（通信与信息系统专业论文）华中电力光纤通信网技术方案的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近几年来，随着电网规模的扩大和电网控制技术的现代化，电力生产对电力通信 提出了越来越高的要求。华中电网公司原有的以微波为主的通信方式已无法满足电力 调度的需求，建设华中电力光纤通信网络已成为必然。电力通信的显著特点之是可 以利用架空地线复合光缆( o p g w ) ，由于它随输电线路架设，因此具有较高的可靠 性和较长的使用寿命。 本论文从分析华中电网的结构入手确定了光纤网络的拓扑结构，通过分析预测业 务量来决定光通信系统的传输容量。合理地利用掺铒光纤放大器( e d f a ) 和光传输单 元( o t u ) 来解决长距光传输中的衰耗和色散问题。根据本通信网络中的业务以集中型 为主的特点和网络可扩展性强的要求，对几种剐络保护方式进行了对比和分析。由于 输电线路差动保护业务对传输通道的要求是收发两个方向的传输时延相等，本文特别 对通道保护倒换( p p s ) 和复用段保护倒换( m s p ) 动作时是否会引起收发时延不相等 进行了详细的分析。 数据业务在整个通信业务中所占的比例逐渐增加，因此非常有必要对数据业务如 何承载在s d h 设备上进行研究。本文分析了传统的p o s ( i po v e rs d 1 ) 技术的局限性 和弹性分组环( r p r ) 技术的优点，提出了利用r p r 技术在华中电力光纤通信网上进 行数据传输的方案。 网管系统的可靠性，是光纤通信嘲实现电路配置、故障分析、性能监视的基础。 本文提出了由主、备网管中心和三个x 终端组成的一个环型的s d h 网管结构，具有 较高的可靠性。同时，利用国家电力数字同步网的资源，给出了华中电力光纤通信网 的同步方案，以保证在单个时钟节点故障时，全网仍能保持频率同步。 关键词：光纤通信同步数字体系衰耗色散保护倒换弹性分组环同步 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es c o p ee i l l a 曜i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n 0 1 0 9 ym o d e r n i z i n go fe i e c m cg r i d si n r e c e n ty e a r s ，e l c c m cp o w e rp m d u c t i o nm a k em o r ea n dm o r es t r i c td e m a l l d so fe l e c 埘c p o w e rc o m m u n i c a t i o n t h ec o m m u n i c a t i o ni n s m e n t a l i t yc o n s i s t i n g o fm i c r o w a v e c o m m u n i c a t i o nm o s t l yc a n n o tm e e tt l l ed e m a n d so fe l e c t r i cp o w e rd i s p a t c 王l i n gi nc e n t r a l c h i n ae l e c 埘cg r i d i ti sb e c o m ean c c e s s i t yt oc o n s t n l c tt h eo p t i c a l 助e rc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ko fc e n t r a lc h i n ae l e c 埘cg d d o n eo ft h co b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c 砸cp o w e r c o m m u n i c a t i o ni st h eu s i n go fo p g w ( o p t i c a l 硒e rc o m p o s i t eo v e r h e a dg r o u i l d 讪r e s ) b e c a u s eo p g wi s1 a i dw i t ht h ee l e c t r i cw i r ej th a sh i 幽d e p e n d a b i l 时a n dl o n gl i f e 1 1 l ea n i c l ea s c e r t a i n st l et o p 0 1 0 9 ys t m c t u r eo f o p t i c a lf i b e rc o i 砌u n i c a t i o nn e t w o r ko f c e n t r a lc h i n ae l e c 订i c 掣i db ya n a l y z i n gt h cs t m c t l l r eo fc e n t r a lc h i n ae l e c m cg r i d t h e a r t i c l ea l s oa s c e n a i n st h ec a p a c i t yo fo p t i c a l 矗b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb ya n a l y z i n g a n dp r e d i c t i n gq u a n t i t i e so fc o m m u n i c a t i o n i ts o l v e sa t t e n u a t i o na n dd i s p e r s i o np r o b l e m s i nl o n g d i s t a n c eo p t i c a lt r a n s m i s s i o nb yu t i l i z i n ge d f a ( e r b i u m d o p e d 肋e ra i 玎p l i f i e r ) a 王1 d 0 t u ( 0 p t i c “t r a l l s l a t o ru n i t ) 谢t hr e a s o n 。nc o n t r a s t s a n da n a l y s e ss “e r a ls t y l e so f n e t w o r kp r o t e c t i o na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fn e t w o r ki n f b m l a t i o ni sc o n c e n h 钺e d a n dn e n v o r kt o p o l o g yi so f i e nc h a l l g e d i ta n a l y s e sw h e t h e rt l l e 恤m s l i l i m n gt i m ed e l a yi s e q u a lt ot h er c c e i v i n gt i m ed e l a ya f t e rs 、v i t c 血i n ga c t i o n su n d e rc o n d 试o no fp p s ( p a t h p m t e c t i o ns w i t c h ) a i l dm s p ( m u l t i p l e xs e c t i o np r o t e c t i o n ) i nd e t a i lb e c a u s ee l e c t r i c 、 ，i r e d e l a yp m t e c t i o nr e q u i r e st h et r 觚锄i 劬1 9t i m ed e l a yi se q u a l t ot h er e c e i v i n gt i m ed e l a yi n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nc h a n r l e l i t i s v e r yn e c e 5 s 邺rt os t u d yh o wt oc a r d ，t l e d ，旺ac o 姗u n i c a t i o no v e rs d h ( s y n c h m n o u sd i g i t a lh i e m r c h y ) b e c a u s et h ep r o p o f t i o no f d a t ac o m m u n i c a t i o ni na 1 1 c o m m u n i c a t i o ni si n c r e a s i n gg r a d u a l l y t h ea n i c l ea 叫y s e ss h o n a g e so fp o s ( i po v e r s d h ) a n dm e r i t so f r p r ( r e s i l i e n tp a c k e t 血曲，i n t r o d u c e st h eb l u e 砸n to fu t i l i z i n gr p r u 华中科技大学硕士学位论文 t e c h n 0 1 0 9 yt or e a l i z ed a t ac o m m u i l i c a t i o no v e ro p t i c a l 丘b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko f c e n 订a lc l l i n ae l e c t r i c 鲥d c o n f i g 谳n gc i r c u i t s 、a i l a l y z i n gm a l f 诚c t i o n 卸dm o n i 妇i n gp e r f b n l l a l l c ei no p t i c a l 曲e rc o m m u 埘c a t j o nn e h v o r ko fc e n t r a l 枷n ae 】e c 埘c 鲥da r cb a s e do nd 印e n d a b i l i t yo f n e t v v o r km a n a g e m e ms y s t e m t h ea m c l ei n t r o d u c e sa r i n gs h a p e s d hn e t w o r k m a n a g e m e ms 缸1 l c t w et l l a tm a d eu po f p r i m a r yn e t 、v o r km a n a g e m e mc e n t r a l 、s p a r en e t 、v o r k m a n a g e m e m c e n t r a la 1 1 dt l l r c ext e 珊i n a l s ，i th a sh 培hd e p e n d a b i l i t y 1 1 1 ea n i c l ea l s og i v e s as y n c h r o n o u ss c h e m ew h j c hc a ni n s u r e s 也en e t 、o r kk e 印i n g 丘e q u e n c ys y n c l l r o n i 刎o n w h e ns i n g l en o d e p o i n ti s f 撕1b yu t i l i z i n g t h ei e s o u r c e so fg t a t ee l e c t r i c d i g i t a l s y n c h r o n i z a t i o nn e t 、v o r k k e yw o r d s ：0 埘c a l 肋e rc o m m l l n i c a t i o n a t t e n u a t i o n d i s p e r s i o n r p r ( r e s i l i e n tp a c k e tm g ) s d h ( s y n c h r o n o u sd 蟾i t a lh i e r a r c h y ) p r o t e c t i o ns w i t c h s y n c h r o n i z a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。 学位论文作者签名：罢；基 日期：a 石年r 月孑f = i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等幅值手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年鲤密后适用本授权书。 本论文属于 不保密硒。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名：曼蘧 开期：叻6 年f 月3n 指导教师签名：寺舭k 日期：2 即乍年争月pf i _ 1 华中科技大学硕士学位论文 1 1电力系统通信概述 1绪论 电力系统是由分布于一个国家各地区的发电厂通过输配电网向远离电站、遍布国 内各地的负荷供电而形成的。发电厂与变电站通过输电网连接，在变电站进行运行操 作，降低电压，并通过配电网向民用及工业负荷供电。显然，这些单位不能孤立地进 行丁作，需要为它们提供通信服务u j 。 电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的。它同电力系统的 安全稳定控制系统和调度自动化系统被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支 柱。目前，它更是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础，是确保电 网安全、稳定、经济运行的重要手段，是电力系统的重要基础设施。由于电力通信网 对通信的可靠性、继电保护控制信息传送的快速性和准确性具有及严格的要求，并且 电力部门拥有发展通信的特殊资源优势。因此，世界上大多数国家的电力公司都以自 建为主的方式建立了电力系统专用通信网【2 1 【3 1 。 我国的电力通信网经过几十年的建设，已经初具规模，通过卫星、微波、载波、 光纤等多种通信手段构建而成了一个以北京为中心覆盖全国3 0 个省( 市、自治区) 的立体交叉通信网。电力通信在协调电力系统发、送、变、配、用电等组成部分的联 合运转及保证电网安全、经济、稳定、可靠的运行方面发挥了应有的作用，并有力的 保障了电力生产、基建、行政、防汛、电力调度、水库调度、燃料调度、继电保护、 安全自动装置、远动、计算机通信、电网调度自动化等通信需要。虽然电力通信的自 身经济效益目前不能得以直接体现出来，但它所产生并隐含在电力生产及管理中的经 济效益是巨大的。 电力通信的业务划分为关键运行业务和事务管理业务两大类。其中关键运行业务 是指远动信号、数据采集与监视控制系统、能量管理系统、继电保护信号和安全自动 装置信号、调度电话等。事务管理业务包括行政电话、会议电话和会议电视、管理信 华中科技大学硕士学位论文 息数据等。 电力系统通信具有如下特点：( 1 ) 可靠性及可硐性的要求很高，电力系统需要工 作非常可靠、随时可以使用的通信网络。u 靠性及可用性的要求并不能简单地通过第 二通道或冗余路由吏现，而麻使每一条通路都具有很高的可靠性及可用性。这样， 条通道发生故障时，通信的可靠忡及町用性仍自2 达到要求。( 2 ) 具有一定的灵活性， 即使电力系统的参数和结构变化，通信系统也应能随着改变而适应新的情况。凼此， 电力系统通信网具有超前容量、备用带宽和各用通道 4 l 。( 3 ) 电力通信可利用电力系 统的特有资源，如利用高压输电电力线路资源可开通电力线载波通信业务，利用高i 输电电力线路地线或杆塔资源，采用o p g w ( 架空地线复合光缆) 或a d s s ( 全介质自 承式光缆) 进行光通信等。( 4 ) 电力系统通信传输网和接入网的界限模糊，电力生产 供应流程的特点决定了电力系统通信的覆盖面广、容量小的特点，电力系统通信的业 务以扩秉型为主兼有相邻型。没有单独的接入阿传输网和接入网台为一个嘲。( 5 j 电力通信网的拓扑结构变动相对较大，由于受屯网接线变化的影响很大，因此电力通 信网结构经常变化。这就要求在电力通信网网络规划和设备功能选择上考虑到对未来 变化的适应能力。 1 2 现代光纤通信技术的迅猛发展 现代光纤通信技术的发展主要体现在以下儿个方面：( 1 ) 系统的容量不断提高。 由日前的单通道2 5 g b i t s 、1 0 gh t s 系统向单通道4 0 g b i t s 系统发展。正在研究 和使用外调制技术、前向纠错技术( f e c ) 、新型编码技术、分布式喇曼光纤放大器 ( d r f a ) 、色散补偿技术等来克服光通信中的1 e 线性效应、色散效应、光信噪比( o s n r ) 劣化等因素对系统信息速率的限制。( 2 ) 由单波长通道向多波长通道过渡，采用波分 复用( w d m ) 技术( 也包括1 5 5 0 n m 的d f b 激光器、光纤放大器、色散补偿技术) 将会 使光纤传输速率提高到几百g b i t s 以上，而中继距离也会达到数百公里。( 3 ) 用j 一 网的光纤化，光纤通信的另一个重要领域足实现电信网的全光纤化，其中最困难的是 光纤用户网。在未来的用户嘲中需要传输多种宽带业务，现在的电缆网可能无法捎此 2 华中科技大学硕士学位论文 重任，用户网从电缆网向光纤网过渡是大势所趋。( 4 ) 光交换节点将取代电交换节点： 由于采用波分复用技术使得传输速率极大提高，因而原有电交换机的速率成了整个网 络的瓶颈，将被光交换机取代。所谓光交换是指对光纤传送的光信号直接进行交换， 有效地减小了延时，增大了系统的吞吐量。( 5 ) 相干光通信是未来的光纤通信方式： 它与传统的系统相比，主要区别在于其接收机采用外差式接收系统或零差接收，在接 收机中增加了本振光源和光混频器，具有混频增益，从而使得系统的接收灵敏度高， 而且具有出色的波长选择性。这些优点使得相干光通信必将在波分复用系统，尤其是 密集波分复用( d w d m ) 系统中发挥巨大的作用。( 6 ) 孤子通信与全光系统：光脉冲在 光纤中传输时，光纤的色散效应会导致光脉冲的展宽，从而限制了传输速率和中继距 离。而光纤的非线性作用则刚好相反，它使脉冲在传输过程中变窄，并最终导致脉冲 破裂，从而限制了入纤光功率。如果同时利用上述两种作用，则在一定条件下可以使 光纤的非线性效应与色散效应相互抵消，从而保持光脉冲形状在传播过程中不变形， 形成所谓的孤子。将孤子传输技术与光放大技术相结合即可抛弃传统的光电一光再 生中继方式，实现超长距离、超高速的全光通信1 5 l l “。 1 3 课题的背景、意义和要解决的问题 华中电力通信网承担着为华中网调至四省调( 河南、湖南、江西、湖北) 、5 0 0 k v 变电站、直调电厂提供各种通信业务传输平台的任务。2 0 0 3 年以前，华中电力通 信网的传输技术体制是p d h 数字微波和少量的s d h 数字微波和光纤。主干线是葛 洲坝电厂一上海微波( p d h 3 4 m b i t s ) 华中段、北京一武汉广州微波 ( p d h 3 4 m b i t s ) 华中段和鄂西北微波( s d h l 5 5 m b i t s ) ，如图l l 所示。仅能覆盖 四省调和少量调度点，存在着技术落后、传输容量小、设备超期服役运行不稳和质 量下降、备件短缺无法维修等问题。大量通信业务的组织依赖于国家电力通信主干 电路在华中地区电路和四省的省内通信电路，国家电力通信主干电路在华中地区电 路如图1 2 所示。因此电路转接点多、环节复杂、故障查找困难、质量不稳定，难 以满足电力调度生产的需要【7 1 。 华中科技大学硕士学位论文 图卜l2 0 0 3 年华中电网通信土干线示意图 幽卜22 0 0 3 年国家电力通信主干线华中段示意陶 4 华中科技大学硕士学位论文 随着三峡电站送出配套的交直流输电线路的建设，华中电网公司和国家电网公司 以及各省电力公司以共同出资建设的方式。在三峡电站送出工程配套的5 0 0 k v 交直 流输电线路上同步建设了大量的o p g w 。o p g w 是在电力传输线路的地线中加入含 有供通信使用的光纤单元。它具有两种功能：一是作为输电线路的防雷线，对输电导 线抗雷闪放电提供屏蔽保护。二是通过复合在地线中的光纤来传输信息。它是架空地 线和光缆的复合体，但并不是它们之间的简单相加。o p g w 光缆主要在5 0 0 k v 、 2 2 0 k v 、1 1 0 k v 电压等级线路上使用，受线路停电、安全等因素影响，多在新建线路 上应用。如何利用已建成的o p g w 资源，来合理、高效的组建华中电力光纤通信网 以满足华中电网电力调度生产的需要，成为一个新的课题。 在组建华中电力光纤通信网中主要需要解决的技术问题有以下几个方面：系统拓 扑结构和容量的确定、各种距离中继段的实现方式、s d h 保护方式、数据业务的承载 方式、s d h 网管和同步的方案等。 华中科技大学硕士学位论文 2 华中电力光纤通信网总体设计 2 1 网络拓扑结构 网络的拓扑结构泛指网络的形状，即网络节点和传输线路的几何排列，它反映了物 理上的连接性。网络拓扑的概念对于s d h 网的应用十分重要，特别是网络的效能、可靠 性和经济性在很大程度上与具体物理拓扑有关。网络拓扑的选择应考虑众多因素，如网 络应有高生存性、网络配置应当容易、网络结构应当适于新业务的引进等。实际的网络 中不同部分适用的拓扑结构也有所不同。下面介绍几种常见的拓扑结构嘲【9 j 。 ( 1 ) 线形( 链状) ：当涉及通信的所有节点一串联，并且首尾开放就形成了线 形拓扑。这种结构是s d h 早期应用的比较经济的网络拓扑形式。 ( 2 ) 星形( 枢纽形) ：当涉及通信的所有节点中有一个特殊的点与其余所有点直 接相连，而其余点之间互相不能直接相连时，就形成了星形拓扑。除了特 殊点外的任意两点问的连接都是通过特殊点进行的。这种网络拓扑可以将 枢纽站( 即特殊点) 的多个光纤终端合成一个，并具有带宽管理灵活性。 但存在枢纽点的潜在瓶颈问题和失效问题。 ( 3 ) 树形：可以看成是线形拓扑和星形拓扑的结合，适合于广播式业务，但也 存在和星形网类似的问题。 ( 4 ) 环形：将线形结构的两个首尾开放点相连就变成了环形拓扑。其最大优点 就是具有很高的生存性，这对现代大容量光纤网络是至关重要的，冈此环 形网在s d h 网中受到特殊的重视。 ( 5 ) 网孔形：当涉及通信的许多节点直接互连时就形成了网孔形拓扑。网孔形 结构不受节点瓶颈问题和失效问题的影响，两点间有多种路由可选，1 1 ，靠 性很高。但结构复杂、成本较高，适用于业务量很大的地区【1o 】。 华中电力光纤通信网的主要作用是为华中网调至湖北、湖南、河南、江西四省调 和5 0 0 k v 变电站以及直调电厂提供通信传输平台。从电力通信对通信网络可靠性及可 崩性的要求很高这一点出发，华中电力光纤通信网宜采用环形或网孑l 形的拓扑结构。 6 华中科技大学硕士学位论文 但是考朦到：( 1 ) 华中电网地理范围覆盖湖北、湖南、河南、江西四省，若全部采用 环网结构，总长度将达到2 0 0 0 至3 0 0 0 公里。这样大的环网在带宽利用牢、建设经济 性方面( 需建设较多中继站) 都存在定的问题。( 2 ) 华中电力光纤通信网的传输介 质是架设在电压等级为2 2 帐v 及以上线路上的o p g w 或a d s s ，因而其拓扑结构必须根 掘2 2 0 k v 及以上电网的结构来统一规划，( 3 ) 由于相对于2 2 0 k v 电网而言5 0 0 k v 电网 的结构变化要小得多，因此在光缆路 f 的选择上应该尽量使用5 0 0 k v 网架的o p g w 光 缆，从而将电网结构的变化对电力光纤通信网的影响降低。( 4 ) 国网公司已建成北京 一三峡一重庆2 5 g b i t s 光纤通信电路在华中境内路由为获嘉变一嵩山变一郑州变 一白河变樊城变一斗笠变一龙泉换流站一三峡左岸电j 。这部分的通信业务可以使 用国网公司电路。2 0 0 4 年华中电网骨干光缆情况如图2 一l 所示。 幽2 12 0 0 4 年华中电时骨干光纤地理接线目 因此综合考虑上述因素，华中电力光纤通信网的结构确定为“中部环阳，南北干 线”。其中，中部环网为华中网调一凤凰山交一磁湖变鲁溪中继站一南昌变一江西省调 华中科技大学硕士学位论文 梦山变一罗坊变一袁州中继站一滴水井中继站一云田变一湖南省调一沙坪变一复兴变一澧儋 中继站一江陵换流站一斗笠变一龙泉换流站一永隆中继站孝感变一玉贤变一华中网调，覆 盖湖北、湖南、江西三省，环网光缆线路长度约为1 8 5 0 k m ，共计1 6 个a d m 站( 上下 话路站) 、5 个光纤中继站。中部环网除了罗坊变一袁州中继站一滴水井中继站一云用变 段部分使用了2 2 0 k v 及以下线路的0 p g w 或a d s s 外，其它段均使用5 0 0 k v 交流或直流 线路的o p g w 。南北干线为华中网调一湖北省调一孝感变一信阳变一邵陵变一祥符变一郑州变 一河南省调，覆盖湖北、河南两省，光缆线路长度约为5 7 1 ( 1 1 1 ，共计7 个a d m 站( 上下 话路站) 。南北干线全部使用5 0 0 k v 交流线路上的o p g w 。另外还有南昌变一乐万变 2 5 g b i t s 和邵陵变一姚孟电，、郑州变一嵩山变一获嘉变一沁北电厂6 2 2 i t s 的 3 条支线电路。网络采用加拿大北电通信公司的o m 3 5 0 0 ( 速率为2 5 g b i t s ) 和0 m 4 1 5 0 ( 速率为6 2 2 m b i t s ) 设备组网。华中电力光纤通信网的拓扑结构见图2 2 。 华中电力光纤通信网拓扑图 图2 2 华中电力光纤通信网拓扑结构图 华中科技大学硕士学位论文 2 2 系统容量的确定 根据电力通信网的规划具有超前容量和留有备用带宽的原则，下面对华中电力光 纤通信网承载的业务情况按“十1 五”规划的目标网架进行预测。在s d h 网上传输的 非l p 承载形式的信息业务及实时数据信息业务有：行政电话、调度电话、h 3 2 0 会议 电视系统、调度自动化实时信息、继电保护、安全自动装置、水调自动化、雷电定位 系统等。 ( 1 ) 河南省区域 河南省区域信息量统计按照区域单位至华中公司干线信息流量统计，如下表所 示，忙时最大流量总计为1 1 8 m b i t s 。 表2 1河南省区域草位华中公司信息流量统计表 ( m b j “s ) 数调度行政 会议视频调度 水调安自保护 雷电 量电话电话电视监视自动化 定位 综合 44824242 2 变电站 1 92 4 3 20o3 82 4 3 2o0o 0 换流站 2o 2 5 6oo 4 o 2 5 6 00oo 水电厂 2o 2 5 6444 o 2 5 6o 2 5 6 00 0 火电厂 6o 7 6 81 21 2o0 7 6 8o0o o 总计 7 7 1 2 2 02 44 87 7 1 22 2 5 6422 ( 2 ) 湖北省区域 湖北省区域信息量统计按照区域单位至华中公司干线信息流量统计，如下表所 示，忙时最大流量总计为1 3 2 m b i t s 。 9 华中科技大学硕士学位论文 表2 2湖北省区域单位一华中公司信息流量统计表( m b i t s ) 数调度行政 会议视频 调度 水调安自保护 雷电 量电话电话电视监视自动化定位 综合 448242422 变电站 1 92 4 3 20o3 82 4 3 2000 o 换流站 4o 5 1 20o8o 5 1 2oo0o 水电厂81 0 2 41 61 6o1 0 2 41 0 2 400 0 火电厂 30 3 8 466 0o 3 8 40ooo 总计 8 3 5 22 63 04 88 3 5 23 0 2 4 422 ( 3 ) 湖南省区域 湖南省区域信息量统计按照区域单位至华中公司干线信息流量统计，如下表所 示，忙时最大流量总计为1 0 6 m b i t s 。 表2 3湖南省区域单位一华中公司信息流量统计表 ( m b j t s ) 数调度行政会议视频调度 水调安自保护 雷电 e 电话电视监视自动化定位里电话 综合 4 4 8 242422 变电站 1 41 7 9 2o0 2 8 1 7 9 2 oo00 换流站oooo oooooo 水电厂 3o 6 41 01 0oo 6 4o 6 4ooo 火电厂 5 0 6 4 1 01 000 6 4o00o 总计 6 8 1 62 02 43 06 8 1 62 3 8 4422 ( 4 ) 江西省区域 江西省区域信息量统计按照区域单位至华中公司干线信息流量统计，如卜表所 示，忙时最大流量总计为6 9 m b i t s 。 o 华中科技大学硕士学位论文 表2 4江西省区域单位一华中公司信息流每统计表( m b i t s ) 数凋度行政会议视频调度 水调安自保护 雷电 _ 且 电话电视监视自动化定位里电话 综合 448242422 变电站 81 0 2 4oo1 61 0 2 4o0oo 换流站 0o 0 0ooo 0 0 o 水电厂 1o 1 2 8222o 1 2 80 1 2 8000 火电厂 30 3 8 466o0 3 8 4o0o0 总计 5 5 3 61 21 6 2 0 5 5 3 62 1 2 8 422 ( 5 ) 华中公司信息流量统计 华中公司直接承载在s d h 上的信息流量统计见表3 5 ，总计为4 2 5 m d i l s 。 _ _ 莨2 5华中公司信息流量统计表 ( m b i s ) 信息分类河南 湖北l 湖南i 江西l 总计 1 1 81 1 3 2j 1 0 61 6 91 4 2 5 直接承载在s d h 上的t d m 业务 上述数据中华中公司至各单位的调度电话、水调、调度自动化业务量是以 6 4 k b i t s 为单位进行统计，求和后再折算成2 m b i t s 的。实际光传输设备的最小业务 单元为2 m b i t s ，上述表中的这些业务均应算到一个2 m b i t s 内( 因为这些业务都在 同一个p c m 内传送) ，各厂站至华中公司的上述业务量= 厂站总数2 m b i t s 。所以对 于传输设备两言，河南省区域单位至华中公司业务流量应为1 6 8 i t s 、湖北应为 1 9 0 m b i t s 、湖南应为1 3 6 m b i t s 、江西应为9 0m b i t s 。i 习此，在s d l i 上各被调度点 至华中公司的t d m 业务总量为5 8 4 m b i t s 。在数据网上( 含调度数据网、数据通信网) 传输的数据q k 务主要为i p 承载形式的信息业务，应按照统计复用方式进行统计。在 数据网上传输的数据业务有：保护及故障录波器信息管理系统、电力市场数据、华中 电网信息化应用系统( m t s 系统、0 a 系统等) 、h 3 2 3 会议电视系统、电子邮件系统、 华中科技大学硕士学位论文 文件传输系统、视频点播系统、g i s 系统、远程教育和在线培训。估计2 叭0 年各省上 广域网的信息约为1 5 5 卅1 6 m ( 其中调度数据网为8 $ 2 m ，数据通信网为1 5 5 m ) ，总计带 宽为秘l 聊) i t s 蝴2 m d i t s = 6 8 4 m i t s 。由于电力通信的业务类型以集中型为主，因 此各省调之间和各厂站之间的业务量很小，同时各省调至省内厂站的业务由各省省内 电力通信网提供。因此，所有承载在华中电力光纤通信网上的带宽会比5 8 4 + 6 8 4 = 1 2 6 8 恤i t s 略大一些。同时考虑到华中电力光纤通信网还要为国家电网公司和四省公司提 供备用和迂回通道，因此其系统容量宜选择为2 5 g b i t s 。 2 3 光纤类型的选择 下面介绍几种常用的光纤的特点：g 6 5 2 光纤是1 3 1 0 n m 波长性能最佳单模光纤， 是目前最常用的单模光纤。工作在1 5 5 0 n m 窗口衰减小，且具有b d f a 供选用，但其在 1 5 5 0 n m 窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。主要应用在l3 1 0 n m 波长丌通 6 2 2 m b i t s 及以下系统，在1 5 5 0 n m 波长区开通2 5 g b i t s 、1 0g b i t s 和n $ 2 5 g b i t s 波分复用系统。g 6 5 3 光纤是1 5 5 0 n m 性能最佳单模光纤。工作在1 5 5 0 n m 窗口色散为 零，且具有最低衰减特性，但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限于在 1 5 5 0 n m 波长丌通单信道1 0 g b i t s 系统。g 6 5 4 光纤是1 5 5 0 n m 波长衰减最小单模光纤， 一般多用于长距离海底光缆系统。g 6 5 5 光纤是非零色散位移单模光纤。它同时克服 了g 6 5 2 光纤在1 5 5 0 n m 波长色散大和g 6 5 3 光纤在1 5 5 0 n m 波长产生非线性效应不支 持波分复用系统的缺点。主要用于在1 5 5 0 n m 波长开通1 0 g b i t s 波分复用系统【1 2 】。 华中电网5 0 0 k v 网架上架设的0 p g w 光缆，大部分是g 6 5 2 + g 。6 5 5 混合光缆，两 者比例为3 ：1 4 ：1 左右。通常g 6 5 2 单模光纤在c 波段1 5 3 0 n m 1 5 6 5 n m 和l 波段 1 5 6 5 n m 1 6 2 5 n m 的色散较大，一般为( 1 7 2 2 ) p s n m 1 ( m 。在开通高速率系统如1 0 g b s 及基于单通路高速率的波分复用系统时，可采用色散补偿光纤( d c f ) 来进行色散补 偿，使整个线路上1 5 5 0 n m 处的色散大大减小，使g 6 5 2 光纤既可满足单通道1 0 g b s 的t d m 信号，又可满足d w d m 的传输要求。但d c f 同时引入较大的衰减，因此它常与 光放大器( e d f a ) 一起工作，置于e d f a 两级放大之间，这样才不会占用线路上的功 率余度。g 6 5 2 光纤在1 5 5 0n i i l 工作窗口的损耗值低于1 3 1 0 硼工作窗口的损耗值。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 g 6 5 5 光纤的基本设计思想是在1 5 5 0 姗窗口工作波长区具有合理的较低的色散， 足以支持1 0 g b s 的长距离传输而无须色散补偿，从而节省了色散补偿器及其附加光 放大器的成本；同时，其色散值又保持非零特性，具有一个起码的最小数值，足以抑 制非线性影响，适宜开通具有足够多波长的波分复用系统。第二代的g 6 5 5 光纤一大 有效面积的光纤和小色散斜率光纤也已经大规模应用，前者具有较大的有效面积，可 以更有效地克服光纤非线性的影响；后者具有更合理的色散规范值，简化了色散补偿， 更适合于l 波段的应用【1 4 】。两者均适合于以1 0 ( m s 为基础的d w d m 系统。 从技术实现的角度来看，g 6 5 2 光纤和g 6 5 5 光纤对于单通路速率为2 5 g b s 、 1 0 g b s 的d w d m 系统都适用。综合这两种光纤应用的成本来看，对于2 5 g b s 及其以 下速率的d w d m 系统，g 6 5 2 光纤是一种最佳选择；对于1 0 g b s 及更高速率的d w d m 系统，g 6 5 5 光纤是一种最佳选择。从以上的论述可知，华中电力光纤通信网：直使用 ( ；6 5 2 型光缆，波长使用1 5 5 0 n i l 。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 光纤传输系统设计 3 1 影响传输距离的几个因素 最大中继距离是指在光发射机和光接收机之间不设中继站时的最大距离。在设计 一个光纤通信系统时，计算最大中继距离显然是一个重要的问题。一般最大中继距离 要受到以下三个因素的制约：光纤的衰减、光纤的色散、光纤的非线性效应 15 1 。 光纤中的传输光能衰减的起因是材料本身、制造缺陷、弯曲、接续等对光能的吸 收和散射损耗。其中，吸收损耗是由于光纤对光能的固有吸收，光纤中产生的吸收损 耗的主要类型有：本征吸收、杂质和结构缺陷吸收。本征吸收又可细分为紫外本征吸 收和红外本征吸收。杂质吸收以氯氧根离子最为明显，其次是一些过渡金属离子。散 射损耗是以散射的形式将光能辐射出光纤外的损耗，主要表现形式为瑞利散射。弯曲 损耗是因为光线在光纤弯曲部位形成了折射或泄漏。 色散是指不同频率的电磁波以= _ ：l i 同的相速度和群速度在介质中传播的物理现象。 在多模光纤中，不同的传播模式具有不同的相位常数，也就是有不同的相速度和群速 度，这种现象也广义的称为色散。上述两种情况分别称为波长色散和模式色散，波长 色散又可分为材料色散和波导色散。色散导致光脉冲在传输的过程中被展宽，前后脉 冲相互重叠，引起数字信号的码问串扰，从而引起传输系统的误码。色散的大小用时 延差表示，即传输同样的距离不同速度的信号时延的差异，单位为p s k m n m 【1 6 】。 光纤的非线性有两类：一类是由于光纤的折射率随输入功率的变化丽变化引起 的，主要表现形式有自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( c p m ) 、四波混频( f w m ) ； 类是受激散射，有两种表现形式，分别是受激布里渊散射( s b s ) 和受激拉曼散射( s r s ) 。 在d w d m 、大容量、高速度的光纤通信系统中，非线性效应较为明显，在华中电力光纤 通信网中由于未使用d w d m 技术、系统容量为2 5 g b i t s ，非线性效应的影响可以不考 虑。 设计中继距离时一般采用最坏值设计法，所谓最坏值设计法就是在设计中继段距 离时，将所有参数值都按最坏值选取，而不管其具体分布如何。这是光缆数字线路系 华中科技大学硕士学位论文 统设计的基本方法，其好处是在排除人为和自然界破坏因素后，按最坏值设计系统在 寿命终了、富余度用完的情况下仍能保证系统性能要求，不存在先期失效问题。缺点 是各项最坏值条件同时出现的概率极小，因而系统i f 常工作时有相当大的富余度，而 且各项光参数的分布相当宽，只选用最坏值设计使结果保守，中继距离短，系统总成 本偏高。在使用最坏值法设计系统时，设备富余度与未分配的富余度都不再单独进行 规范，而是分散给发送机、接收机和光缆线路了。通常发送机富余度取1 d b 左右，而 接收机富余度取( 2 4 d b ) ，系统总富余度为( 3 5 d b ) 左右。 中继段距离的设计可以分为两种情况来讨论。第一种情况是损耗受限系统，即中 继段距离由s 点和r 点之间的光通道损耗决定。第二种情况是色散受限系统，即中继 段距离由s 点和r 点之间的光通道总色散决定。 3 2 损耗受限系统 对于损耗受限系统，再生段的设计实质上就是光功率预算，或者说系统光功率预 算的目的主要是看系统是否为损耗受限的，如果是损耗受限的，则根据损耗受限的相 应要求和指标来确定系统的再生段长度。 按照i t ut 建议g 9 7 5 的规定，允许的光通道损耗p s r 为：p s r _ p 厂p r _ 一p p ( 式 3 1 ) 。式中的p t 和p r 分别为光发送功率和光接收灵敏度，p p 为光通道功率代价，与 发送机光源特性及光通道色散和反射特性有关。尽管p p 主要是由光通道引起的，但机 制卜不属于光通道可用损耗的一部分，不能构成s r 点之间的可用允许损耗，可以 等效为附加接收损耗，因此需要扣除。实际s r 点之间的允许损耗为： 只w = 爿，三+ 孚l + 三+ a i 三+ 2 4 ( 式3 2 ) 【1 7 】。 l 式中a f 表示中继段平均光缆衰减系数( d b 肥n ) ，a s 是中继段平均接头损耗( d b ) ， l r 是单盘光缆的盘长( k m ) ，m c 是光缆富余度( d b l 锄) ，a c 是光纤配线盘上的附加 活动连接器损耗( d b ) ，这罩按两个考虑。 对于损耗受限系统，系统设计者首先要根据s 和r 点之间的所有光功率损耗和光 缆富余度来确定总的光通道衰减值。将式3 一l 代入式3 2 可以得到损耗受限系统的实 is 华中科技大学硕士学位论文 际可达再生段距离为：厶= 鲁j 乌j 言等云手 ( 式3 3 ) 。其中 际可达再生段距离为：厶= j j 考嵩 式3 - 3 l 其中 hn i 4 = 吩”，4 = 0 1 ) ，= lf = 】 公式中n 是中继段内光缆的盘数，是单盘光缆的衰减系数( d b 瓜m ) ，。是单 个光纤接头的损耗( d b ) 。p p 由反射功率代价p r 和色散功率代价p d 组成。对于多纵模 激光器，当色散功率代价小于1d b 时，可以用下述公式来估算： b ) = 7 6 鼢- d - 工艿，i o o o ) 2 ( 式3 4 ) 公式中飘为激光器均方根谱宽( n m ) ，d 为光纤色散系数( p s k m n m ) ，l 为中 继段长度( k m ) ，b 为传输比特率( g b “，s ) 。 采用最坏值设计时，中继段距离l i 的计算公式3 3 可以简化为下式： l ：生二盆二! 垒二垒( 式3 5 ) j a