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摘要：随着我国特高压大电网以及智能电网的蓬勃发展，对相应的电力通信技术要求越来越高，长距离大容量电力光纤通信技术应运而生。本文对超长跨距大容量电力光纤通信系统关键技术进行分析研究。
关键词：长距离;电力光纤通信;关键技术
电力通信网络为特高压电力传输系统提供信息通信技术支撑，目前建设的特高压电力线路很多长度已经超过2000Km，且特高压线路一般处于较偏远地区，建设、运维的成本都较大，因此建设电力超长站距光传输系统至关重要。在特高压线路建设时，同时将光纤复合架空地线光缆（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）架设在输电线路杆塔上，构成与电力输电网平行的光纤通信网。建设超长跨距光传输系统，可以增加通信单跨距离，减少中继站数量，降低维护成本，完成特高压大电网相关的调度、远动、继电保护、视频图像、监控等业务信息。
一、电力通信系统简述
电力通信光纤传输系统通过建立再生中继站实现全程线路的信号传输，但由于特高压线路一般处于偏远地区，光缆路由、中继站选址有限，工程建设比较困难，运行维护成本高。光传输距离会受到光纤损耗、色散和和非线性效应影响，在实际应用中光纤的传输损耗可以通过光放大器弥补，但是光放大器在放大光信号功率的同时，不可避免会产生自发辐射噪声，所以减小放大器的辐射噪声，是长距离光传输技术研究的方向。超长站距光纤线路上通过遥泵、拉曼和前向纠错等超长站距光通信技术，可以增加光纤通信单跨距离，减少新建中继站数量，控制工程造价，降低运维成本，同时提高系统的可靠性。
二、光纤传输距离的影响因素
1、损耗
光纤的损耗是光纤传输的重要指标，对光纤中光信号的传输距离有决定性的影响，是指每单位长度上光信号的衰减。若入纤信号功率给定，传输距离越长，出纤信号功率越小，而光接收机只能可靠还原大于一定功率的光信号，当接收光功率衰减过大时即不能保证可靠的信号接收。光纤的损耗主要分为吸收损耗和散射损耗。光纤的吸收损耗来源于本征吸收和杂质吸收。本征吸收包括红外吸收和紫外吸收两个吸收带。散射损耗是光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象，材料散射可以分为线性散射和非线性散射。
2、色散
在光纤中传输的光信号的不同频率成份或不同的模式分量以不同的传播速度传播，到达一定距离后产生信号失真（脉冲展宽）的现象称为光纤的色散。光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散等。光纤色散对光信号传输性能的影响主要表现为脉冲展宽进而导致码间串扰。
3、非线性效应
光纤芯径较小会导致光传输中产生常规情况下难以发生的多种非线性光学效应。常规的单模光纤中的非线性效应分为受激非弹性光散射、非线性相位调制和四波混频等。受激非弹性散射主要包括受激布里渊散射和受激拉曼散射。非线性相位调制又称角度调制，角度调制后的频谱不再保持调制信号的频谱结构，会产生频谱搬移不同的新的频率成分，非线性相位调制会引起与光强相关的相移。
三、长距离大容量传输关键技术
光纤的损耗是限制光纤传输距离的重要因素，而光放大技术是补偿光纤损耗的有效方法。要实现长跨距无中继光纤传输就必须克服传输损耗和散射的影响，保证能在接收端获得足够的光信噪比。为了使信号光在光纤中传输时能量更集中、传的更远，通常需要有较窄的信号谱宽和更高的发射功率，但若一味增加信号发射功率又容易引起非线性效应，因此不能一味增加信号发射功率或功率放大增益。但如果任由信号光功率减弱到一定程度时，信号就会淹没在噪声中，即使在接收端加入光前置放大器，也难以在噪声中检测出有用信号，会使光通信系统无法正常运行。因此只能在传输线路中的合适位置对信号光进行补充，常用的方式有远程遥泵或分布式拉曼放大。由于各种噪声干扰，信道中的传输信号不可避免会产生差错，采用差错控制来提升系统传输性能。
1、掺饵光纤放大
光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。掺饵光纤放大器（Erbium Doped Fiber Application Amplifier ， EDFA）具有增益高、频带宽、噪声低、连接损耗小、信道放大串扰低等优点，是当前光纤通信中应用最广的光放大器件。掺饵光纤放大器在光纤通信系统中按应用位置可分为功率放大器、线路放大器、前置放大器三种。线路放大器是EDFA在光纤通信系统中的一个重要应用，实现了全光中继，在长距离传输系统中，通常会采用多个EDFA级联放大光信号。
2、遥泵放大
遥泵放大器（Remote Optically Pumped Amplifier，ROPA）是一种特殊形式的掺饵光纤放大器，器泵浦源和掺饵光纤分离，通常位于发射端或接收端通过光传输到ROPA，而普通的EDFA的泵浦源和饵纤在一起。泵浦作用距离也是远程遥泵光放大技术的核心问题，它很大程度上决定着无中继系统实际传输跨距。远程遥泵放大器主要由泵浦组件和增益模块组成。
3、拉曼放大
拉曼放大器（Raman Fiber Amplifier ，RFA）可以直接利用传输光纤沿路进行分布式放大。拉曼放大器就是利用强泵浦光源通过光纤时产生的受激拉曼散射现象来放大弱信号光的光放大器。拉曼放大器一般用于波分复用（WDM）系统。RFA主要由大功率拉曼泵浦（RP）、光纤增益介质、WDM和光隔离器（ISO）组成。由于拉曼增益的位置主要取决于输入泵浦的光频率，所以大容量、长距离光通信系统中可以用拉曼放大部分的补偿光纤衰减来延长EDFA间的中继距离，高阶拉曼放大器可以有效改善傳输性能。
4、前向纠错
在尽量降低光信号损耗的同时，为了在传输超长距离后仍有较好的准确性，可以通过前向纠错编码技术（Forward Error Correction，FEC），增强光传输系统的抗干扰能力，采用FEC技术可较好地改善误码性能。FEC的基本思想是在有效信息码元后增加冗余的校验码元形成新的码字，传到接收端根据校验码元的内容来判断信号在传输过程中是否发生了误码以及那些比特发生了误码，从而获得增益，达到降低系统误码率，增加传输距离的目的。
四、特高压配套通信工程的应用
哈密南-郑州±800KV特高压直流输电线路配套通信工程采用 EDFA+功率放大器+拉曼放大器+前置放大器+色散补偿，并采用超低损耗光缆，实现了366km的超长站无中继传输。
青海-河南±800KV以及向家坝-上海±800KV特高压直流输电线路配套通信工程等许多特高压配套通信工程均实现超长站距无中继光纤传输。
五、结论
特高压电网和智能电网的发展符合中国经济向绿色、可持续和智能化深入转型的趋势，因此电力通信技术的发展必须适应电网发展的方向。随着各种技术的逐渐成熟并在实际工程中得到运用，电力光纤通信技术一定会达到更高目标。
关键词：长距离;电力光纤通信;关键技术
电力通信网络为特高压电力传输系统提供信息通信技术支撑，目前建设的特高压电力线路很多长度已经超过2000Km，且特高压线路一般处于较偏远地区，建设、运维的成本都较大，因此建设电力超长站距光传输系统至关重要。在特高压线路建设时，同时将光纤复合架空地线光缆（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）架设在输电线路杆塔上，构成与电力输电网平行的光纤通信网。建设超长跨距光传输系统，可以增加通信单跨距离，减少中继站数量，降低维护成本，完成特高压大电网相关的调度、远动、继电保护、视频图像、监控等业务信息。
一、电力通信系统简述
电力通信光纤传输系统通过建立再生中继站实现全程线路的信号传输，但由于特高压线路一般处于偏远地区，光缆路由、中继站选址有限，工程建设比较困难，运行维护成本高。光传输距离会受到光纤损耗、色散和和非线性效应影响，在实际应用中光纤的传输损耗可以通过光放大器弥补，但是光放大器在放大光信号功率的同时，不可避免会产生自发辐射噪声，所以减小放大器的辐射噪声，是长距离光传输技术研究的方向。超长站距光纤线路上通过遥泵、拉曼和前向纠错等超长站距光通信技术，可以增加光纤通信单跨距离，减少新建中继站数量，控制工程造价，降低运维成本，同时提高系统的可靠性。
二、光纤传输距离的影响因素
1、损耗
光纤的损耗是光纤传输的重要指标，对光纤中光信号的传输距离有决定性的影响，是指每单位长度上光信号的衰减。若入纤信号功率给定，传输距离越长，出纤信号功率越小，而光接收机只能可靠还原大于一定功率的光信号，当接收光功率衰减过大时即不能保证可靠的信号接收。光纤的损耗主要分为吸收损耗和散射损耗。光纤的吸收损耗来源于本征吸收和杂质吸收。本征吸收包括红外吸收和紫外吸收两个吸收带。散射损耗是光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象，材料散射可以分为线性散射和非线性散射。
2、色散
在光纤中传输的光信号的不同频率成份或不同的模式分量以不同的传播速度传播，到达一定距离后产生信号失真（脉冲展宽）的现象称为光纤的色散。光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散等。光纤色散对光信号传输性能的影响主要表现为脉冲展宽进而导致码间串扰。
3、非线性效应
光纤芯径较小会导致光传输中产生常规情况下难以发生的多种非线性光学效应。常规的单模光纤中的非线性效应分为受激非弹性光散射、非线性相位调制和四波混频等。受激非弹性散射主要包括受激布里渊散射和受激拉曼散射。非线性相位调制又称角度调制，角度调制后的频谱不再保持调制信号的频谱结构，会产生频谱搬移不同的新的频率成分，非线性相位调制会引起与光强相关的相移。
三、长距离大容量传输关键技术
光纤的损耗是限制光纤传输距离的重要因素，而光放大技术是补偿光纤损耗的有效方法。要实现长跨距无中继光纤传输就必须克服传输损耗和散射的影响，保证能在接收端获得足够的光信噪比。为了使信号光在光纤中传输时能量更集中、传的更远，通常需要有较窄的信号谱宽和更高的发射功率，但若一味增加信号发射功率又容易引起非线性效应，因此不能一味增加信号发射功率或功率放大增益。但如果任由信号光功率减弱到一定程度时，信号就会淹没在噪声中，即使在接收端加入光前置放大器，也难以在噪声中检测出有用信号，会使光通信系统无法正常运行。因此只能在传输线路中的合适位置对信号光进行补充，常用的方式有远程遥泵或分布式拉曼放大。由于各种噪声干扰，信道中的传输信号不可避免会产生差错，采用差错控制来提升系统传输性能。
1、掺饵光纤放大
光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。掺饵光纤放大器（Erbium Doped Fiber Application Amplifier ， EDFA）具有增益高、频带宽、噪声低、连接损耗小、信道放大串扰低等优点，是当前光纤通信中应用最广的光放大器件。掺饵光纤放大器在光纤通信系统中按应用位置可分为功率放大器、线路放大器、前置放大器三种。线路放大器是EDFA在光纤通信系统中的一个重要应用，实现了全光中继，在长距离传输系统中，通常会采用多个EDFA级联放大光信号。
2、遥泵放大
遥泵放大器（Remote Optically Pumped Amplifier，ROPA）是一种特殊形式的掺饵光纤放大器，器泵浦源和掺饵光纤分离，通常位于发射端或接收端通过光传输到ROPA，而普通的EDFA的泵浦源和饵纤在一起。泵浦作用距离也是远程遥泵光放大技术的核心问题，它很大程度上决定着无中继系统实际传输跨距。远程遥泵放大器主要由泵浦组件和增益模块组成。
3、拉曼放大
拉曼放大器（Raman Fiber Amplifier ，RFA）可以直接利用传输光纤沿路进行分布式放大。拉曼放大器就是利用强泵浦光源通过光纤时产生的受激拉曼散射现象来放大弱信号光的光放大器。拉曼放大器一般用于波分复用（WDM）系统。RFA主要由大功率拉曼泵浦（RP）、光纤增益介质、WDM和光隔离器（ISO）组成。由于拉曼增益的位置主要取决于输入泵浦的光频率，所以大容量、长距离光通信系统中可以用拉曼放大部分的补偿光纤衰减来延长EDFA间的中继距离，高阶拉曼放大器可以有效改善傳输性能。
4、前向纠错
在尽量降低光信号损耗的同时，为了在传输超长距离后仍有较好的准确性，可以通过前向纠错编码技术（Forward Error Correction，FEC），增强光传输系统的抗干扰能力，采用FEC技术可较好地改善误码性能。FEC的基本思想是在有效信息码元后增加冗余的校验码元形成新的码字，传到接收端根据校验码元的内容来判断信号在传输过程中是否发生了误码以及那些比特发生了误码，从而获得增益，达到降低系统误码率，增加传输距离的目的。
四、特高压配套通信工程的应用
哈密南-郑州±800KV特高压直流输电线路配套通信工程采用 EDFA+功率放大器+拉曼放大器+前置放大器+色散补偿，并采用超低损耗光缆，实现了366km的超长站无中继传输。
青海-河南±800KV以及向家坝-上海±800KV特高压直流输电线路配套通信工程等许多特高压配套通信工程均实现超长站距无中继光纤传输。
五、结论
特高压电网和智能电网的发展符合中国经济向绿色、可持续和智能化深入转型的趋势，因此电力通信技术的发展必须适应电网发展的方向。随着各种技术的逐渐成熟并在实际工程中得到运用，电力光纤通信技术一定会达到更高目标。