青藏线最高海拔段采用超长站距光通信电路的可行性分析

文｜西北电力设计院 刘 婷 王 勇 汤 俊

青藏线最高海拔段采用超长站距光通信电路的可行性分析

文｜西北电力设计院 刘 婷 王 勇 汤 俊

1 引言

青海至西藏±400kV直流联网工程起于距离格尔木市约24km的格尔木换流站，止于西藏林周县以西3km处的拉萨换流站，直流线路全长约1038km。青藏联网工程全线最高海拔5300m，平均海拔4500m。沱沱河至安多段平均海拔高度近5000m，最低海拔在沱沱河，高度为4530m，最高海拔高度为唐古拉山口处约5400m，安多的海拔高度为4800m，环境条件极为恶劣。青藏联网工程的建设，可实现西北电网向西藏电网送电，从根本上解决西藏地区缺电的局面，工程投运后还可以提高青海主网向海西电网送电的能力。随着该工程建设的格尔木至拉萨直流OPGW光缆，将为青藏直流输电系统、换流站间以及换流站至调度端直接的直流控制信号、安全自动装置信号、调度自动化信息、视频会议等信息传送，提供可靠的通信通道，同时也是青藏直流输电系统安全、稳定运行的必要手段。

鉴于目前光传输设备的技术水平，针对本工程线路1038km的现状，在该线路沿线设置6个中继站，分别为纳赤台、五道梁、沱沱河、安多、那曲、当雄。其中，沱沱河至安多段光缆长度约为295km，该段经过具有“生命禁区”之称的唐古拉山口，不仅海拔较高，气候复杂多变且低温缺氧，考虑到格尔木至拉萨光缆工程的特殊作用和沱沱河至安多段光缆长度以及恶劣的环境因素，提出了在沱沱河至安多段间，设置光中继站方案和采用超长站距光通信电路方案。

2 设计方案

2.1 沱沱河至安多间设置中继站方案

通过图上作业和线路沿线情况咨询，确定站址选择在距离直流线路约1km处的温泉兵站附近。此处地形较为平坦，海拨高度约为5000m，距青藏公路约500m，距离安多中继站距离约为162km，距离沱沱河中继站约为141km，到最近的耐张塔引入光缆长度约4km。经了解，此处没有可用的交流电源，电源只能靠太阳能和燃油发电机供给。

2.2 采用超长站距光通信电路

沱沱河中继站距西藏境内的安多中继站的光缆长度为295km，而且处在海拔高度为5000m左右的高寒地区，采用目前比较典型的EFEC＋光放（功率放大器、前置放大器）＋拉曼的配置方案，可提供有效光功率为73dB，再对OPGW光缆衰减系数要求提高到0.19dB/km，在光缆架设完成后，OPGW光缆的衰减系数可控制在0.20dB/km以内，可以满足建设超长站距光通信电路的要求。

3 方案分析

3.1 增加温泉中继站方案的优缺点分析

设置温泉中继站后可以减少光路中的拉曼放大器和FEC，共节约拉曼放大器、FEC各6套，同时需增加3套SDH设备、6个2.5G光口以及太阳能电源系统等。

通过表1可以看出，增加温泉中继站后，投资将增加270万元。增设光中继站不仅增加了工程投资，而且由于该中继站处于高海拔、低温地带，给工程初期的设备安装调试和后期的运行维护带来极大的困难，加之没有市电供电电源，在海拔5000m的高山上，太阳能极板容易被冰雪覆盖导致失效，燃油发电机也会因高原缺氧和低温造成启动困难；传输设备和电源设备的故障概率比平原地区更高。另一方面传输系统增加一个站，根据概率理论，整个系统的可靠性将会降低。

表1 中继站增、减项目对比表

3.2 沱沱河至安多段中间不设中继站可靠性分析

沱沱河至安多段光缆长度为295km，这个长度与现已稳定运行的多条300km以上的电路相比，其长度不是问题。沱沱河至安多段电路的复杂性在于高海拨和低温的恶劣环境。

高海拨和低温对于OPGW的传输性能的影响主要在于低温，低温将导致光纤的附加衰减增加，在-40℃以下低温影响更为明显。普通OPGW光缆的温度附加衰减的曲线图，如图1所示。

（1）为了应对高原低温环境，采取以下两种方案

第一：降低光缆的温度附加衰减

环境温度会对光纤的衰减系数产生影响，G.652D标准中规范的光纤温度附加衰减小于等于0.05dB/km，这一参数反映了光纤衰减系数会受环境温度的变化而变化，在-40℃~20℃以及20℃~80℃之间，光纤衰减的变化很小，而当温度降到-40℃~-60℃时，光纤衰减会有较大的变化。当光纤制成OPGW后，由于光缆的伸缩性受环境温度影响较大，以及光缆中纤膏的性能也会受温度的影响，这些都将影响到光纤的衰减特性。

根据收集到的气象资料显示，沱沱河的极端最低温为-45.2℃，海拔最高处的唐古拉山口（5400m），因无气象记录数据，只能根据沱沱河的数据推测唐古拉山口一带的极端最低温在-50℃~-52℃间，已远远超出DL/T 832-2003标准规定的温度范围。超低损耗光纤在常用波段具有超低衰减外，同时还具有更优的温度特性，在-60℃~85℃范围内，1550nm波长的附加衰减系数不大于0.01dB/km，远低于G.652规定的不大于0.05dB/km的标准。图2为超低损耗光纤的温度附加衰减曲线图。

鉴于超低损耗光纤的这个特点，通过进行光纤筛选及成缆控制后，可以将温度附加衰减控制在-55℃~80℃的范围，附加衰减不大于0.01dB/km。因此，在该地区极端低温的情况下，沱沱河至安多段全程光纤衰减仅增加不到3dB，远小于系统裕度。ULL光纤的温度附加损耗会随环境温度的恢复而恢复，没有短暂或永久性的光纤衰减变化，这对用于严酷气象条件下的OPGW尤其重要。

第二：增加传输系统光功率及光信噪比裕度

由公式 L＝（Ps－Pr－Pp－C－Mc）÷（af＋as）可以看出，通过提升设备的光功率动态范围可以增加系统的光功率及光信噪比裕度；在有效光功率一定时，可以通过降低光缆的衰减系数来提高系统的裕度。本段光缆长度295km，因此采用目前比较典型的EFEC+光放+拉曼的配置方案可提供有效光功率为73dB，再对OPGW光缆衰减系数要求提高到0.19dB/km，在光缆架设完成后，OPGW光缆的衰减系数要达到0.19dB/km~0.20dB/km之间，使系统裕度得以增加。

如采用超低损耗光纤（不大于0.17dB/km），OPGW光缆成缆后，衰减系数可控制在0.18dB/km以内，对于沱沱河至安多段来说，采用超低损耗光纤后，G.652D可有效提高系统裕度和光信噪比（OSNR）6dB，在保证系统有6dB~8dB的富裕度的同时，还可以降低设备最大发光功率，使传输设备工作在最佳状态，降低故障率，延长寿命。

（2）关键参数的计算

光功率的计算按最坏值计算：

采用超低损耗光纤时：

Mc=70-295×0.18=16.9dB。

光信噪比（OSNR）的计算，根据ITU-T G.692给出的计算公式：

OSNR=58+P0-Nf-G-101gN。

式中：OSNR为光波道信噪比（dB）；58为综合系数；P0为单波道光功率（dB/m）；Nf为光线路放大器噪声系数（dB）；G为光放段线路衰减（dB）；N为光放段数。

预放的噪声系数取4dB，功放的噪声系数取5dB，拉曼放大器对光信噪比的改善为6dB，EFEC对信噪比的改善为8dB。

采用G.652D光纤的OPGW系统的OSNR如下：

满足规程规定的2.5G系统OSNR不小于20dB的要求。

当将入纤功率提升到22dB时，OSNR为25dB。

采用超低损耗光纤时的OSNR：

通过以上参数计算可以看出，在设备寿命终了时，发生在极端低温的情况下，系统各项指标仍能满足相关规程要求，是安全、可靠的。

不设中继站的方案比设置中继站方案的优点在于：首先是系统的安全可行性高；其次是节约了运行维护的费用。

4 结束语

通过以上从技术与经济上的分析，在沱沱河至安多段长距离高原低温情况下，不用增加中继站，可以采用超低损耗光纤＋成熟的超长距光通信传输技术，这样在技术上是可行的，在经济上是合理的。