OTN在電力通信中的應用

史海垚，姜 珊

（國網北京延慶供電公司，北京 102100）

0 引 言

隨著電網逐漸朝著智能化、數字化方向發展，采集的數據越來越多，我國電網公司正在建設越來越多的數據中心來存儲和處理這些數據。隨著電網對通信帶寬的需求逐步增長，光傳送網（Optical Transport Network，OTN）在電力通信中的應用日益深入。當OTN專網在電力行業應用時，存在OTN長距離傳輸問題、雷電導致光纖復合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）承載的偏振復用OTN系統閃斷問題、業務需求與OTN設備功能組合匹配問題等，重點對這些問題開展論述。

1 OTN光傳送網

OTN作為一種新型網絡信息傳輸技術，主要功能包括信號傳送、復用、路由選擇和監控等，充分保障業務信號在各項活動中性能指標的穩定性。OTN光傳送網是結合電網和全光網的一種全新技術，在波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）光網絡中植入同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的操作、維護、管理與指配功能，使現有WDM系統在維護管理和監控等方面的性能獲得進一步加強，進而使電力通信系統的綜合性能得到進一步優化。OTN技術能支撐多個領域進行大顆粒傳輸，還能從技術層面輔助信息傳輸，使多層網絡能通過多樣性的連接方式對目標對象進行監控，有效促進電力系統的穩定運行[1]。

OTN技術主要以波分復用技術作為基礎，可以實現數據信息的快速傳播，并在傳送至網絡后進行進一步完善，從而更好地保護數據信息的安全性。OTN技術有效結合了WDM技術和SDH技術的優點，實現對大顆粒寬帶業務的監測和運輸。OTN技術最大的優勢在于能夠全面處理各種波長的業務，并有效傳送各項信息，同時對電力系統進行保護[2]。OTN結構如圖1所示。

圖1 OTN結構

對OTN結構進行詳細劃分，又可以分為以下3層。

（1）OCh層。在OTN技術的應用下，光學信道（Optical Channel，OCh）層主要是在不同的業務端口之間提供透明光傳輸。從真實情況來看，電力通信系統和業務傳輸情況沒有展現出相同的特點，可能是在實際操作中為了更好地適應業務而選擇將OCL層進行接入，從而實現對電力通信系統的實時監控。

（2）OMS層。光復用段（Optical Multiplex Section，OMS）層能夠給不同的波長信號提供更合適的網絡區域進行連接，從而提高整個電力通信網絡的傳輸水平，實現有效控制。

（3）OTS層。光傳輸段（Transmission Section，OTS）層主要是在不同的傳播介質中使用光復用段信號來實現最佳的信息傳輸，從而讓不同信號之間進行有效配置[3]。

2 OTN在電力通信中的應用問題

2.1 OTN長距離傳輸

在公網電信行業，單跨光纜的長度通常不超過80 km，通過每隔不到80 km的一段光纜設置光放站的方式將光信號放大，光信號可以傳輸數千米，并且仍然保持可接受的光功率和光信噪比（Optical Signal Noise Ratio，OSNR）。相比之下，電力行業的單跨光纜要長得多，我國特高壓輸電線路單跨光纜長度超過80 km的現象十分普遍。以南方電網為例，500 kV及以上電壓的輸電線路光纜平均長度都已超過80 km，最長可達420 km。

輸電線路光纜衰減的典型值為0.19～0.25 dB/km，經過長距離光纜衰減，到達接收機的光信號無法被正確識別，用長距離光纜來建設OTN系統存在諸多困難。為了解決該問題，在發送端使用摻鉺光纖功率放大器對光信號進行放大，但受光纖非線性效應的支配，入纖光功率不能過大。如果在發送端應用前向拉曼放大器，使光信號的放大過程分布在光纜起始端的一小段距離內，既能對抗衰減，又能避免在某個光纖截面注入過高的光功率。在接收端使用預放摻鉺光纖放大器對光信號進行放大也是有效的，但是光放大器在微弱光信號中引入的放大器自發輻射（Amplifier Spontaneous Emission，ASE）噪聲會劣化OSNR，導致增益也受限。后向拉曼放大器使光信號的放大過程分布在光纜末端的一小段距離內，而不是僅在接收端進行放大。后向遙泵放大器由遙泵泵浦源和遙泵增益單元（摻鉺光纖）組成，將遙泵泵浦源置于接收端，將遙泵增益單元置于離接收端有一段距離的位置，使光信號在未到達光纜末端時（即未被衰減到最弱時）被放大，可以起到提高增益、改善OSNR的效果[4]。

2.2 雷電導致OPGW承載的偏振復用OTN系統閃斷

我國電網公司的自有光纜中，光纖復合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）光纜占多數，因而國內電網公司建設的OTN專網廣泛使用了電力OPGW光纜。OPGW設置在輸電線路最高處，起到引雷等作用。OPGW光纜被金屬絞線包裹在內，金屬絞線則螺旋絞在光纜外圈，其結構如圖2所示。

圖2 OPGW的結構示意

當雷電擊中OPGW附近時，OPGW光纜外圈的金屬絞線內會出現脈沖沖擊雷電流，幅值為104～105 A。根據麥克斯韋方程組，金屬絞線內巨大的電流變化會產生平行于光纖軸向的強磁場。根據法拉第磁致旋光效應，這一強磁場會導致光信號的偏振狀態（State of Polarization，SOP）進行高速旋轉。法拉第磁致旋光效應原理如圖3所示。

圖3 法拉第磁致旋光效應原理

在實驗室環境下，測試商用OTN設備跟蹤SOP旋轉的能力。首先搭建1條完整的單波100 Gb/s OTN系統，在其中一端下支路并掛誤碼表，在另一端環回。在合波后的光纖鏈路上串聯SOP擾偏儀，該儀表可以將光信號的SOP進行周期性偏轉，其最大偏轉速度可以人工設置。將SOP擾偏儀的偏轉速度逐漸增大，直至誤碼表處于誤碼臨界，此時合波后的光信號偏轉速度即體現被測OTN設備跟蹤SOP旋轉的能力。2019年，商用OTN設備跟蹤SOP旋轉的極限普遍在3×106rad/s以下。到2021年，商用OTN設備跟蹤SOP旋轉的極限普遍提升至8×106rad/s，雖然有進步，但是仍然低于完全免疫雷電影響的程度[5-8]。相干OTN接收機中采用了自適應濾波器，以對抗光的色度色散、偏振模色散、偏振相關衰減以及SOP旋轉等線性效應的影響。自適應濾波器中采用了最小均方差等算法來跟蹤信號的變化，通過改善此類跟蹤算法有望進一步解決此問題。

2.3 業務需求與OTN設備功能組合的匹配

近年來，OTN專網增量業務需求的主要來源之一就是新建數據中心。這類業務有以下2個特點，一是通道數量多，二是通道帶寬需求逐漸增長。安全分區的要求使得每種業務被拆成多條通道，每個分區都有獨立的通道，對支路端口的需求較大。

目前，電網公司建設的普遍是傳統OTN，不含分組光傳送網（Packet Optical Transport Network，POTN）功能，開通吉比特以太網（Gigabit Ethernet，GE）通道就要捆綁1個完整的光通路數據單元（Optical Channel Data Unit，ODU），開通10 GE通道就要捆綁1個完整的ODU。即使業務流量達不到為通道捆綁分配的帶寬，也要實際占用所有這些為通道捆綁分配的帶寬。假設某業務初期帶寬需求是3 Gb/s，逐步增長到10 Gb/s，若初始提供1個10 GE通道，較長時間內利用率會不滿50%，擠占寶貴的線路帶寬；若初始提供3個GE通道捆綁使用，雖然利用率更佳，但帶寬需求增長時相對不易進行通道擴容[9,10]。相比之下，POTN的特性使得通道的帶寬捆綁更靈活，例如10 GE通道可不必捆綁1個完整的ODU，初始開通時捆綁相對小的容器，后期可較方便地調整為更大的容器，這樣就緩解了帶寬利用率和通道擴容便利性之間的矛盾。為了適應業務需求的上述特點，OTN的規劃建設有必要進行相應的考慮，規劃設計時多預留一些支路端口，建設時考慮配置POTN功能[11,12]。

3 結 論

隨著電力通信系統的不斷發展，電力通信網在業務方面面臨著更多的要求，需要建設好傳輸網絡系統，從而更好地適應電力通信系統的業務變化。OTN技術是從傳統的WDM技術和SDH技術上進一步優化發展而來，傳輸效率和安全度更高，可以滿足現代電力通信網建設的需求。在電力通信工程中，通過落實OTN網絡配置優化工作，為OTN技術在電力通信系統中的應用奠定堅實基礎。