電力超長距離光纖通信遙泵放大系統(tǒng)設(shè)計分析

肖 晗，徐昊天，羅瑞雪，帕爾哈提?克衣木，魏耀華

（國網(wǎng)新疆電力有限公司信息通信公司，新疆 烏魯木齊 830000）

電力特高壓交流線路長度在300km到400km之間，超過了光纜線路無中繼傳輸極限，對超長距離線路的監(jiān)測無法采用電子式傳感器，只能結(jié)合并充分利用現(xiàn)有的光纖資源，發(fā)展分布式光纖傳感技術(shù)，用一套或幾套系統(tǒng)實現(xiàn)對線路監(jiān)測的全覆蓋。

長距離的電力光纖通信線路都采用EDFA 分立式放大器，跨距只能限制在80km 左右。但是隨著放大技術(shù)的不斷發(fā)展，適應(yīng)我國特高壓電網(wǎng)建設(shè)的迫切需要，特高壓光纖通信線路會使用Raman（拉曼）或混合EDFA/Raman 分布式放大器。相比于EDFA 放大技術(shù)，Raman或混合EDFA/Raman放大技術(shù)具有較低的噪聲指數(shù)，較高的平均信號功率，所以采用分布放大技術(shù)的無中繼超長站距光纖通信系統(tǒng)具有相對較大的功率惡化容忍度，可以實現(xiàn)較大光纖跨距，較少跨段數(shù)，較低成本等優(yōu)勢。

1 電力超長距離光纖通信發(fā)展的重要意義

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，85%以上的通信故障是由光纜故障引起的。近些年來，隨著光學(xué)遠(yuǎn)泵放大技術(shù)的成熟，無中繼超長距光纖通信在電力系統(tǒng)中得到一定的應(yīng)用，它對監(jiān)測手段提出了新的要求。特別是，隨著特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，其通信線路勢必采用多中繼的光纖通信線路架構(gòu)，通信線路隨輸電線延伸，綿延數(shù)千公里。考慮到通信對電網(wǎng)安全運行和維護的重要性，對多中繼超長距電力光纖線路的監(jiān)測必不可少。光纖通信網(wǎng)是對超長距電力光纖線路的重要載體。

光纜監(jiān)測就是對在線的光纖資源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化監(jiān)測及信息管理，以科學(xué)的數(shù)據(jù)量化分析、從人力成本等多方面為通信網(wǎng)運維部門提供資源數(shù)據(jù)全息的管理視圖以及一站式故障應(yīng)急搶修。光纖監(jiān)測系統(tǒng)主要是指根據(jù)光纖電路的實際維護需要將光纜電路應(yīng)用到系統(tǒng)中進(jìn)行實時性的監(jiān)測維護管理，從而更好的把握光纖的變化情況，在光纖出現(xiàn)系統(tǒng)故障的時候及時發(fā)出報告，幫助相關(guān)人員及時分析光纖衰弱以及出現(xiàn)故障的原因。在進(jìn)行光纖管理監(jiān)測的過程中還需要應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段來確定故障點的位置，對故障及時分析、搶修、維護和管理。

從實際應(yīng)用情況來看，光纖監(jiān)測系統(tǒng)在運作的時候不僅僅會省去人工操作的麻煩，而且在系統(tǒng)維護方面會顯示出更高的精準(zhǔn)度，有效提升系統(tǒng)維護檢修的效率，在出現(xiàn)光纖系統(tǒng)故障的時候減少故障出現(xiàn)的次數(shù)，縮短故障的維護檢修時間，確保光纜網(wǎng)系統(tǒng)通信的安全、可靠。

光纜監(jiān)測技術(shù)中一個重要的議題是，不斷提升監(jiān)測設(shè)備對光纜監(jiān)測的距離和覆蓋的范圍。特別是特高壓輸電線路中，兩個變電站的距離一般在200km 以上，而通常情況下光纖通信線路的中繼放大器的間隔也只有80km，因此，傳統(tǒng)的使用摻鉺光纖放大器（EDFA）中繼放大的方法，則需在兩個變電站之間設(shè)置多個EDFA，它必然增加建設(shè)和運營的成本。另外，作為中繼放大器的EDFA 雖然是全光放大器件，但是，還是需要對其供電，這樣通信線路的穩(wěn)定會受到器件自身和其所處環(huán)境的影響。考慮到這些問題，國家電網(wǎng)公司在“十一五”和“十二五”期間開展了基于拉曼放大的無中繼超長站距光纖通信技術(shù)研究。通過將EDFA 的分立放大與分布式拉曼放大相結(jié)合，在實驗中把無中繼超長站距光纖通信的距離提升到了507km。分布式拉曼放大技術(shù)的使用使光纖通信線路適應(yīng)了特高壓電網(wǎng)超長站距的特點，整條通信線路中無需單獨設(shè)置中繼放大器就可以實現(xiàn)對通信信號功率的補償。

伴隨特高壓交直流電網(wǎng)的發(fā)展，電站數(shù)量增多，電站建設(shè)所依賴的光纖通信網(wǎng)站距離也在不斷延長，300km到500km的超長站光纖通信開始被人們廣泛的應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。超長站距光纖通信增加了光中繼電站之間的間隔傳輸距離，減少了光中繼電站的建設(shè)數(shù)量，節(jié)省了電站運行成本。不僅如此，超長站距光纖通信在發(fā)展的過程中開始面臨光信號衰減的問題，為了更好地解決這個問題人們開始思考如何進(jìn)一步優(yōu)化超長站距光纖傳輸系統(tǒng)的建設(shè)。

2 遙泵技術(shù)原理分析

一個完整的遙泵系統(tǒng)本質(zhì)上是由一個RGU和一個RPU組合形成的，遙泵方案設(shè)計圖如圖1所示。在具體實施操作的時候遙泵技術(shù)會將高頻率的泵浦激光器放置在信號的最終端位置，按照泵浦的方式來對泵浦操作系統(tǒng)進(jìn)行劃分。

圖1 遙泵技術(shù)系統(tǒng)

EDF能夠?qū)π盘栠M(jìn)行放大處理，而具備這種現(xiàn)象的原因是EDF中的餌離子等級多樣，在信號存儲于一個高能級系統(tǒng)中的時候，如果有光子工作，這個光子會刺激EDF釋放能量，能量釋放之后所有的信息會回歸到較低能級的狀態(tài)，與之產(chǎn)生的能量會借助新光子傳遞。

EDFA泵浦光的波長的基本范圍在980mm到1480mm之間，這些信息的合理利用會繼發(fā)比較高的泵浦效率。遙泵系統(tǒng)中的RGU和泵浦源頭之間的距離比較遠(yuǎn)，一般被人們選為泵浦光的常見傳遞波長。

3 電力超長距離光纖通信遙泵放大系統(tǒng)設(shè)計

在某大壩輸變電工程建設(shè)中變電站光纜的總體長度為363km，由于整個光纜的長度比較長，整個系統(tǒng)在運作的時候需要消耗比較多的資源和能源，因而，為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需要在系統(tǒng)中選擇使用遙泵放大技術(shù)，整個系統(tǒng)由光放大器、預(yù)放大器、遙泵放大器共同組成。

遙泵系統(tǒng)的全段光纖參數(shù)設(shè)定如下所示：光纖衰減系數(shù)為每千米0.2dB，光纜衰減為每千米72.6dB，固定接頭的衰減系數(shù)為每千米0.01dB，固定接頭衰減系數(shù)為每千米為3.63dB，活動連接器的衰耗在1dB左右，光通道的代價為2dB左右。光纖色散系數(shù)為4.5ps，總色散為每毫米1633.5ps，光放大器的發(fā)送功率一般為17dBm。整個遙泵系統(tǒng)采用了同纖遙泵的工作方式，加預(yù)放之后的接受靈敏度為-38dBm，向后方拉伸產(chǎn)生的效益是6dB，EFFC的功率增加水平是8dB，遙泵的基本增加效益水平為9AdB。

整個遙泵系統(tǒng)在運作的過程中采取了遙控的操作方式，總體泵浦光的基本頻率為30.5dBm，波長為1480nm，RGU的有效輸入泵浦功率為9dBm到10dBm。

在具體設(shè)置的時候要求最終要達(dá)到RGU的泵浦功率為12dBm。波長1480nm泵浦光在光纖中體現(xiàn)出來的衰減系數(shù)為每千米0.24dB。RGU距離RPU泵浦源最為理想的距離為（30.5-12）/0.24=77.08km。基于以上的計算分析需要在距離變電站77km的位置上設(shè)置一個交通方便、維護管理方便的輸電線路鐵塔，在鐵塔建設(shè)完成之后將RGU安裝在上面。

在將上文提出的理論計算結(jié)果綜合整理后輸送到傳輸系統(tǒng)中，在后泵浦源頭和RGU距離是77km的時候我們發(fā)現(xiàn)整個放大器輸出信號的信噪比數(shù)值為13.85dB，符合整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。在將這些數(shù)據(jù)信息使用光傳輸系統(tǒng)分析軟件分析之后我們會發(fā)現(xiàn)RGU距后端泵浦源的最理想距離是89km，EDF的最理想長度是27.8m。

4 結(jié)束語

綜上所述，遙泵放大技術(shù)是現(xiàn)階段能夠?qū)崿F(xiàn)350km以上無中繼光纖傳輸?shù)闹匾夹g(shù)形式之一，但是由于該技術(shù)的出現(xiàn)比較短暫，遙泵放大技術(shù)在電力系統(tǒng)中還沒有得到廣泛的運用。伴隨電力系統(tǒng)的深化發(fā)展，很多電力系統(tǒng)開設(shè)了遙泵放大系統(tǒng)試驗光纖線路，并經(jīng)過長時間的運作完善這個線路變得成熟，開始被人們廣泛的應(yīng)用到多條長距離、大容量的特高壓直流線路中。相信在社會的進(jìn)步發(fā)展下遙泵技術(shù)將會在電力系統(tǒng)中擁有更為廣泛的應(yīng)用空間和應(yīng)用前景。