FA56智能电网高效光纤通信方案

1.概述

智能电网是将先进的传感量测技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。国家电网公司主导建设的坚强智能电网以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，覆盖从特高压到配网等所有电压等级的一体化融合的现代电网。

由于光纤通信的抗电磁干扰能力强，传输容量大，衰耗小等诸多优点，以成为智能电网通信系统最主要的通信媒介。目前的电力通信信息平台建成了以光纤通信为主的“三纵四横”的电力通信主干网络，实现了电网数据管理、信息运行维护综合监管、电网空间信息服务以及生产和调度应用集成等功能；在配网方面通过电力光纤到户等技术推动智能小区、智能城市的发展，提升人们的生活品质。

本公司结合坚强智能电网建设中的超长跨距通信，应用超低损耗光纤来延长无中继传输距离方法，设计了一种光纤解决方案。该方案不仅能节省大量的建设资金和运行维护费用，还能减少电路故障环节，从而增加电力通信线路的稳定性和安全性，提高电网运行的可靠性。另外智能电网建设中架空输电线路设计对OPGW外径有着十分苛刻的要求，利用200μm光纤在原有结构的OPGW中增加光纤芯数，使光纤数量增加1/3以上，缓解光纤使用紧张的问题。

2.超低损耗光纤延长无中继传输距离

传统G.652光纤通过在纤芯中掺锗的方式来提高纤芯的折射率，与二氧化硅的包层材料间形成折射率差，以保证入射光在单模光纤中满足全反射的传播条件。光纤的损耗主要来自于光纤材料的瑞利散射损耗和吸收损耗。由于掺锗元素的存在，引起较高的光纤瑞利散射，导致光纤的衰减无法降低，因此传统G.652光纤最低衰减为0.18～0.19dB/km。采用纯硅芯单模光纤，可减小瑞利散射引起的衰减，实现光纤损耗进一步降低至0.15dB/km。康宁公司在2009年推出了满足G.652规范的SMF-28^®ULL（以下简称ULL，或超低损耗）纯硅光纤。其在1550nm附近典型衰减为0.165dB/km，是衰减最低的G.652光纤。ULL光纤能有效地提高网络冗余及光信噪比（OSNR），在实际应用中可以支持更长的传输距离，减少中继站或放大器的使用，为电网安全、优质、经济、高效运行提供可靠支撑。

（1）超低损耗光纤实现超长无中继传输

超长距无中继传输通常需要结合EDFA放大器，拉曼放大器等技术来延长传输距离，常用的G.652D光纤，在1550nm处衰减一般为0.20dB/km，因此整个系统的传输距离在300km左右。目前的特高压交流线路中继站直接的距离一般都为300～400km，常规G.652D光纤无法传输这么长的距离，或者在特殊环境下无法提供更高的冗余。应用超低损耗光纤结合拉曼放大器覆盖大部分特高压线路的传输要求如图1所示。

图1 利用超低损耗光纤实现超长无中继传输

超低损耗光纤最早在国内有着“电力天路”之称的青藏直流联网工程开始应用。该光纤通信工程起于格尔木换流站，止于拉萨换流站，光缆线路全长1038km，共设有6个中继站，其中最长中继段为翻越唐古拉山口沱沱河至安多段，距离为295km。该段平均海拔超过5000m，自然环境恶劣，地质条件复杂，极端最低温度低于零下50℃。为保障系统的安全运行，对线路的衰减余量提出了更高要求，因此需要采用超低损耗光纤等多种先进技术。2011年8月该光纤通信系统成功开通，超低损耗光纤的使用降低了运行维护费用，提高了通信系统的可靠性。青藏联网工程超低损耗光纤OPGW竣工测试数据见表1。

表1 竣工测试数据表（安多光发送功率为16dBm）

注：24根纤芯平均衰减为0.1774。

从上述结果可见，工程施工（光缆铺设、光纤熔接等）完成后0.177dB/km（常规光纤一般为0.20～0.22dB/km）的衰减使得整体系统性能大幅提高，并为恶劣的环境变化和维护留下了余量，同时也能从容地应对未来网络技术的升级。目前为止，该系统已经在青藏线路上成功运行近三年时间，在线衰减检测系统的数据显示，超低损耗光纤在长期恶劣的天气条件下仍能保持最低的衰减，保障了系统的稳定、安全运行。目前已有多个电力通信项目使用了超低损耗光纤实现超长跨距传输，包括“电力天路”青藏直流±400kV联网工程，“疆电外送”新疆与西北主网联网第二通道750kV工程，“西电东输”哈密-郑州±800kV高压输电工程等，玉树与青海主网330kV联网工程。这些工程的跨距为330～366km。据测算，在不使用遥泵的情况下，结合超低损耗光纤、FEC，前后向拉曼技术可以实现最长380km的超长站距传输。

（2）超低损耗光纤代替拉曼放大器(www.xing528.com)

在坚强智能电网骨干网架的建设中存在很多跨段，其传输距离小于300km。目前常用的解决方案是常规光纤结合拉曼放大器的方式。拉曼放大器具有较低的噪声系数和宽的光谱范围，提供大概6～8dB等效光功率预算，可显著延长系统传输距离。但拉曼放大器需要较高的泵浦功率，因此存在安装维护麻烦，功率消耗较大，设备成本较高等缺点。超低损耗光纤和普通光纤相比，在250～300km的跨段上，损耗小（6～9dB），对应于6～9dB的光功率预算。因此在传输距离上可以等效于拉曼放大器的作用。而超低损耗光纤是一种无源设备，敷设完成后，不需要后续的维护投入，而且故障率低，因此是一种绿色环保、性能可靠的解决方案。其示意图如图2所示。

图2 利用超低损耗光纤，代替拉曼放大器实现250～300km宽度传输

从初期投资成本看，因为光纤是一次性投资，而拉曼放大器是随着业务量的需要而逐步开通，因此在比较初期投资成本的时候需要考虑线路开通拉曼放大器的数量。据电力设计院和国网信通分公司等部门测算，新建线路（24芯OPGW光纤为例），如果需要开通2对拉曼放大器，采用超低损耗光纤的初期投资成本和采用拉曼放大器的成本接近，如果考虑后期的运行和维护成本，超低损耗光纤的实际成本更低。如果线路业务需要开通3对或以上的拉曼放大器，使用超低损耗光纤可以节约可观的初期建设成本，如果12对全部开通，仅投资成本这一块就可以节约近400万元，而且低维护成本和高可靠性也会产生巨大的经济效益（见图3）。

图3 SMF-28ULL光纤节约的成本

3.200μm小外径光纤提高OPGW光缆内的光纤容量

电力通信中OPGW是常用的通信线缆，光纤放置在中间的不锈钢管中。工程应用中架空输电线路的结构设计对OPGW外径有严苛的要求，不锈钢管的尺寸不能轻易变动。然而在电力通信的某些应用中需要在不增加光缆外径的情况下增加光纤的数量。例如，当一条新建的超高压主干线路需要利用现有线路对光纤进行“T接”时，现有线路中的光纤芯数可能不能满足“T接”要求，而杆塔结构又不允许增加OPGW外径。这种情况下可考虑利用200μm小直径光纤在原有结构的OPGW中增加光纤芯数，以满足光纤T接需求。另外一些省级以下的电力光纤通信网中，由于各种原因造成目前的光纤通道十分紧张。如果在新的线路设计时采用200μm光纤，可增加光纤数量为后续发展留有充分的余地。

200μm光纤的出现主要为了解决城市光缆管道资源紧张、光纤芯数需求量大的矛盾。将光纤的外径由标准的245μm减小至200μm，可以实现减小光缆外径的目的。小外径光纤的结构从图4所示，其玻璃结构和普通光纤保持一致，主要是改进原有涂覆层的性能，以减小涂覆层的尺寸。考虑到减小光纤的涂层外径后，光纤容易受微弯损耗的影响，需要通过优化光纤结构，提高光纤抗弯特性来弥补，目前各大光纤生产厂提供的200μm光纤主要采用弯曲不敏感的B6（G657A1、G657A2）光纤。

图4 200μm光纤和普通250μm光纤的结构

G.657光纤通常采用减少光纤的模场直径的方式提升光纤抗弯能力，因此此类光纤的模场直径通常为8.6～8.8μm，和通用的G.652D的模场直径（9.2μm）有较大差异，这种差异会带来两个方面的问题：①有效面积较小，因此传输性能会受到影响；②和G.652D熔接时，会带来较大的熔接损耗。这些都会影响到用户的使用。康宁公司在2013年推出了SMF_-28 Ultra光纤，这种光纤同时满足G.652D和G.657的标准，既有低损耗的特性，又具有很好的弯曲特性，特别适合制作成200_μm的小直径光纤。Ultra光纤的另外一个重要的特点是模场直径和现有G.652D光纤完全一致，解决了单向熔接损耗的问题，保证了良好的传输特性（见图4）。

为了验证200μm光纤在电力通信的实际线路中的性能，我们采用G657A1/200μm光纤的OPGW进行了测试，将光纤芯数由原来最大容纤量24芯增加至36芯，测试结果表明OPGW样品各项性能优异，光缆内光纤传输性能、力学性能和环境性能都满足标准要求。因此200μm外径光纤可在外径不变的情况下增加光纤芯数，或在芯数不变的情况下减小外径，是一种特别适合电力架空光缆如OPGW、ADSS、OPPC设计，满足电力通信应用需求的光纤方案。

（作者：康宁（上海）光纤有限公司 陈皓）