：

其中：L为色散受限再生段长度 (km)；Dmax为 S（MPI-S）、R（MPI-R）间设备允许的最大色散值（ps/nm）；D为光纤色散系数 (ps/(nm·km))。

·光信噪比受限计算

当采用常规EDFA及DRA等技术单站段超长站距系统时，OSNR的计算公式为：

其中，Pout等效于发射端的发射光功率，取BA输出的光功率；L为跨距损耗；Nf为前置放大器的噪声指数；NEFC为采用FEC技术对OSNR的改善，一般取5 dB;NRFA为采用RFA对OSNR的改善，一般取3 dB;N为跨段数。

当采用遥泵放大技术时，光传输系统由单跨段变成多跨段系统，这时OSNR的计算公式为：

其中，Li为第i段的线路衰减；Nfi为第i个放大器的噪声指数。

4.2 采用各种光接口和放大器组合所能传输的距离

从上节的计算公式可以看出，功率受限得到满足时，OSNR受限也能满足。所以计算受限距离时主要从功率受限考虑。下面列举了采用各种光接口和放大器组合所能传输的距离。

（1）纯光接口传输方案

纯光接口传输方案见表3。

（2）BA

分别采用不同输出光功率的BA传输方案见表4（BA10，表示BA输出功率为10 dBm,其余表示意义相同；其中BA22中应采用SBS抑制技术）。

（3）BA+PA

分别采用不同输出光功率的BA+PA传输方案见表5。（4）采用 BA+DRA+PA

分别采用不同输出光功率的BA+DRA+PA传输方案见表 6。

从表3～6可知，如果无中继传输距离超过315 km，那么就需要采用ROPA或者新建中继站。

表3 纯光接口传输方案

表4 采用BA传输方案

表6 采用BA+DRA+PA传输方案

4.3 超长站距传输方案推荐

根据现场测试和分析，对超长站距传输方案推荐如下。

（1）185 km 以内站距方案

该站距内系统方案很成熟，可采用功放、FEC以及SBS抑制技术。

（2）171～260 km 超长站距方案

该站距内系统方案也比较成熟，可采用功放、前置放大器组合，较长站距则增加色散补偿模块以及SBS抑制技术。在超过220km时，还应选择高灵敏度的PA。设计时要进行详细的数字传输计算，确定合适的放大器参数。

（3）247～315 km 超长站距方案

由于常规功放、预放的功率受到一定限制，一般采用功放+拉曼+预放组合，并采用FEC技术和色散补偿，设计时也要进行详细的数字传输计算，确定合适的放大器参数。

（4）315 km以上超长站距方案

当超长站距超过315 km时，可有两种选择。

一种，采用功放+遥泵+拉曼+预放组合，并采用FEC技术和色散补偿，设计时要进行详细的数字传输计算，确定遥泵模块的位置。但是该方案在电力光缆的应用有待进一步验证。

另一种，新建中继站。合理地选择中继站的地址，要综合考虑各方面的因素。首先，从功率受限、OSNR受限和CD受限来考虑。其次，要考虑其他方面的因素，如征地、工程实施难度等。

5 结束语

随着光纤通信技术的不断发展，功率放大、前置放大器、前向纠错技术、拉曼技术、泵浦技术等不断涌现和完善，超长站距光传输能实现更远的单站传输距离,在电力系统的应用将进一步深入。

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