文｜西北電力設計院 劉 婷 王 勇 湯 俊

青藏線最高海拔段采用超長站距光通信電路的可行性分析

文｜西北電力設計院 劉 婷 王 勇 湯 俊

1 引言

青海至西藏±400kV直流聯(lián)網(wǎng)工程起于距離格爾木市約24km的格爾木換流站，止于西藏林周縣以西3km處的拉薩換流站，直流線路全長約1038km。青藏聯(lián)網(wǎng)工程全線最高海拔5300m，平均海拔4500m。沱沱河至安多段平均海拔高度近5000m，最低海拔在沱沱河，高度為4530m，最高海拔高度為唐古拉山口處約5400m，安多的海拔高度為4800m，環(huán)境條件極為惡劣。青藏聯(lián)網(wǎng)工程的建設，可實現(xiàn)西北電網(wǎng)向西藏電網(wǎng)送電，從根本上解決西藏地區(qū)缺電的局面，工程投運后還可以提高青海主網(wǎng)向海西電網(wǎng)送電的能力。隨著該工程建設的格爾木至拉薩直流OPGW光纜，將為青藏直流輸電系統(tǒng)、換流站間以及換流站至調(diào)度端直接的直流控制信號、安全自動裝置信號、調(diào)度自動化信息、視頻會議等信息傳送，提供可靠的通信通道，同時也是青藏直流輸電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的必要手段。

鑒于目前光傳輸設備的技術(shù)水平，針對本工程線路1038km的現(xiàn)狀，在該線路沿線設置6個中繼站，分別為納赤臺、五道梁、沱沱河、安多、那曲、當雄。其中，沱沱河至安多段光纜長度約為295km，該段經(jīng)過具有“生命禁區(qū)”之稱的唐古拉山口，不僅海拔較高，氣候復雜多變且低溫缺氧，考慮到格爾木至拉薩光纜工程的特殊作用和沱沱河至安多段光纜長度以及惡劣的環(huán)境因素，提出了在沱沱河至安多段間，設置光中繼站方案和采用超長站距光通信電路方案。

2 設計方案

2.1 沱沱河至安多間設置中繼站方案

通過圖上作業(yè)和線路沿線情況咨詢，確定站址選擇在距離直流線路約1km處的溫泉兵站附近。此處地形較為平坦，海撥高度約為5000m，距青藏公路約500m，距離安多中繼站距離約為162km，距離沱沱河中繼站約為141km，到最近的耐張塔引入光纜長度約4km。經(jīng)了解，此處沒有可用的交流電源，電源只能靠太陽能和燃油發(fā)電機供給。

2.2 采用超長站距光通信電路

沱沱河中繼站距西藏境內(nèi)的安多中繼站的光纜長度為295km，而且處在海拔高度為5000m左右的高寒地區(qū)，采用目前比較典型的EFEC＋光放（功率放大器、前置放大器）＋拉曼的配置方案，可提供有效光功率為73dB，再對OPGW光纜衰減系數(shù)要求提高到0.19dB/km，在光纜架設完成后，OPGW光纜的衰減系數(shù)可控制在0.20dB/km以內(nèi)，可以滿足建設超長站距光通信電路的要求。

3 方案分析

3.1 增加溫泉中繼站方案的優(yōu)缺點分析

設置溫泉中繼站后可以減少光路中的拉曼放大器和FEC，共節(jié)約拉曼放大器、FEC各6套，同時需增加3套SDH設備、6個2.5G光口以及太陽能電源系統(tǒng)等。

通過表1可以看出，增加溫泉中繼站后，投資將增加270萬元。增設光中繼站不僅增加了工程投資，而且由于該中繼站處于高海拔、低溫地帶，給工程初期的設備安裝調(diào)試和后期的運行維護帶來極大的困難，加之沒有市電供電電源，在海拔5000m的高山上，太陽能極板容易被冰雪覆蓋導致失效，燃油發(fā)電機也會因高原缺氧和低溫造成啟動困難；傳輸設備和電源設備的故障概率比平原地區(qū)更高。另一方面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)增加一個站，根據(jù)概率理論，整個系統(tǒng)的可靠性將會降低。

表1 中繼站增、減項目對比表

3.2 沱沱河至安多段中間不設中繼站可靠性分析

沱沱河至安多段光纜長度為295km，這個長度與現(xiàn)已穩(wěn)定運行的多條300km以上的電路相比，其長度不是問題。沱沱河至安多段電路的復雜性在于高海撥和低溫的惡劣環(huán)境。

高海撥和低溫對于OPGW的傳輸性能的影響主要在于低溫，低溫將導致光纖的附加衰減增加，在-40℃以下低溫影響更為明顯。普通OPGW光纜的溫度附加衰減的曲線圖，如圖1所示。

（1）為了應對高原低溫環(huán)境，采取以下兩種方案

第一：降低光纜的溫度附加衰減

環(huán)境溫度會對光纖的衰減系數(shù)產(chǎn)生影響，G.652D標準中規(guī)范的光纖溫度附加衰減小于等于0.05dB/km，這一參數(shù)反映了光纖衰減系數(shù)會受環(huán)境溫度的變化而變化，在-40℃~20℃以及20℃~80℃之間，光纖衰減的變化很小，而當溫度降到-40℃~-60℃時，光纖衰減會有較大的變化。當光纖制成OPGW后，由于光纜的伸縮性受環(huán)境溫度影響較大，以及光纜中纖膏的性能也會受溫度的影響，這些都將影響到光纖的衰減特性。

根據(jù)收集到的氣象資料顯示，沱沱河的極端最低溫為-45.2℃，海拔最高處的唐古拉山口（5400m），因無氣象記錄數(shù)據(jù)，只能根據(jù)沱沱河的數(shù)據(jù)推測唐古拉山口一帶的極端最低溫在-50℃~-52℃間，已遠遠超出DL/T 832-2003標準規(guī)定的溫度范圍。超低損耗光纖在常用波段具有超低衰減外，同時還具有更優(yōu)的溫度特性，在-60℃~85℃范圍內(nèi)，1550nm波長的附加衰減系數(shù)不大于0.01dB/km，遠低于G.652規(guī)定的不大于0.05dB/km的標準。圖2為超低損耗光纖的溫度附加衰減曲線圖。

鑒于超低損耗光纖的這個特點，通過進行光纖篩選及成纜控制后，可以將溫度附加衰減控制在-55℃~80℃的范圍，附加衰減不大于0.01dB/km。因此，在該地區(qū)極端低溫的情況下，沱沱河至安多段全程光纖衰減僅增加不到3dB，遠小于系統(tǒng)裕度。ULL光纖的溫度附加損耗會隨環(huán)境溫度的恢復而恢復，沒有短暫或永久性的光纖衰減變化，這對用于嚴酷氣象條件下的OPGW尤其重要。

第二：增加傳輸系統(tǒng)光功率及光信噪比裕度

由公式 L＝（Ps－Pr－Pp－C－Mc）÷（af＋as）可以看出，通過提升設備的光功率動態(tài)范圍可以增加系統(tǒng)的光功率及光信噪比裕度；在有效光功率一定時，可以通過降低光纜的衰減系數(shù)來提高系統(tǒng)的裕度。本段光纜長度295km，因此采用目前比較典型的EFEC+光放+拉曼的配置方案可提供有效光功率為73dB，再對OPGW光纜衰減系數(shù)要求提高到0.19dB/km，在光纜架設完成后，OPGW光纜的衰減系數(shù)要達到0.19dB/km~0.20dB/km之間，使系統(tǒng)裕度得以增加。

如采用超低損耗光纖（不大于0.17dB/km），OPGW光纜成纜后，衰減系數(shù)可控制在0.18dB/km以內(nèi)，對于沱沱河至安多段來說，采用超低損耗光纖后，G.652D可有效提高系統(tǒng)裕度和光信噪比（OSNR）6dB，在保證系統(tǒng)有6dB~8dB的富裕度的同時，還可以降低設備最大發(fā)光功率，使傳輸設備工作在最佳狀態(tài)，降低故障率，延長壽命。

（2）關鍵參數(shù)的計算

光功率的計算按最壞值計算：

采用超低損耗光纖時：

Mc=70-295×0.18=16.9dB。

光信噪比（OSNR）的計算，根據(jù)ITU-T G.692給出的計算公式：

OSNR=58+P0-Nf-G-101gN。

式中：OSNR為光波道信噪比（dB）；58為綜合系數(shù)；P0為單波道光功率（dB/m）；Nf為光線路放大器噪聲系數(shù)（dB）；G為光放段線路衰減（dB）；N為光放段數(shù)。

預放的噪聲系數(shù)取4dB，功放的噪聲系數(shù)取5dB，拉曼放大器對光信噪比的改善為6dB，EFEC對信噪比的改善為8dB。

采用G.652D光纖的OPGW系統(tǒng)的OSNR如下：

滿足規(guī)程規(guī)定的2.5G系統(tǒng)OSNR不小于20dB的要求。

當將入纖功率提升到22dB時，OSNR為25dB。

采用超低損耗光纖時的OSNR：

通過以上參數(shù)計算可以看出，在設備壽命終了時，發(fā)生在極端低溫的情況下，系統(tǒng)各項指標仍能滿足相關規(guī)程要求，是安全、可靠的。

不設中繼站的方案比設置中繼站方案的優(yōu)點在于：首先是系統(tǒng)的安全可行性高；其次是節(jié)約了運行維護的費用。

4 結(jié)束語

通過以上從技術(shù)與經(jīng)濟上的分析，在沱沱河至安多段長距離高原低溫情況下，不用增加中繼站，可以采用超低損耗光纖＋成熟的超長距光通信傳輸技術(shù)，這樣在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟上是合理的。