電力超長距離光纖通信遙泵放大系統(tǒng)設計分析

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，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。但是隨著放大技術的不斷發(fā)展，適應我國特高壓電網(wǎng)建設的迫切需要，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，Raman或混合EDFA/Raman放大技術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，隨著光學遠泵放大技術的成熟，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，其通信線路勢必采用多中繼的光纖通信線路架構，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)絡進行可視化監(jiān)測及信息管理，以科學的數(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用到系統(tǒng)中進行實時性的監(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，幫助相關人員及時分析光纖衰弱以及出現(xiàn)故障的原因。在進行光纖管理監(jiān)測的過程中還需要應用先進的技術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)測技術中一個重要的議題是，不斷提升監(jiān)測設備對光纜監(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置多個EDFA，它必然增加建設和運營的成本。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的使用使光纖通信線路適應了特高壓電網(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一步優(yōu)化超長站距光纖傳輸系統(tǒng)的建設。

2 遙泵技術原理分析

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，遙泵方案設計圖如圖1所示。在具體實施操作的時候遙泵技術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)進行劃分。

圖1 遙泵技術系統(tǒng)

EDF能夠?qū)π盘栠M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，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)設計

在某大壩輸變電工程建設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，整個系統(tǒng)由光放大器、預放大器、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。

在具體設置的時候要求最終要達到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形式之一，但是由于該技術的出現(xiàn)比較短暫，遙泵放大技術在電力系統(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。相信在社會的進步發(fā)展下遙泵技術將會在電力系統(tǒng)中擁有更為廣泛的應用空間和應用前景。