WDM技术在电网通信领域的应用

童大中， 陈 功， 叶文锦

(1.国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000； 2.国网浙江省电力公司义乌供电公司， 浙江 义务 322000； 3.国网浙江省电力公司天台供电公司， 浙江 天台 317200)



WDM技术在电网通信领域的应用

童大中1， 陈 功2， 叶文锦3

(1.国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000； 2.国网浙江省电力公司义乌供电公司， 浙江 义务 322000； 3.国网浙江省电力公司天台供电公司， 浙江 天台 317200)

对WDM技术在电网通信领域的应用进行研究.分析了WDM系统的优势，阐明了WDM系统的问题所在，并利用先进的Optisystem仿真技术对WDM系统进行了仿真，这对提高工作的可靠性和安全性具有实际价值.

电网通信； WDM技术； 波分复用技术； Optisystem仿真

0 引 言

经过几十年不断的发展，我国电网形成了以城市和大型电厂为中心，以特高压为输电骨架的各大区、省级和地级的电力系统.电网通信则伴随着电网的发展而发展.电网通信本着服务电网的宗旨，发展重点亦是各大区、省级和地级之间的电网通信网络.目前已建成数字微波线路约70 000公里，光纤线路约50 000公里，电力载波线路约79万话路公里.尤其是近几年光纤技术的快速发展，使得以光纤为通道的电网通信逐渐取代微波通信，成为电网通信领域新的主角.光纤通信有着诸多优点，例如频带宽、传输容量大、传输损耗低、距离长、安全性高、体积小、便于铺设等，因此在电网通信领域得到了大规模的应用.

电网通信在同步数字体系(SDH)下，常用的光纤传输为异步传输技术(ATM)，即构成(SDH-ATM)传输原则.但是由于传输效率和带宽限制等问题，ATM只适用于短距离传输，而WDM很好地克服了ATM的缺点.WDM使得原来单光载波信道的光传输变为多个波长公用，具有高容量、低成本和易改造扩展等明显优势，并在国内外长途干线通信领域获得了广泛的应用，但在我国电网领域却应用较少.随着智能电网的兴起和特高压的建设，电网通信应该加快发展，根据具体情况，从光功率预算、色散、非线性、信噪比等方面设计，建立新型的(SDH-WDM)传输原则，以全面提高传输性能.

1 波分复用技术及WDM系统组成

波分复用技术(WDM)就是将两种或多种不同波长的光信号在发送端经复用器(Muliplexer)汇合在一起，并耦合到同一条光纤中进行传输的技术，最后在接收端由解复用器(Demultiplexer)将各种波长的光信号分离.WDM技术可以在不增加光纤数量的情况下使传输容量大大提高.

波分复用分为两种：一种为稀疏波分复用(CWDM)，波长间隔为20 nm左右；另一种为密集波分复用(DWDM)，波长间隔为0.8nm左右.CWDM系统中光信号跨越多个波段，为1 311～1 611 nm；DWDM系统中光信号选择在C波段和L波段.从原理上讲，在光纤的低损耗窗口(见表1)都可以进行波分复用，但考虑到参铒光纤放大器(EDFA)带宽的平坦范围在1 530～1 565 nm，所以当前使用的复用波长大都在1 550 nm左右，即在C波段[1].

表1 WDM中光纤低损耗窗口范围

常见的DWM系统可划分为开放式DWM系统、集成式DWM系统和半开放式DWM系统.在现实应用过程中，开放式WDM系统在终端复用设备中具备光接口变换功能，并且能够和任何厂家的SDH设备对接，因此成为主流系统.开放式DWM系统由光转换单元(OTU)、复用器/解复用器(OM/OD)、光放大器(OA)、光纤(Fibre)和光学监控信道(OSC)组成,如图1所示.其中，OTU的功能是完成非标准波长的光信号波长转换为标准波长的光信号波长；OM/OD完成固定波长光信号的合波/分波；OA用于提高合波后的光信号功率；OSC则负责整个网络的数据监控[2].

从以上分析不难得出DWM系统具有如下特点：

(1) 具有超大的传输容量.目前普通光纤的带宽很宽，理论上可以做到无限大，但其利用率却很低.使用WDM技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输容量高出几倍乃至几十倍.

(2) 对于数据的“透明”传输.WDM技术是按照不同的光波长进行复用和解复用，即与光信号的速率和调制方式无关，对于数据是透明的.一个WDM系统可承载多种格式的业务型号，可以是变电站中的数据、用户数据和调度指令等等.

(3) 系统升级时能最大限度地保护已有投资.在将现有系统升级到WDM系统的过程中，无需对光纤线路进行改造，只需更换光发射机和光接收机即可，是一种非常节约成本的扩容手段[3].

2 光纤的损耗、色散和非线性问题

要研究WDM技术在电网通信领域的应用，就不得不讨论影响WDM技术的三大问题，即光纤的损耗、色散和非线性问题.同时，这三大问题也是设计WDM系统的关键因素.

2.1 光纤的损耗问题

光信号在光线中传输时，光纤会吸收部分光的能量，这就会导致光信号发生衰减.在光学领域，有一个专门用来表示光能量衰减的系数α，称为光衰减系数，即

(1)

式中：L为光纤的长度；PT为输出功率；P0为输入功率.

光纤中的损耗主要可以分为吸收损耗与散射损耗.吸收损耗产生的原因是因为光纤在制造的过程中掺入了杂质所导致的，也是不可避免的.解决办法只有不断地提高光纤的制造工艺和选择更高品质的光纤原料.散射损耗又称为瑞利散射(Rayleighscattering)，主要是由于光纤在制造过程中出现了气泡、不平均等原因所导致光信号在传输过程中遇到与自己波长相近的缺陷时发生的散射.瑞利散射可以用以下表达式表示，即

(2)

从(2)式不难看出，由于瑞利散射而发生的光能量损耗，其衰减系数与光波波长的四次方成近似反比关系.上述已提出，WDM系统中复用波长在1 550nm，常数CR的取值范围为700～900(dB/km)nm4，根据公式就可以算出波长为1 550nm的光信号在光纤中传播的光衰减系数为0.2dB/km.

2.2 光纤的色散问题

可将光纤的色散和非线性问题合在一起考虑，因为二者对光信号的影响可用一个公式表达出来，即

(3)

式中：A为光信号脉冲包络的振幅，同时引入了以群速度vg作为参考系,即

(4)

(4)式被称为非线性薛定谔方程(NSL)，是由麦克斯韦方程组(Maxwell’sequations)演化而来的，它揭示了一般光信号在单模光纤(WDM系统一般为单模光纤)中的传输波动过程，包含光信号在光线中传输的损耗项(等式右边第一项)、色散项(等式右边第二项)和非线性项(等式右边第三项).

(3)式中，β2为群速度色散，即

(5)

(3)式中，γ为非线性系数，即

(6)

式中：n2为非线性折射率系数；ω0为中心频率；Aeff为有效纤芯面积.

若只考虑光纤的色散项，则式变为：

(7)

将(7)式进行傅立叶变换可得：

(8)

将(8)式求解可得:

(9)

(9)式表明光纤的色散改变了光信号脉冲每个频谱的相位，且该相位改变量是由群速度色散β2和传输距离z共同决定的.尽管这种相位的变量不会影响光信号脉冲的频谱，但却改变了光信号脉冲的形状.这就是由光纤色散所引起的脉冲展宽.简单地说，脉冲展宽形成的原因是由光信号不同频率的光脉冲组成的，而不同频率的光脉冲在光纤中的群速度不同，从而这些光脉冲到达接收端的时间就不同，前后光脉冲将发生重叠，也就引起了脉冲展宽.在大规模应用波分技术的WDM系统中脉冲展宽影响特别大，这会在一定程度上导致误码率(SER)上升[4-5].

2.3 光纤的非线性问题

从根本上讲，所有传输介质(包括光纤)都是非线性的，只是一般非线性的影响比较小，难以表示出来.当光纤的入纤功率不大时，光纤近似成线性特征.但在WDM系统中由于使用了大量的光纤放大器(EDFA)在OA部分，这会导致光纤的非线性效应变得更为显著.

根据式6可知，非线性系数γ与非线性折射率n2有着十分密切的关系.在查阅了有关资料以后，得出非线性折射率n2符合以下关系，即

(10)

式中：χxxxx为三阶极化率；n为光纤折射率.

从式10中不难看出，非线性折射率与三阶极化率χxxxx的实部成正比关系，即与电场强度E有关.因此，现实中为了解决WDM系统中的非线性问题，一般是从式6和式10下手，即增大光纤的直径和减小光放大器的功率密度[6].

3 基于Optisystem仿真技术在WDM系统中的应用

通过以上对WDM系统的介绍，以及对光纤中损耗、色散和非线性问题的分析，不难发现，使用理论计算手段的方法来进行分析是十分困难的，因此有必要引入先进的仿真技术来代替理论计算，对WDM系统进行分析.

光通信系统设计软件(Optisystem)是一款创新的光通信讯通模拟软件，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，具有强大的模拟环境、真实的器件以及系统的分级定义.它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展而成为一系列广泛使用的工具.Optisystem满足了急速发展的光子市场对一个强有力而易使用的光系统设计工具的需求.其优点在于可以将投资风险大幅度降低，并且可以快速、低成本地投入市场.Optisystem在电力系统的通信领域有着十分可观的应用前景.

WDM系统在Optisystem中的仿真如图2所示.其中，WDMTransmitter模块和OpticalReceiver模块为OTU；IdealMux模块为OM；Fibre_OA子模块为Fibre和OA；WDMDemux模块为OD.整个WDM系统的传输速率为40G，选择NRZ调制模式，利用DWDM密集波分复用技术，波长间隔(FrequencySpacing)为0.8nm，复用波长(Frequency)为1 550nm[7].

图3所示的Fibre_OA子系统由SMF模块(单模光纤)、EDFA(光放大器)和DCF(色散补偿光纤)组成.整个仿真过程将32个光信号复合成一个信号，在光纤中传输.

通过仿真结果可以看出：WDM系统中光波的频域分布情况，如图4所示；光信号传输到接收端的误码率，如图5所示；反应整个传输过程的眼图，如图6所示.

4 结 语

随着人们生产、生活对电能的需求越来越大，同时大规模地发展电网，电网通信系统流通的信息量越来越大，对电网的自动化水平也越来越高，特别是在智能电网中，通信网络是智能电网的基础，也是确保电网安全、稳定、可靠运行的关键环节.通过建立新型的SDH-WDM光纤通信网络，其容量大，传输速度快，可靠性、安全性、生存性高，标准统一，使用灵活等优点，将在电网通信系统中被广泛应用，为电力生产生活提供坚强的信息保障.

[1]聂合贤,李录.光纤中的损耗[J].运城学院学报,2007,25(5):26-28.

[2]梁芝贤,邱小耕.WDM及其在电力通信网的应用[J].电力系统通信,2008,29(10):45-50

[3]王泽忠,全玉生,卢斌先.工程电磁场[M].北京：清华大学出版社,2011.

[4]曹宁.电网通信技术[M].北京：中国水利水电出版社,2009.

[5]方强,梁猛.光纤通信[M].西安：西安电子科技大学出版社,2003.

[6]顾畹仪,李国瑞.光纤通讯系统[M].北京：北京邮电大学出版社,1999.

[7]张劲松,陶智勇,韵湘.光波复用技术[M].北京：北京邮电大学出版社,2002.

[责任编辑 吴志慧]

The Application of WDM Technology in Power Grid Communication Field

TONG Dazhong1, CHEN Gong2, YE Wenjin3

(1.Huzhou Power Supply Company, Zhejiang Electric Power Corporation, State Grid, Huzhou 313000, China; 2.Yiwu Power Supply Company, Zhejiang Electric Power Corporation, State Grid, Yiwu 313000, China； 3.Tiantai Power Supply Company, Zhejiang Electric Power Corporation, State Grid, Tiantai 313000, China)

This paper studies the application of WDM technology in the field of power grid communication, and it gives an analysis of both the advantages and disadvantages of WDM system. Then the WDM system is simulated by using advanced Optisystem simulation technology, which is of practical value for improving the reliability and security of work.

power grid communication; WDM technology; wavelength division multiplexing technology; Optisystem simulation

2016-10-12 通信作者:童大中，助理工程师，研究方向：信息通信技术.E-mail:397903923@qq.com

TM614

A

1009-1734(2017)04-0038-05