杨 兴，马聪琦，冯力娜

（青海省电力公司信息通信公司 青海 西宁810008）

玉树与青海主网330 kV联网工程是目前海拔最高的330 kV输变电工程。玉树地区地形复杂、交通不便，恶劣的气候环境不仅对工程实施带来极大困难，更对通信系统的安全稳定运行和日常维护带来极大挑战，特别是玛多至玉树长达348 km超长距光纤通信问题。

建设通信中继站不仅涉及中继站的选址、土地审批和建设问题，还要增加设备和日常运维工作量，采用超长距无中继光通信技术是提高电路稳定性和安全性的一个恰当选择，超长距光通信技术已成为跨大区电网联网的重要技术基础[1]。

1 受限因素

1.1 线路损耗

线路损耗主要包括光缆本身损耗、活接头损耗、系统通道代价及光缆损耗的富裕度[2]。对于1 550 nm单模光纤衰耗系数为0.21 dB/km；活接头损耗一般为0.5 dB/个；根据ITUT G.957和ITU-T G.691标准建议，对于L16.2和L64.2光传输系统，通道代价为2 dB；富裕度尚无标准规定，主要是根据光缆线路长度及线路质量决定，一般设定至少3 dB。

1.2 色散因素

色散是指信号在光纤中传输时脉冲的宽度被展宽导致码间干扰而产生误码，影响系统整体性能。在光纤中有三种色散效应：模间色散、色度色散和偏振模色散。单模光纤中不存在模间色散，色度色散是由于光发射机发出的光谱包含一定范围内不同成分的波长，不同频率分量的光到达接收机的时间不一样会造成脉冲展宽，色度色散在单模光纤中占主导地位。

1.3 光信噪比

光信噪比（OSNR）是光纤中信号与噪声的比值，与传输系统的误码率有密切关系。对于传输速率一定的光通信系统，如不考虑色散和非线性的影响，进入接收机信号的光信噪比越大则其误码率越低。在长跨距无中继传输中，由于线路长、损耗大，导致信号衰减非常严重，经过光放大器放大时，噪声可能会同信号能量相当造成接收端无法正确辨别信号，从而导致系统无法正常运行，即OSNR受限[3]。

1.4 非线性效应

光纤中的非线性效应分为折射率调制效应和受激散射效应[4]。超长距无中继光传输系统非线性效应主要来自受激布里渊散射，是由于入射光功率很高使得光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的，它严重限制入纤功率的提升，导致传输距离的受限。

2 关键技术

2.1 光放大技术

光放大器可对光信号进行直接放大，还具有实时性、高增益、宽带、低噪声、低损耗的全光放大功能，实用化的主要有掺铒光纤放大器、光纤拉曼放大器。掺铒光纤放大器(EDFA)在光通信中主要解决光纤损耗对传输的影响，延长传输距离，常用的有功率放大器（BA）、前置放大器（PA）。基于受激拉曼散射机制的放大器称为光纤拉曼放大器（RFA），具有增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好等特点，根据增益介质的不同可分为分布式拉曼放大器（DRA）和分离式拉曼放大器（LRA）。拉曼放大器是掺铒光纤放大器的补充，而不是代替，两者结合起来的混合式放大器是一种理想的应用形式。

2.2 色散管理技术

色度色散会造成信号脉冲展宽导致产生码间干扰，因此在接收端保持较小的累积色散以保持较好的脉冲形状，减少信号的码间干扰。色度色散补偿方式主要用色散补偿模块进行补偿。色散补偿模块（DCM）利用啁啾光纤光栅进行色散补偿，啁啾光纤光栅能与现有光纤系统较好兼容，具有较低的传输损耗和插入损耗，色散补偿量大，能够实现光纤色散和色散斜率的同时补偿，折射率调制可以根据需要来通过不同的曝光过程加以控制，价格低廉易于大批量生产。

2.3 前向纠错技术

前向纠错技术（FEC）是在传输信号中加入一定的校验比特码，在接收端通过解码，对校验比特进行一定的计算以纠正码流中的错误，从而达到改善系统误码性能的目的。FEC允许系统工作在较高的误码率情况下，相当放宽了高速通信系统对各器件性能的要求，降低了系统造价，提高了系统对色散、非线性效应和OSNR的容忍度，利于信号高速率长距离地传输。图1给出了加FEC和不加FEC系统的误码率水平。

图1 加FEC和不加FEC误码率水平Fig.1 The bit error rate of add FEC and without FEC

2.4 超低损耗光缆技术

当超长距传输方案采用光放大、前向纠错编码等技术提供的线路预算全部耗尽时，若进一步延长跨段距离变得非常困难[6]。若能降低光纤损耗，将会是延长现有传输极限距离极有效的方法。超低损耗光纤（UUL）是一种具有超低衰减、超低偏振色散[7]、更优温度特性[8]、满足G.652的单模光纤。表1列出了UUL光纤与普通G.652光纤主要参数的对比，其在1 550 nm传输窗口损耗典型值为0.168 dB/km，大大低于普通G.652光纤0.20 dB/km的典型损耗，可有效延长光系统的传输距离。

表1 超低损耗光缆与普通G.652光纤参数的性能比较Tab.1 Comparison of performance parameters of UUL optical fiber and common optical fiber

3 解决方案

3.1 项目概况

玉树330 KV联网工程起始于日月山变，途经唐乃亥、玛多变，止于玉树变电站，随输电线路架设超低损耗光缆，全线平均衰耗0.186 dB/km，光路为1+1配置，传输容量为2.5 G。

3.2 参数预算

光功率计算可根据G.957建议书规定的最坏值计算法，公式如下：

式中：L为传输距离；Ps为发送器最小发送功率；Pr为光接收器最小接受光功率；Pp为光通道代价；∑Ac为所有活动连接器衰减和，每个连接器衰减取 0.5 dB；Mc为光缆富裕度；Af为光纤衰减系数，As为光纤熔接头衰减系数，ULL光缆线路衰减（含接头损耗）Af+As的值0.186 dB/km，G.652D光纤取OPGW光缆链路衰减的工程典型值 Af+As=0.21 dB/km，Mc=5 dB，使用功率放大器的系统Pp=0 dB。

在进行光传输系统设计时通常采用“58”公式[4]来估算系统的接收OSNR，公式如下：

式中 Pout是指入纤信号光功率，L是跨距中的损耗，NF是指放大器的噪声指数，logN是指系统总的跨段数。对于无中继光放大的单跨距传输，在传输中途并没有噪声累积的过程，因此上式中 N取1，最后一项为零。信噪比受限主要有两方面：一是信号经过功率放大器、前置放大器或者拉曼放大器时引入的噪声（上式中NF项表示）造成 OSNR的下降；二是信号光经长距离的传输受到很大的衰减造成 OSNR不断下降（上式中 L项表示）。在进入接收机前OSNR如果不能满足正常接收的要求，系统就会产生OSNR受限，限制了传输的距离。对有光放的系统，功率不是主要问题，主要考虑系统的OSNR问题，表2是各传输速率系统的OSNR设计要求。

表2 各传输速率系统OSNR设计要求Tab.2 The OSNR design requirements of different transmission rates

3.3 系统方案

3.3.1 系统设计

系统设计必须保证设备运行的安全可靠性，还要考虑运维的简易性，特别是在同等改善条件下更要遵循此原则。

1)配置 EDFA-BA、EDFA-PA 及 RFA

配置BA和PA在技术上非常成熟，且维护方便，但考虑到传输距离超长，因此必须考虑RFA与EDFA的综合应用，两者结合起来效果更加理想。本项目系统中，2.5 G速率下，RFA+PA的灵敏度可达-42 dBm。

2)配置 FEC

2.5 G光传输系统配置FEC后可提升8 dB编码增益，同时设备维护也较为简易。本项目系统中，光缆线路为348 kM，平均损耗0.186 dB/km，光缆衰耗64.4 dB，2.5 G速率下RFA+PA的灵敏度是-42 dBm，配置FEC后，编码增益是8 dB，所以接收功率可低至-50 dBm，功率损耗极限=22-（-42）+8=72 dB，余量=72-64.4=7.6 dB。

3)色散补偿

本系统支持高入纤功率的FEC的色散容限是70 km，由于光缆线路长度为348 km，因此配置补偿280 km的DCM。

4)OSNR预算

由前面描述可得，2.5 G光传输系统的OSNR设计要求最低是20 dB，由于配置了FEC，本段线路实际OSNR设计要求最低为12 dB。本段线路根据“58”公式计算可得：OSNR=58+22-64.4-（-1）=16.6 dB≥12 dB，上述公式中拉曼放大器的NF取值-1 dB，满足OSNR设计要求。

玛多至玉树变超长距无中继光传输系统解决方案如图2所示。

图2 玛多-玉树光传输解决方案Fig.2 Optical transmission solution between Maduo and Yushu

3.3.2 系统运行

系统试运行期间系统各关键节点光功率情况如表3所示，经挂表测试后误码为“0”，如图3所示。

表3 超长距光传输系统关键点功率Tab.3 Key point optical power of ultra-long span optical transmission system

4 结束语

本传输系统将光纤拉曼放大器、大增益掺铒光纤放大器、增强前向纠错编码技术、色散补偿模块以及超低损耗光缆优化组合，多种通信技术综合应用，有效克服了玉树地区海拔高、恶劣环境因素对光传输系统的影响，提高了通信系统对色散、非线性效应和OSNR的容忍度，大大延长了高速率信号的传输距离，解决了玉树高海拔地区348 km超长站距光通信难题，对高海拔地区超长距无中继的应用推广具有重要的指导意义。

图3 测试结果Fig.3 Test results

[1]姜利民,罗玉兴.电力系统光纤通信超长站距传输技术的研究[J].电力系统通信,2008,29(185):24-25.JIANG Li-min,LUO Yu-xing.Research on ultra long span o-ptical fiber transmission technologies in electric power system[J].Telecommunications for Electric Power System,2008,29(185):24-25.

[2]单蓉.电力通信网无中继超长距传输方案研究[J].微计算机信息,2010,26(12-3):139-140.SHAN Rong.Research on unrepeated and ultra-long span transmission technologies in electric power communication network[J].Microcomputer Information,2010,26(12-3):139-140.

[3]周昊,黄丽艳,张学勇,等.超长距通信技术在电力系统中的应用[J].电力系统通信,2010,31(212):26-29.ZHOU Hao,HUANG Li-yan,ZHANG Xue-yong.Application of ultra haul long transmission technique in electric power system [J].Telecommunications for Electric Power System,2010,31(212):26-29.

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[5]董振华,印新达,黄丽艳,等.521km超长站距无中继光传输系统研究[J].光通信研究,2011(1):5-8.DONG Zhen-hua,YIN Xin-da,HUANG Li-yan.Research on a 521km ultra long span repeater-less optical transmission system[J].Study on Optical Communications,2011(1):5-8.

[6]刘源,黄丽艳,雷学义.超低损耗光纤是超长站距光通信的新选择[J].电力系统通信,2011,32(224):35-38.LIU Yuan,HUANG Li-yan,LEI Xue-yi.UUL optical fiberthe new choice of ultra-long span optical communication[J].Telecommunications for Electric Power System,2011,32(224):35-38.

[7]王勇,蔡利敏,刘婷.青藏直流联网工程通信光纤选型分析[J].电力系统通信,2011,32(230):5-8.WANG Yong,CAI Li-min,LIU Ting.The type of fiber selecting in OPGW optical communication Works of Qinghai-Xizang direct current networkiong program[J].Telecommunications for Electric Power System,2011,32(230):5-8.