OTN在电力通信中的应用

史海垚，姜 珊

（国网北京延庆供电公司，北京 102100）

0 引 言

随着电网逐渐朝着智能化、数字化方向发展，采集的数据越来越多，我国电网公司正在建设越来越多的数据中心来存储和处理这些数据。随着电网对通信带宽的需求逐步增长，光传送网（Optical Transport Network，OTN）在电力通信中的应用日益深入。当OTN专网在电力行业应用时，存在OTN长距离传输问题、雷电导致光纤复合架空地线（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）承载的偏振复用OTN系统闪断问题、业务需求与OTN设备功能组合匹配问题等，重点对这些问题开展论述。

1 OTN光传送网

OTN作为一种新型网络信息传输技术，主要功能包括信号传送、复用、路由选择和监控等，充分保障业务信号在各项活动中性能指标的稳定性。OTN光传送网是结合电网和全光网的一种全新技术，在波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）光网络中植入同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的操作、维护、管理与指配功能，使现有WDM系统在维护管理和监控等方面的性能获得进一步加强，进而使电力通信系统的综合性能得到进一步优化。OTN技术能支撑多个领域进行大颗粒传输，还能从技术层面辅助信息传输，使多层网络能通过多样性的连接方式对目标对象进行监控，有效促进电力系统的稳定运行[1]。

OTN技术主要以波分复用技术作为基础，可以实现数据信息的快速传播，并在传送至网络后进行进一步完善，从而更好地保护数据信息的安全性。OTN技术有效结合了WDM技术和SDH技术的优点，实现对大颗粒宽带业务的监测和运输。OTN技术最大的优势在于能够全面处理各种波长的业务，并有效传送各项信息，同时对电力系统进行保护[2]。OTN结构如图1所示。

图1 OTN结构

对OTN结构进行详细划分，又可以分为以下3层。

（1）OCh层。在OTN技术的应用下，光学信道（Optical Channel，OCh）层主要是在不同的业务端口之间提供透明光传输。从真实情况来看，电力通信系统和业务传输情况没有展现出相同的特点，可能是在实际操作中为了更好地适应业务而选择将OCL层进行接入，从而实现对电力通信系统的实时监控。

（2）OMS层。光复用段（Optical Multiplex Section，OMS）层能够给不同的波长信号提供更合适的网络区域进行连接，从而提高整个电力通信网络的传输水平，实现有效控制。

（3）OTS层。光传输段（Transmission Section，OTS）层主要是在不同的传播介质中使用光复用段信号来实现最佳的信息传输，从而让不同信号之间进行有效配置[3]。

2 OTN在电力通信中的应用问题

2.1 OTN长距离传输

在公网电信行业，单跨光缆的长度通常不超过80 km，通过每隔不到80 km的一段光缆设置光放站的方式将光信号放大，光信号可以传输数千米，并且仍然保持可接受的光功率和光信噪比（Optical Signal Noise Ratio，OSNR）。相比之下，电力行业的单跨光缆要长得多，我国特高压输电线路单跨光缆长度超过80 km的现象十分普遍。以南方电网为例，500 kV及以上电压的输电线路光缆平均长度都已超过80 km，最长可达420 km。

输电线路光缆衰减的典型值为0.19～0.25 dB/km，经过长距离光缆衰减，到达接收机的光信号无法被正确识别，用长距离光缆来建设OTN系统存在诸多困难。为了解决该问题，在发送端使用掺铒光纤功率放大器对光信号进行放大，但受光纤非线性效应的支配，入纤光功率不能过大。如果在发送端应用前向拉曼放大器，使光信号的放大过程分布在光缆起始端的一小段距离内，既能对抗衰减，又能避免在某个光纤截面注入过高的光功率。在接收端使用预放掺铒光纤放大器对光信号进行放大也是有效的，但是光放大器在微弱光信号中引入的放大器自发辐射（Amplifier Spontaneous Emission，ASE）噪声会劣化OSNR，导致增益也受限。后向拉曼放大器使光信号的放大过程分布在光缆末端的一小段距离内，而不是仅在接收端进行放大。后向遥泵放大器由遥泵泵浦源和遥泵增益单元（掺铒光纤）组成，将遥泵泵浦源置于接收端，将遥泵增益单元置于离接收端有一段距离的位置，使光信号在未到达光缆末端时（即未被衰减到最弱时）被放大，可以起到提高增益、改善OSNR的效果[4]。

2.2 雷电导致OPGW承载的偏振复用OTN系统闪断

我国电网公司的自有光缆中，光纤复合架空地线（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）光缆占多数，因而国内电网公司建设的OTN专网广泛使用了电力OPGW光缆。OPGW设置在输电线路最高处，起到引雷等作用。OPGW光缆被金属绞线包裹在内，金属绞线则螺旋绞在光缆外圈，其结构如图2所示。

图2 OPGW的结构示意

当雷电击中OPGW附近时，OPGW光缆外圈的金属绞线内会出现脉冲冲击雷电流，幅值为104～105 A。根据麦克斯韦方程组，金属绞线内巨大的电流变化会产生平行于光纤轴向的强磁场。根据法拉第磁致旋光效应，这一强磁场会导致光信号的偏振状态（State of Polarization，SOP）进行高速旋转。法拉第磁致旋光效应原理如图3所示。

图3 法拉第磁致旋光效应原理

在实验室环境下，测试商用OTN设备跟踪SOP旋转的能力。首先搭建1条完整的单波100 Gb/s OTN系统，在其中一端下支路并挂误码表，在另一端环回。在合波后的光纤链路上串联SOP扰偏仪，该仪表可以将光信号的SOP进行周期性偏转，其最大偏转速度可以人工设置。将SOP扰偏仪的偏转速度逐渐增大，直至误码表处于误码临界，此时合波后的光信号偏转速度即体现被测OTN设备跟踪SOP旋转的能力。2019年，商用OTN设备跟踪SOP旋转的极限普遍在3×106rad/s以下。到2021年，商用OTN设备跟踪SOP旋转的极限普遍提升至8×106rad/s，虽然有进步，但是仍然低于完全免疫雷电影响的程度[5-8]。相干OTN接收机中采用了自适应滤波器，以对抗光的色度色散、偏振模色散、偏振相关衰减以及SOP旋转等线性效应的影响。自适应滤波器中采用了最小均方差等算法来跟踪信号的变化，通过改善此类跟踪算法有望进一步解决此问题。

2.3 业务需求与OTN设备功能组合的匹配

近年来，OTN专网增量业务需求的主要来源之一就是新建数据中心。这类业务有以下2个特点，一是通道数量多，二是通道带宽需求逐渐增长。安全分区的要求使得每种业务被拆成多条通道，每个分区都有独立的通道，对支路端口的需求较大。

目前，电网公司建设的普遍是传统OTN，不含分组光传送网（Packet Optical Transport Network，POTN）功能，开通吉比特以太网（Gigabit Ethernet，GE）通道就要捆绑1个完整的光通路数据单元（Optical Channel Data Unit，ODU），开通10 GE通道就要捆绑1个完整的ODU。即使业务流量达不到为通道捆绑分配的带宽，也要实际占用所有这些为通道捆绑分配的带宽。假设某业务初期带宽需求是3 Gb/s，逐步增长到10 Gb/s，若初始提供1个10 GE通道，较长时间内利用率会不满50%，挤占宝贵的线路带宽；若初始提供3个GE通道捆绑使用，虽然利用率更佳，但带宽需求增长时相对不易进行通道扩容[9,10]。相比之下，POTN的特性使得通道的带宽捆绑更灵活，例如10 GE通道可不必捆绑1个完整的ODU，初始开通时捆绑相对小的容器，后期可较方便地调整为更大的容器，这样就缓解了带宽利用率和通道扩容便利性之间的矛盾。为了适应业务需求的上述特点，OTN的规划建设有必要进行相应的考虑，规划设计时多预留一些支路端口，建设时考虑配置POTN功能[11,12]。

3 结 论

随着电力通信系统的不断发展，电力通信网在业务方面面临着更多的要求，需要建设好传输网络系统，从而更好地适应电力通信系统的业务变化。OTN技术是从传统的WDM技术和SDH技术上进一步优化发展而来，传输效率和安全度更高，可以满足现代电力通信网建设的需求。在电力通信工程中，通过落实OTN网络配置优化工作，为OTN技术在电力通信系统中的应用奠定坚实基础。