雷擊OPGW光纜對電力100GOTN系統影響分析電信傳輸TelecommunicationTransmission雷擊OPGW光纜對電力100GOTN系統影響分析AnalysisofImpactofLightningStrikingonOPGWtoElectricPower100GOTNSystem解文明，李永嫚，張艷(中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇南京210019)XieWenming，LiYongman，ZhangYan(ChinaInformationConsulting&DesigningInstituteCo.，Ltd.，Nanjing210019，China)摘要：簡要介紹了目前在電力骨干光通信網絡中廣泛應用的OPGW光纜的優缺點。電力通信OPGW光纜在雷雨天氣較多的地區使用時，雷擊OPGW導致光纖內所傳輸的光信號SOP劇烈波動，造成100GOTN設備誤碼。重點研究雷擊OTN系統及承載業務影響、主流廠家100G設備抗SOP性能對比及改進思路，并提出了電力100GOTN系統的設計建議。Abstract：關鍵詞：噪比sn文章編號：1007-3043(2023)01-0059-05開放科學(資源服務)標識碼(OSID)：ItbrieflyintroducestheadvantagesanddisadvantagesofOPGWwhichiswidelyusedinelectricpowerbackbonenetwork.htningstrikingonOPGWwillcausetheSOPlightninguctuationtheimpactofSOPtedKeywords：0引言近年來，100GOTN[1]得到了大規模商用，電力行業也逐漸開始部署100GOTN骨干網絡。但在雷雨季節，電力100GOTN[2-5]骨干網絡部分鏈路多次隨機閃報OTN_LOF告警，每次告警產生后立即消除，持續時間為1~2s，在為期幾個月的雷雨季節里告警次數累積可以達到幾十次。經分析，發現導致此異常的原因是雷擊導致OPGW(OpticalFiberCompositeOverheadGroundWire)中的光信號的偏振態(StateOfPolariza?收稿日期：2022-11-03tion，SOP)波動，進而導致100GOTN設備誤碼。本文重點研究雷擊OPGW對100GOTN系統的影響。1電力通信OPGW光纜介紹及其面臨的挑戰1.1電力通信OPGW光纜介紹OPGW[6]光纜也稱光纖復合架空地線，具有地線與通信雙重功能，已經在電力骨干光通信網絡中廣泛應用。OPGW優點是適合在新建線路上架設，強度高、運行相對安全可靠，缺點是在雷雨天氣較多的地區，因雷擊造成OPGW光纜斷股損壞的情況時有發生[7]。1.2OPGW光纜應用面臨的主要挑戰打雷時，云層放電擊中OPGW附近區域，OPGW郵電設計技術/2023/0159電信傳輸TelecommunicationTransmission雷擊OPGW光纜對電力100GOTN系統影響分析導體內會產生高強度的瞬時雷電流。雷電流分為沿著OPGW的螺旋結構流過的螺旋分量和從OPGW表面直接流過的直通分量2部分。雷電流沿螺旋方向流過OPGW時將在OPGW光纜內部產生平行于OPGW軸線的磁場，在法拉第磁光效應的作用下光纖內所傳輸的光信號的SOP[8]劇烈波動，波動速度超出系統容限后，接收端無法準確恢復信號偏振態，導致信號誤碼率增加甚至信號丟失。2SOP及引起SOP偏轉因素分析2.1光信號SOP概念在垂直于光傳輸方向上，可以將光分解為2個相互獨立的振動方向(偏振)，偏振態(StateofPolariza?tion，SOP)則由2個偏振之間的振幅比值、相位差決定。理論上，可以用3×1矩陣(Stokes矩陣)直觀地表標系的3個坐標軸，則光場的每個SOP狀態均可對應在一個球面的某個點上。光信號SOP的變化可以用光信號的Stokes矢量在邦加球上的運動表示。光信號Stokes矢量在邦加球上運動示意如圖1所示。SSaSb2α圖1光信號Stokes矢量在邦加球上運動示意圖光信號t1時刻的偏振態為a，在邦加球上表示為點的變化速度為α/(t2-t1)，單位為rad/s。2.2引起SOP偏轉因素分析引起SOP變化的因素較多，主要分為線性效應和 (擠壓、形變)等機械擾動和強放電(雷擊、閃電)等法拉第效應。非線性效應包括入纖光功率、光纖類型、波長數目、波長間距等造成的交叉偏振調制。P在幾十krad/s以下，因此使用直埋光纜一般不需要考慮SOP變化的影響。受風、溫度和雷電等外界環境影OPGWSOP變化速度可從幾百krad/s到幾Mrad/s，其中雷電對OPGW光纜的SOP影響最大，需特別關注其SOP變化帶來的影響。3雷擊與SOP波動關系分析3.1雷擊強度及概率分析根據《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》 (DL/T620-1997)和《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》(GB/T50064-2014)，我國一般地區雷電流幅值及其概率的計算方法如下：lgP=-I/88A根據此標準，得出雷電流幅值及超過對應雷電流表1雷電流幅值及超過對應雷電流幅值的概率雷電流/kA超過此雷電流的概率/%>5027.03>1007.31>2000.53>3000.04>3500.01如表2所示。表2雷電流發生概率表雷電流范圍/kA概率/%0~5072.9719.72100~2006.78200~3000.49300~3500.03>3500.01如果考慮雷擊導致誤碼影響業務的概率，還要另外計算雷擊發生的概率以及雷擊直擊OPGW的條件概率。602023/01/DTPT雷擊OPGW光纜對電力100GOTN系統影響分析電信傳輸TelecommunicationTransmission3.2雷擊電流對SOP變化影響通常自然界雷電流有2種放電形式：脈沖沖擊電流和長時間連續電流，其特點如表3所示。表3脈沖沖擊電流和長時間連續電流對比表電流類型特點電流值持續時間脈沖沖擊流雷電流幅值高數量級持續時間短，10-5~10-4s烈瞬變長時間連續電流多數為直流電流，雷電流幅值低持續時間長，0.5s基本不影響11077002-2018)，雷電流波形用2.6/50μs的Heidler模型描述，即波頭持續時間為2.6μs，波尾持續時間為50μs。雷擊導致OPGW[9-10]光信號SOP偏轉的全過程包下2個階段。a)波頭階段：持續時間為微秒級，在幾微秒到幾百微秒時間內，SOP偏轉角速度迅速上升到本次波動的最大值。b)波尾階段：持續時間為毫秒級，在幾毫秒到幾百毫秒時間內，SOP偏轉角速度振蕩衰減到無雷擊時的較低水平。基于保守估計原則，將雷擊電流直接視為OPGW算出SOP強度與雷擊電流關系如表4所示。4SOP波動對100GOTN系統及其業務影響4.1SOP波動對100GOTN系統影響100G系統采用相干PM-QPSK技術，發送端通過振分束器將光信號分成x、y2個垂直的偏振方向，分波器將x、y2個偏振方向上已經調制好的信號合路成表4SOP強度與雷擊電流關系表雷電流大小/kA雷電流大于該值的概率/%SOP變化率/(Mrad/s)3.291.975027.033.036020.813.64909.495.463.807.58972000.532503000.043500.0121.23一路信號。接收端將接收信號分離到x、y2個偏振方向上，通過相干接收將x、y偏振方向上的光信號轉變為電信號，然后采用高精度DAC將電信號變成0101…數字碼流，最后通過DSP高速數字處理去除色散、噪100G光傳輸系統采用了數字相干接收技術，通過相位分集、偏振態分集技術將光信號的光學屬性映射到電域，利用成熟的DSP技術在電域實現偏振解復用、信道損傷均衡補償、時序恢復、載波相位估計、符號估計和線性解碼。對于普通直埋的光纜而言，100G數字相干接收機在設計的時候充分考慮了光傳輸鏈路噪聲和干擾特輸上的CD和PMD的影響。對于采用了偏振態復用的0G及以上速率的OTN光傳輸系統，相干接收機需要實時跟蹤光信號的SOP狀態，才能夠有效地進行偏振態解復用、PMD補償以及信號恢復和數據提取操作。當光信號SOP變化速度超出100G相干接收機的容忍能力時，OTN系統可能會出現瞬時閃斷或誤碼，影響信息數據的安全可靠傳輸。相干碼型對SOP變化的處理流程如圖2所示。相干碼型通過MIMO算法跟蹤SOP的變化，如果SOP的變化超過oDSP的跟蹤能力，則會出現糾后誤碼。具體實現原理如圖3所示。4.2SOP波動對承載業務的影響根據業務功能、特點將電力通信業務劃分為電網運行業務(運行控制業務、運行信息業務)和企業管理PSOP變化超過DSP跟蹤能力業務出誤碼，業務閃斷y2個偏振態上SOP的變化準確地恢復出信號個正交偏振態進入鏈路進行傳輸Px和y偏振態的信號發生耦合變變化圖2相干碼型對SOP變化的處理流程圖郵電設計技術/2023/0161電信傳輸TelecommunicationTransmission雷擊OPGW光纜對電力100GOTN系統影響分析DSP數據恢復XIXQYIYQSOPdcompenDataXDataYφdhdDSP數據恢復XIXQYIYQSOPdcompenDataXDataYφdhd正交不平衡補正交不平衡補償色色散補償時時鐘同步自自適應均衡載載波恢復xεexp(j?)xεxxxPPhasePPhaseφφyyyexp(j?)y圖3相干碼型跟蹤SOP變化原理圖業務(視頻會議、辦公電話、辦公自動化和遠程培訓等)。運行控制類業務要求通信誤碼率≤10-8，運行信息類業務要求通信誤碼率<10-6，管理類業務要求通信目前，電力100GOTN只承載視頻會議等企業管理類業務，暫未承載傳統電力通信控制類業務。在發生雷擊時對視頻會議業務進行測試，視頻會議業務出現瞬間卡頓/丟幀現象，測試最大誤碼率折算為10-5數量級，暫時無法滿足電力運行業務承載要求。5主流100G設備抗SOP性能及改進思路給定100GOTN設備及相應板卡，其SOP容限并非是一個固定值。為OTU光接口預留的OSNR富余度SOP然。在二維坐標系上，SOP容限和OSNR富余度的關系可用一條單調遞增曲線描述。從橫向比較，抵御SOP偏轉能力越強的設備，這條曲線就越遠離y軸、越平緩(即消耗較少OSNR富余度就能抵御很高速的SOP偏轉)；抵御SOP偏轉能力越弱的設備，這條曲線就越靠近y軸，越陡峭(即消耗較多OSNR富余度也只能抵御較低速的SOP偏轉)。5.2主要設備廠商抗SOP性能指標分析為了解主流設備廠家抗SOP性能指標，需統一對抗SOP性能指標的理解，特定義以下指標。抗SOP接收機OSNR容限(EOL)定義為在給定的SOP強度下測試得到的背靠背OSNR容限，本容限含SOP引入的OSNR代價值。其中：OSNR代價(SOP)=給定的SOP強度下測得的背靠背OSNR容限值-SOP為0Mrad/s時測得的背靠背OSNR容限值。OSNR代價(系統傳輸通道代價)=給定SOP強度時測得的過系統OSNR容限值-給定SOP強度時測得的背靠背OSNR容限值。家OSNR容限(EOL)值、OSNR代價(SOP)及接收OSNR最小值如表5所示。5.3SOP容限改進思路及手段SOP容限改進主要是通過軟硬件優化的手段提高DSP處理能力。改進手段1：調節oDSP芯片的時域均衡(TDEQ)環路的跟蹤能力(更大步長，和/或更快速度)，實現對SOP的更快速跟蹤，其缺點是會損失小部分BtBOSNR容限。OP時值計算。改進手段3：采用動態預扭曲和整形技術，實現快速SOP跟蹤。由于DSP模塊集成在100G線路盤上，不涉及設備平臺，需要廠商推出容限更高的線路盤。要提高設備忍耐SOP的能力，相應的代價如下。表5給定SOP強度下不同廠家設備的OSNR性能指標SOP強度/(Mrad/s)OSNR容限(EOL)值/dBOSNR代價/dB系統傳輸通道OSNR代價值/dB接收OSNR最小值/dB廠家8廠家A8廠家B8廠家C9廠家A9廠家B9廠家C622023/01/DTPT雷擊OPGW光纜對電力100GOTN系統影響分析電信傳輸TelecommunicationTransmissiona)輕微的OSNR容限損失(不超過0.5dB)。b)雷擊導致SOP高速偏轉持續的ms級時間段留至少4.5~6dB的OSNR富余度(實際執行時預留更NR雷擊較強時，預留的OSNR富余度不足以消除誤碼。6電力100GOTN系統設計建議6.1SOP強度取值建議根據各廠家抗SOP指標分析，目前各廠家的抗SOP能力在8~11Mrad/s的水平，在當前技術水平下，100GOTN設備無法完全避免雷擊引起的超過該強度系統抗SOP能力越強，需要犧牲的OSNR代價越R越短。當SOP變化速率超過一定程度后，系統無法通夠的OSNR來抵御SOP變化。給定OSNR代價(SOP)值為10dB時，可以抵抗的SOP強度最大為8MradsMrads，電力100GOTN系統建設時SOP強度建議按照8Mrad/s考慮，即當雷擊引起的SOP強度低于系統設定的SOP強度值8Mrad/s時，系統不會產生誤碼或閃斷。6.2OSNR裕量取值建議大小沒有設定依據、100GOTN系統OSNR指標沒有規范依據、3%概率強雷擊對生產性業務或者高質量要求業務的影響暫時無法驗證。根據《N×100G超長距離光波分復用(WDM)系統技術要求》(YD/T3070-2016)，OSNR裕量取4.5~6dB。在此基礎上，電力100GOTN系統建設需考慮到OSNR余度在8.5dB左右時可抵御8Mrad/s左右的SOP變化OSNR容限損失，100GOTN系統的OSNR裕量建議按照大于8.5dB進行預留。7結束語100GOTN光傳輸系統采用偏振態復用技術，只有相干接收機實時跟蹤光信號的SOP狀態才能夠有效地進行偏振態解復用、PMD補償以及信號恢復和數據提取操作。雷擊OPGW光纜導致單波100GOTN光信號SOP瞬時高速變化，當光信號SOP變化速度超出100G相干接收機的容忍能力時，100G系統可能會出現瞬時閃斷或誤碼，影響信息數據的安全可靠傳輸。目前設備廠家已通過軟硬件