OTN在電力通信中應用的問題探討

陳新南，連偉華，馬一寧

工程與應用

OTN在電力通信中應用的問題探討

陳新南1，連偉華1，馬一寧2

（1.中國南方電網電力調度控制中心，廣東 廣州 510663；2.南方電網能源發展研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

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廣泛、深入，在應用過程中出現了一系列亟待解決的問題：OTN的長距離傳輸問題、雷電導致OPGW承載的偏振復用OTN系統閃斷問題、業務需求的發展趨勢與OTN設備功能組合的匹配問題。簡要梳理、介紹了這3個問題的背景、原理；在實際的OTN系統建設工程中使用前后向拉曼放大器及后向遙泵放大器，并將其光信號沿著光纖遠傳的功率分布進行了理論計算并以工程實測數據驗證，定量證明了前后向拉曼放大器及后向遙泵放大器對OTN系統的單跨段傳輸距離的增益；對自然雷電導致光信號SOP旋轉的速度進行了理論估算并在實際系統中進行測量，提出了對OTN設備跟蹤SOP能力的測試方法并進行了實際測試；提出了應用分組光傳送網（pakect optical transport network，POTN）技術提升OTN帶寬調度靈活性的思路。

電力通信；OTN；OPGW；超長距；SOP

0 引言

我國電網公司普遍建有電力通信專網，其底層是隨輸電線路架設的光纜組成的光纜網，這些光纜將安裝在變電站、換流站、辦公樓內的光通信設備連接在一起組成了電力光傳輸通信專網。早期的電力光傳輸通信專網一般采用同步數字體系（synchronous digital hierarchy，SDH），光鏈路帶寬為10 Gbit/s（STM-64）、2.5 Gbit/s（STM-16）、622 Mbit/s（STM-4）、155 Mbit/s（STM-1）不等，主要承載繼電保護、安穩控制、電力調度自動化等以2 Mbit/s帶寬為主的生產控制業務和以×100 Mbit/s（一般為1～10）帶寬為主的管理信息業務[1-4]。

隨著電網逐漸向智能化、數字化的方向發展，采集的數據越來越多。在這種情況下，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。因此，需要越來越大的通信帶寬將這些數據從它們產生的地方傳輸到數據中心。以南方電網為例，在“十三五”規劃期內，便開始出現帶寬為×1 Gbit/s（一般為1～10）的數字化業務，其流向為南方電網主站—下轄各省級電網公司主站、省級電網公司主站—下轄各地區供電局主站，且需要配置通道級保護。聯絡南方電網主站及其下轄的各省級電網公司主站的通信網被稱為主干通信網。聯絡省級電網公司主站及其下轄的各地區供電局主站的通信網被稱為省干通信網。南方電網下轄多個省級電網公司，每個省級電網公司又下轄多個地區供電局，上述多條業務疊加在主干通信網、省干通信網后，經過光纖斷面的流量達到×10 Gbit/s級別（一般為10～40）。成熟商用的SDH設備支持的單根光纖最大帶寬為10 Gbit/s（業界曾基于SDH發展單根光纖40 Gbit/s和100 Gbit/s的技術體制，但未實現標準化和普遍商用，其隨著OTN技術的興起而逐漸銷聲匿跡）。

此時，采用SDH技術體制建設的電力光傳輸通信專網無法提供足夠的帶寬以滿足上述業務的需求。為了滿足這樣的需求，國內電網公司普遍選擇自建光傳送網（optical transport network，OTN）專網[5-12]。然而，當OTN專網在電力行業應用時，針對公共電信運營商需求而設計的商用OTN設備遇到了OTN的長距離傳輸問題、雷電導致OPGW承載的偏振復用OTN系統閃斷問題、業務需求的發展趨勢與OTN設備功能組合的匹配等問題。本文將針對這些問題開展論述。

1 OTN的長距離傳輸問題

在公網電信行業，單跨光纜的長度通常不超過80 km。通過每隔一段不到80 km的光纜設置光放站的方式將光信號放大，光信號因而可以傳輸數千千米，并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，而且光纜中間沒有設置光中繼站的條件。

用長距離光纜來建設OTN系統存在諸多困難。輸電線路光纜衰減的典型值為0.19～0.25 dB/km，經過長距離光纜的衰減，到達接收機的光信號遠低于接收機靈敏度（商用OTN設備100 Gbit/s光接收機靈敏度典型值為?14 dBm），無法被正確識別。為解決該問題，常用方法為在發送端使用摻鉺光纖放大器—功放（EDFA-BA）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，既可以對抗衰減，又避免在某個光纖截面注入過高的光功率。在接收端使用摻鉺光纖放大器—預放（EDFA-PA）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，因而增益也受限。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，因而均可起到提高增益、改善OSNR的效果。

光信號在光纖中傳輸的非線性薛定諤方程組[13]為：

南方電網在工程實踐中綜合運用了EDFA- BA、EDFA-PA、前向拉曼放大器、后向拉曼放大器、后向遙泵放大器，在距離230 km、衰耗56 dB的單跨光纜上開通了單波100 Gbit/s商用OTN系統，后向拉曼放大器接收的光信號的光功率為?18 dBm，光監控單元接收的光信號的信噪比為23 dB（標稱信噪比門限為13 dB，預留10 dB的富裕度）。長距離傳輸中應用光放大器示意圖如圖1所示。

圖1 長距離傳輸中應用光放大器示意圖

計算EDFA-BA/EDFA-PA對光信號影響的方法是：將進入EDFA-BA/EDFA-PA的光信號功率加上EDFA-BA/EDFA-PA相應的增益，就得到了離開EDFA-BA/EDFA-PA時的光信號功率；至于信噪比，則要根據EDFA-BA/EDFA-PA的噪聲系數予以扣減。

計算拉曼放大器對光信號影響的方法比較復雜，因為拉曼放大器的工作原理是沿著光纖逐漸對光信號進行分布式放大，所以不能使用直接將放大器增益與光信號功率相加的方法進行計算。拉曼放大器對光信號的影響可用拉曼功率耦合方程進行描述：

而后計算遙泵放大器對光信號的影響。上述的南方電網實際系統使用了旁路遙泵放大器，遙泵增益單元位于距離接收端75 km的光纜接頭盒位置的輸電線路桿塔上，遙泵泵浦源以單獨的（與信號光所在光纖不同的）纖芯連接至遙泵增益單元中，為其提供泵浦光。這種使用方式，相當于在距離接收端75 km的光纜接頭盒之處的輸電線路桿塔上部署了一個線路放大器，一方面進一步放大、提升接收光功率，另一方面也引入了ASE噪聲、劣化了信噪比；但在相同的功率增益情況下，顯然在光信號距離接收端75 km的位置以EDFA放大要比在光信號接收端以EDFA放大對信噪比要更好，因為在接收端時光信號更弱。計算旁路遙泵放大器對光信號功率的影響的方法很簡單，在整段光纖中位于遙泵增益單元的位置，光功率有一個階躍，階躍的數值就等于EDFA的增益。至于信噪比，則也是要根據旁路遙泵放大器的噪聲系數予以扣減。

綜合考慮前向拉曼放大器、后向拉曼放大器、后向遙泵放大器的影響，計算得到光信號沿著光纖遠傳的功率分布。從實際系統中實測的接收光功率來看，計算得到的功率分布是可信的，使用前向+后向拉曼放大器+后向遙泵放大器時光信號功率分布如圖2所示。

圖2 使用前向+后向拉曼放大器+后向遙泵放大器時光信號功率分布

從圖2可知，光信號在離開發送端60 km的距離內一直在被前向拉曼放大器放大，離開發送端30 km以內時，拉曼增益超過光纖損耗，光信號功率逐漸上升，至離開發送端30 km時達到最高；離開發送端超過30 km以后，拉曼增益開始低于光纖損耗，光信號功率逐漸下降。使用了后向遙泵放大器情況下，在距離接收端75 km（即距離發送端155 km處）的遙泵增益單元處，光信號被放大，光信號功率有一個階躍，而后繼續被光纖損耗而逐漸降低，但光信號在距離接收端60 km（即距離發送端170 km處）以內的距離被后向拉曼放大器放大；在距離接收端30～60 km時拉曼增益低于光纖損耗，因而光信號功率仍在下降，但下降的斜率逐漸減小，距離接收端30 km（即距離發送端200 km處）以內時，拉曼增益超過光纖損耗，光信號功率又逐漸上升，直至到達接收端為止。

上述實際系統中較新的嘗試是在商用的單波100 Gbit/s OTN系統中綜合應用前向拉曼放大器、后向拉曼放大器以及后向遙泵放大器。作為對比，圖2中還展示了不使用后向遙泵放大器情況下的光功率分布和極限傳輸距離?？梢?，在此實際系統中，使用后向遙泵放大器將極限傳輸距離擴展了39 km，是有效的。

南方電網還有更長距離、衰耗更大的單跨光纜，但即便使用EDFA-BA、EDFA-PA、前向拉曼放大器、后向拉曼放大器、后向遙泵放大器，也暫不具備在這些光纜上開通OTN系統的條件。這些長距離的光纜往往是跨省、跨地市聯絡的樞紐干線，不解決這個問題，OTN專網的組網容量、可靠性將大受影響。針對長單跨光纜定制非線性抑制算法，有希望解決此問題，例如針對用于相位恢復的自適應均衡器改進其自適應算法，可以在一定程度改善非線性相位噪聲的追蹤能力，達到抑制交叉相位調制效應的效果。

2 雷電導致OPGW承載的偏振復用OTN系統閃斷問題

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。OPGW的結構示意圖如圖3所示[14-16]。

圖3 OPGW的結構示意圖

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104～105A數量級，持續時間為10?5～10?4s數量級，雷電流的變化率高達108～109A/s數量級[17-18]，根據麥克斯韋方程組，金屬絞線內這樣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SOP進行高速旋轉[19-22]，法拉第磁致旋光效應示意圖如圖4所示。

圖4 法拉第磁致旋光效應示意圖

雷電導致OPGW中光信號SOP旋轉速度的估算計算式為：

雷電導致OPGW光纖中軸向的磁感應強度的估算計算式為：

將式（3）、式（4）代入數據進行理論估算，雷電導致光信號SOP的偏轉速度最高可達2×107rad/s。南方電網在實際自然環境下的真實輸電線路上進行試驗，利用投入運行的單波100 Gbit/s OTN專網，將來自真實輸電線路OPGW光纜的OTN合波光信號分光后引入SOP測偏儀（該儀表可以實時測量當前的合波光信號的SOP偏轉速度和相應的時間），風偏搖擺等因素導致光信號SOP偏轉的速度不會超過1×106rad/s，沒有其他已知因素會導致光信號SOP以超過1×106rad/s的速度偏轉，故而將SOP測偏儀記錄到的超過1×106rad/s的光信號SOP偏轉歸由雷電導致，試驗記錄顯示，自然雷電導致光信號SOP的旋轉速度最快可達2.93×107rad/s，符合理論估算的范圍。

對于未使用偏振復用的通信系統，例如單波10 Gbit/s OTN系統或SDH系統的光接收機只對接收光功率敏感，SOP的高速旋轉不影響光接收機的正常工作。但是對于使用偏振復用的通信系統，例如對單波100 Gbit/s或更高速率的OTN系統來說，雷電導致SOP的高速旋轉超出光接收機跟蹤SOP旋轉的能力時，會使OTN系統出現持續時間為毫秒數量級的瞬斷，直至此次雷電消失。雖然只有雷電流較大的情況才能導致（超出光接收機跟蹤SOP旋轉的能力的）SOP旋轉進而使OTN系統出現瞬斷，且每一次雷電導致的瞬斷時間僅為毫秒數量級，近似于一次正常的網絡保護倒換造成的瞬斷（50 ms以內），但考慮雷電擊中一條輸電線路的頻度每年可高達102數量級，一張OTN的光鏈路數量則一般為101～102數量級，雷電導致OTN系統瞬斷的影響仍然是不可忽略的。根據《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范（GB/T 50064-2014）》《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合（DL/T 620—1997）》，除西北地區之外的我國一般地區的雷電流及其概率可用式（5）估算：

其中，為雷電流幅值概率，為雷電流幅值，單位為kA。

根據式（5），計算得到雷電流幅值及其概率表見表1。

表1 雷電流幅值及其概率

南方電網在實驗室環境下測試了商用OTN設備跟蹤SOP旋轉的能力。首先搭建一條完整的單波100 Gbit/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，此時的合波后的光信號的偏轉速度即被測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，雖有大幅度的進步，但仍然低于完全免疫雷電影響的程度。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諸如最小均方差等算法來跟蹤信號的變化，改善此類跟蹤算法，有望進一步緩解此問題。

3 業務需求的發展趨勢與OTN設備功能組合的匹配問題

近幾年，OTN專網增量業務需求的主要來源之一就是新建的數據中心。這類業務有以下兩個特點：一是通道數量多，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；二是通道帶寬需求逐漸增長，起初相對較小，但隨著時間推移會逐步變大。

通道帶寬需求逐漸增長這一特點，會導致帶寬利用率和通道擴容便利性之間存在矛盾。目前，電網公司建設的OTN普遍是傳統OTN，不含分組光傳送網（packet optical transport network，POTN）功能[23-24]，開通吉比特以太網（giga bit ethernet，GE）通道就要捆綁一個完整的光通路數據單元（optical channel data unit，ODU），開通10 GE通道就要捆綁一個完整的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。舉例來說，假設某業務初期帶寬需求是3 Gbit/s，逐步增長到10 Gbit/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。

相比之下，POTN的特性使得通道的帶寬捆綁更靈活，例如10 GE通道可不必捆綁一個完整的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。

為適應業務需求的上述特點，OTN的規劃建設有必要作相應的考慮：一是規劃設計時多預留一些支路端口，二是建設時考慮配置POTN功能。OTN的設計和制造也宜針對業務需求的上述特點考慮。

4 結束語

本文在理論計算、測試、實際應用等方面對解決OTN在電力通信中應用的問題做了一些工作，并對后續進一步研究改進的方向提供了一些意見供參考。在研究解決OTN的長距離傳輸問題方面，可考慮針對長單跨光纜定制非線性抑制算法。在研究解決雷電導致OPGW承載的偏振復用OTN系統閃斷問題方面，可考慮改進相干接收機中自適應濾波器跟蹤信號變化的算法。在研究解決業務需求的發展趨勢與OTN設備功能組合的匹配問題方面，可考慮面向帶寬調度靈活性研究在電力系統中應用POTN的功能規劃和網絡規劃。我國電網公司期望通過發掘數據的價值成為價值鏈整合者，正在大力開展數據的采集、存儲，對OTN專網的需求會日益增長。OTN設備制造商若能面向電網公司的上述需求展開改進，可期電網公司、OTN設備制造商達成雙贏。

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Discussion on the issues of applying OTN in power grid communications

CHEN Xinnan1, LIAN Weihua1, MA Yining2

1.China Southern Power Grid Power Dispatching Control Center, Guangzhou 510663, China 2.China Southern Power Grid Energy Development Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510663, China

With the gradual increase in the demand for communication bandwidth in the electric power grid, the application of optical transport network (OTN) in electric power communication has become increasingly extensive and in-depth. A series of problems to be solved have been found in the application process. The long-haul transmission problem, the interruption problem of OTN with polarization multiplexing carried by OPGW which is caused by lightning strikes, the problem of mismatch between trend of service requirement development and functions combination of OTN equipment. The background and principles of the above three issues were briefly sorted out and introduced. The forward and backward Raman amplifiers and remote optical pumping amplifiers were applied in the practical OTN system construction project. Theoretical calculations of the optical power distribution along the fiber were carried out and verified by field measured data, which quantitatively proved the gain of amplifiers mentioned above on the single-span transmission distance of OTN systems. The speed of the rotation of SOP caused by natural lightning strikes was theoretically estimated and measured in the practical OTN system. A test method for the SOP tracking ability of the OTN systems was proposed and carried out. An idea of applying the pakect optical transport network (POTN) to imporve the flexibility of OTN bandwidth administration was proposed.

power grid communication, OTN, OPGW, ultra-long distance, SOP

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022149

2022?04?14；

2022?06?10

陳新南（1963? ），男，中國南方電網電力調度控制中心高級工程師，主要從事光傳輸網承載電網生產實時控制業務的安全可靠模式等方面的工作。

連偉華（1985? ），男，中國南方電網電力調度控制中心高級工程師，主要從事與光傳輸通信網承載電網業務相關的技術方面的工作。

馬一寧（1991? ），女，南方電網能源發展研究院有限公司工程師，主要從事信息化管理和大數據等方面的工作。