电力系统超长距离光纤通信传输系统的研究与应用

徐 晶，韩 敏

（国网甘肃省电力公司平凉供电公司，甘肃 平凉 744000）

0 引 言

随着信息化时代的到来，光纤通信技术已成为现代通信领域的核心。在电力系统中，光纤通信技术因其高带宽、低损耗以及抗电磁干扰等优点广泛应用于超长距离传输。本研究旨在深入探讨超长距离光纤传输系统的设计方法，以期为该领域进一步发展提供理论支持和实践指导。另外，详细探讨系统总体架构、各部分功能、技术实现方式等，通过实际应用案例分析评估该系统的性能和效果。

1 超长距离光纤传输系统的设计方法

超长距离光纤传输系统是整个光纤数据传输期间控制光纤中继器的使用工具，进而达到光纤通信高效传输的重要目的。在进行传输过程中，需要保持环境具备良好的平稳性，以此有效降低光在传输中的损耗，进而促使整个系统达到最佳性价比[1]。其中，超长距离光纤传输系统基本设计流程如图1 所示。

图1 电力系统超长距离光纤传输系统的基本设计流程

第一步，整体规划。确定系统参数，包括传输距离、传输速率、传输格式等。第二步，确定通路组织。根据实际情况选择光纤类型，以保证系统的稳定性和可靠性。设计光发送和接收模块，包括调制方式、灵敏度、线性动态范围等。在超长距离传输中，光信号的功率会随着传输距离的增加而减小，因此需要采用光放大技术来提高光信号的功率。第三步，系统配置。根据实际需求确定系统的结构，如星型、环型、链型等，并设计网络管理系统，包括网元管理、故障处理、性能监测等。第四步，提出系统性能规范。超长距离光纤传输系统的最大传输距离应该达到或超过100 km，以满足电力系统广泛覆盖的需求。系统应支持高速数据传输，至少应达到10 Gb/s，以适应电力系统日益增长的数据传输需求。由于电力系统对数据传输的可靠性和稳定性要求极高，超长距离光纤传输系统应具备抵抗恶劣环境和气候条件的能力，以确保稳定运行。第五步，系统类型选择。该系统应具备高级别的安全性能，防止未经授权的访问和数据泄露，保证电力系统的安全运行。考虑未来电力系统可能进一步扩大规模，超长距离光纤传输系统应具备良好的扩展性，便于未来升级和扩容。第六步，系统仿真/实际运行和测试。通过仿真和测试验证系统的性能是否满足要求。第七步，系统优化和改进。根据仿真测试和实际运行测试的结果进行优化与改进。第八步，考虑未来的扩展性。在设计超长距离光纤传输系统时，需要考虑未来的扩展性，以便在未来进行升级或扩容。

2 工程方案设计与建设

2.1 项目概况与整体规划

本项目旨在升级牙克石500 kV 变电站，并扩展海北和岭东两座变电站的容量。新建的海北-牙克石线路将采用双回同塔设计，单程长度约为75 km，选用LGJ-400x4 导线；而牙克石至岭东的线路则为双回同塔，全程约256 km，同样采用LGJ-400x4。经过深入研究，提出2 种可能的实施方案。

方案一，倾向采用中继站策略，包括土建施工及电源接入等步骤。在牙克石变电站-海北变电站和牙克石变电站-岭东变电站之间各设置一个中继站。方案二，依赖拉曼光放大技术，在不同位置部署定制化的放大设备，并根据设备特性确定安装区域。

尽管两者均符合实际情况，但方案实施时也需关注其他限制，如土地征用[2]。考虑我国部分地区因拆迁问题导致施工受阻，方案一可能在农村地区面临较多困难[3]。相比之下，方案二无须额外建设中继站，对土地需求较小，因此在实际操作上更具可行性。鉴于此，本项目决定采纳方案二作为实验首选。在500 kV高压变电站内，核心设施包括主控调度系统、电源管理系统以及应急响应系统等。

2.2 系统配置与性能规范

我国的同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）是一种集成型的技术平台，在对其进行试验设计期间需充分考量实际运行需求。在线路传输过程中，中继器的部署至关重要，短距离传输可酌情省略，但远程通信则应适时增设。对于光同步数据的传输，采取预防性策略，通过最保守的算法预估可能遇到的最低光纤传输速率，确保系统的稳定运行。针对各种环境条件，灵活调整传输策略，如统计分析法，适应性管理中继设备。

2.3 系统运行与测试

2.3.1 传输系统设计

技术的进步预示着光纤传输的潜在高带宽，但在设计中，依然以最严格的《电力系统同步数字系列（SDH）光缆通信工程设计技术规定》（DL/T 5404—2007）内容为基准，若低于此标准，则将适度增加中继站以满足最低传输需求。设置原则应遵循效益最大化，即在故障发生时，通过检测传输终端和中继器可以定位光源丢失，确定故障点B 的系统参数。提高效率的最佳途径是精简和优化现有代码，减少冗余，从而整体提升性能[4]。

针对色散限制型的通信系统，其设计流程基于预设的总色散值进行。通过查找相关分类编码，可以确定出一套完整的光系统参数，这些参数对于系统的性能优化至关重要。实际上，色散受限系统最大中继段距离的估算公式为

式中：M为中继链路的长度，km；ε 为光源的色散容限值，当光源选择为多模式激光器时，对应的值为0.115，而若是单模式激光器，则取0.306；B为线路中的信号数据速率，Mb/s；D为系统使用寿命结束时的光纤色散特性，ps/（nm·km）；λ为系统寿命末期光源谱宽的均方根值。

在实际操作中，检验光缆的富裕度Mc是否适应预设标准，仅需核实目标长度。在计算过程中，利用设备本身预期使用寿命期间的稳定性能，即发送光功率和接收灵敏度的标准值。活动连接器的损耗程度取决于其类型，以国内常用的FC/PC 连接器为例，即使经过1 000 次以上的插拔操作，其损耗也仍然保持在0.5 dB。

光纤在1 310 nm 波长窗口的衰减系数设定为0.36 dB/km，而在1 550 nm 窗口则为0.21 dB/km；光纤色散系数在1 310 nm 时为3.5 ps/（nm·km），而在1 550 nm 时则降低至18 ps/（nm·km）。固定接头的损耗则与接头的质量相关，本工程假设为0.02 dB/km。对于Mc，当再生段长度小于75 km 时，富裕度设为3 dB；若长度超过125 km，则富裕度提升至5 dB。然而，需注意，设计中继段时系统必须同时满足系统衰减限制、色度色散以及极化模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）的所有技术规范。

2.3.2 光接口与电接口设计

在构建光纤电路时，严格遵循ITU-T G.957 标准定义的光接口规范，确保SDH 设备之间的横向兼容性得以实现。本项目选用G.652 光纤，并且结合STM-64 和STM-16 这2 种光接口技术[5]。SDH 长途光传输网络的电接口种类丰富，涵盖从2 ～155 Mb/s的多种速率，以适应各种应用场景的需求。

2.4 系统优化与改进

针对本500 kV 变电站项目，其网络定位和特性决定主要依赖2 Mb/s 的上行和下行话路服务（其电接口参数规范参考表1）。在本设计中，所有SDH设备都配备2 块63 路的2 Mb/s 电接口板，用于保护热固型改性聚苯板，每块电接口板至少具备63 个独立的2 Mb/s 接口。此外，配置一块100 Mb/s 以太网板（其接口类型及其要求见表2），以增强网络的灵活性和数据传输能力。

表1 2 Mb/s 电接口参数规范

表2 100 Mb/s 接口要求

3 实现效果与未来扩展性的考虑

根据所采用的设计策略，对系统传输辅助设备性能进行评估。初始转发光放大器输出的光强度为13 dBm。经过235 km 的光缆传输后，光强衰减至-37.22 dBm。引入拉曼放大器后，这一数值改善为-27.22 dBm。增加功率放大器后，光功率提升到-12.22 dBm，明显优于预期的阈值-18 dBm。结果表明，系统能够满足接收端接收需求。

在本工程项目的实施中，特别采用适用于超长距离光纤通信的先进放大器技术，特别是在电力系统两端的光接口位置部署拉曼放大器。这一创新举措的显著优势在于，消除传统中继站的需求，极大简化运行管理和维护流程。

4 结 论

超长距离光纤传输系统设计的研究与应用具有重要的理论意义和实践价值。在未来的研究中，将继续关注超长距离光纤传输系统设计的发展趋势，不断探索新的关键技术，以提高系统的传输效率、稳定性以及可靠性。同时，将加强与国内外相关领域的合作与交流，共同推动该领域的技术进步和应用拓展。