光纤通道在继电保护中运用

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1、光纤通信在继电保护中的应用,通道现状,220kV线路的主保护： 高频通道。采用专用的收发信机，相-地耦合方式。 光纤通道。采用点对点直接连接通道。 500kV线路的主保护： 高频通道。采用载波机复用保护，相-相耦合方式。 光纤通道。采用复用PCM方式，经过OPGW传输。,220kV线路的主保护的光纤通道示意图,500kV线路的主保护的光纤通道示意图,第一部分 光纤通信原理,光纤通信系统的基本组成,一、光纤线路,光纤线路的功能是把光信号尽可能小畸变和衰减地传输到对端。 由光纤、光纤接头、光纤连接器组成。 容纳许多光纤的为光缆。 影响光纤性能的主要指标为损耗和色散。,光纤的结构,纤芯、包层和涂敷层

2、。 纤芯和包层一般由高纯度二氧化硅掺有适当的杂质构成，包层的折射率略小于纤芯，从而构成光波道效应，使大部分电磁场被束缚在纤芯中传输，涂敷层是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械损伤，同时增加光纤的柔韧性，在涂敷层的外部的塑料套管增加保护作用，常用的光缆由若干光纤组成。,光纤的外形,n1 n2，光能量主要纤芯中传输。,包层 n2,纤芯 n1,光纤的分类,根据光纤中的传输模式数量分为： 单模光纤（single-Mode Fiber,SM) 折射率分布与突变型光纤类似，纤芯直径只有8-10m，光线以直线沿纤芯中心轴线方向传播。只能传输一个模式。信号畸变小。 多模光纤（Multi-Mode Fiber,MM)

3、 多模光纤又分为：突变型和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式。,根据光纤横截面的折射率分布分为： 阶跃折射率光纤(step-Index Fiber,SIF) 纤芯折射率为n1保持不变,到包层突变为n2。光以折线传播。 渐变折射率光纤(Graded-Index Fiber,GIF) 纤芯中心的折射率为最大n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传输。,光纤的分类,多模阶跃折射率光纤中的光的传输,不同入射角的光线在光纤中的传播路径不同，不同的光所携带的能量到达终端的时间不同，产生了群时延，限制了该光纤的传输带宽。一般小于200MB/S。,渐变折射

4、率光纤中光的传输,该光纤具有自聚焦的性质，即有相同的传输时延，适当选择折射率的分布，可使传输带宽达几GB/S。,对于给定的光纤，存在一个临界波长c，当 c时，是多模传输，当 c时，是单模传输，这个c称为截止波长。,应用,突变型多模光纤信号畸变大，相应的带宽只有1020MHzkm，只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤的带宽可达到1 2GHz km，适用于中等容量、中等距离的传输系统。 大容量、长距离系统使用单模光纤。,光纤的传输性能,衰减(Loss) 色散（Dispersion）,传输衰减(Loss),(1)衰减(dB) 衰减是光纤的一个重要传输参数。它表明了光纤对光能量的传输损耗，对光纤

5、质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用，其评定量纲为dB。,（2）衰减系数(dB/km) 衰减系数定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，其评定量纲为dB/Km。 光纤的衰减系数与光纤的工作波长有关，但光纤的衰减系数与波长的函数关系与光纤长度无关。,传输衰减(Loss),衰减系数(dB/km),0.85、1.3、1.55微米是光纤通信的三个低损耗窗口，损耗分别为1.9 db/km、 0.35 db/km、 0.2 db/km。,传输色散(Dispersion),在光纤数字通信系统中，由于光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成份来携带的，这些不同的频率成份和不同的模式成

6、份的传输速度不同，从而引起色散。,传输色散的种类,材料色散 波导色散 模间色散 偏振模色散(PMD),模式色散： 多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度。 材料色散： 石英材料的折射率随波长而变化引起不同波长的光传输时延不同。,波导色散： 对于光纤的某个模式，在不同频率下群速不同。 改进措施： 采用单模光纤减少模式色散，采用激光器减少谱线宽度，减少材料色散和波道色散。,光纤的损耗和色散,在0.85m 、1.31m和 1.55m 有三个低损耗窗口，分别小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。石英光纤在1.31m色散为零，带宽极大值可达到几十GHzkm。 通过光纤设计，可以使零色

7、散波长移到1.55 m ，实现色散和损耗都最低的色散移位单模光纤；或者设计在1.31m和 1.55m 之间的色散平坦单模光纤。,光纤特性的标准,光纤特性的标准,G.651 多模渐变光纤，早期使用。 G.652常规单模光纤，在1.31m色散为零，传输距离只受损耗的限制。 G.653色散移位光纤，在1.55m色散为零，损耗最小。 G.654 1.55m损耗最小的单模光纤。在1.31m色散为零，在1.55m色散为17-20ps/(nm.km)，和常规光相同，但损耗更低。是G.653的改进型。 G.655是非零色散光纤，是改进的色散移位光纤。,损耗的测量,测量通过光纤的传输功率，称剪断法和插入法。 测

8、量光纤的后向散射功率，称后向散射法。,剪断法,光纤的损耗系数：,光缆的结构分类,层绞式光缆 骨架式光缆 带状式光缆 单位式光缆 束管式光缆,6芯紧套层绞式光缆,12芯骨架式光缆（直埋）,108芯带状光缆,12芯松套层绞式光缆（直埋）,OPGW（Optical Fiber Overhead Ground Wire),光纤接续的种类,永久性连接(固定连接) 活动性连接(连接器连接),光纤的活动连接器连接法,对光纤连接器性能的主要要求 连接器产生连接损耗的因素 结构与种类,对光纤连接器性能的主要要求,插入损耗低； 经多次连接和拆卸后,插入变化小； 同一种类的连接器应具有互换性； 对环境条件如温度、湿

9、度、灰尘、振动等不敏感； 结构简单、装卸方便，价格低廉； 在多芯连接器中，相互串扰小。,连接器产生连接损耗的因素,轴心错位 轴心倾斜 间隙 端面不完整 光纤参数的偏差,光纤活动连接器的组成,按功能可以分成以下几部分： 连接器插座(Plug Connector） 光缆跳线（Jumper Cable） 转换器（Adapor） 变换器（Converter） 裸光纤转换器（Bare Fiber Adaptor） 在我国一套光纤活动连接器主要指 两个连接器插头加一个转换器(法兰盘）。,光纤活动连接器的结构与类型,FC(平面接触/螺纹连接） PC/APC(直接接触/螺纹连接） SC (NTT/矩形/直接拔

10、插） ST(AT&T/带键卡口式）,影响光纤接续损耗的因素,固有因素 非固有因素,影响光纤接续损耗的固有因素,固有因素主要包括任何两根待接光 纤的几何特性和波导特性方面的差异： 芯径失配 同心度偏差 数值孔径失配 折射率分布失配 模场直径差异,影响光纤接续损耗的非固有因素,非固有因素主要指任何两根待接光纤端面不完善和机械偏移； 端面不完善主要包括端面倾斜、端面弯曲和端面粗糙； 机械偏移主要包括两根光纤横向偏移、轴向倾斜和纵向分离。,二、电端机,模数转换。 多路信号复用。 将一定码型和帧格式的电信号送入光端机。 典型的电端机为PCM设备。,PCM设备是数字微波、光纤等数字通信的基群设备，也作为网

11、络通信的终接设备。 PCM的含义为脉冲编码调制，即对模拟信号进行采样、保持、量化、编码，把模拟信号转换成数字信号传输。,二、电端机/PCM设备介绍,时分多路和PCM设备,f1(t) f1(t),时分多路复用的示意图：,信道,时分多路和PCM设备,时分多路复用的示意图：,f2(t),f2(t),信道,时分多路和PCM设备,时分多路复用的示意图：,fn(t),fn(t),信道,时分多路和PCM设备,f1(t) f1(t),时分多路复用的示意图：,信道,PCM以话音为代表。话音的频率为3003400HZ，考虑防护带，取上限频率为4kHZ，按照取样定理，取样频率为8kHZ，一帧时间为125s。ITU组

12、织规定PCM有两种体制，PCM32/30和PCM24，我国使用前者。规定PCM的一帧时间分成32个时隙，其中30个时隙用来传送语音或数据，另外两个时隙用来实现同步和对告。,每个时隙用8比特来表示。时隙速率为： 8比特8kHZ64kbit/s 1帧的速率为64kbit/s32时隙2048 kbit/s。,64kbit/s,PCM32/30为基群设备，可以传送30路话音，也可以通过同向数据接口，直接传送每时隙为 64kbit/s的数据（G.703)，在数字微波通信中，PCM设备的信号接入微波信道机信进行中频和高频调制后，射频经馈线、天线送出。在光纤通信系统中，PCM设备作为电端机进入光端机经光纤传

13、输。,PCM的高次群设备,当通信容量不够时，可使用PCM的高次群设备。多个PCM信号合成一路信号的过程为复接。与复接相反的过程为分接。 复接根据时钟源是否同一分为同源复接和异源复接。SDH采用同源复接，即同步数字系统，PDH为异源复接，即准同步数字系统。,SDH (Synchronous Digital Hierarchy),具有统一的网络节点接口 标准化的信息等级结构，即STM模块 采用独特的复用技术 OAM能力很强 SDH自愈混合环形网 低阶SDH高阶SDH，例如：STM1STM4。 PDHSDH，采用字节间插复用方式,SDH速率等级,10G,2.5G,622M,155M,STM-64,S

14、TM-16,STM-4,STM-1,45M,1.5M,2M,34M,140M,分插复用,155Mb/s,155Mb/s,光接口,光接口,2Mb/s （电接口）,SDH网络,SDH在电力系统中依靠OPGW构成自愈环网。 自愈网（self-healing Network)：无需认为干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复，使用户感觉不到网络已出故障。其基本原理就是使网络具备代替传输路由并重新确立通信的能力。,SDH自愈环网示意图,A,B,C,D,SDH自愈环网示意图,A,B,C,D,C端机故障，使用热备用机器,SDH自愈环网示意图,A,B,C,D,AB端机之间线路故障,SDH自愈环网示意图

15、,A,B,C,D,AB端机之间线路各自环回，双环变单环,1、网络概况,Alcatel 1660SM,图例,乔司变,王店变,瓶窑变,省调1,杭州局,萧山变,兰亭变,甬西变,宁波局,天一变,台南变,瓯海变,双龙变,诸暨变,桐柏厂,台州局,富阳变,嘉兴局,嘉兴二厂,温州局,丽水局,金华局,石窟变,衢州局,北仑厂,绍兴局,湖州局,省调2,STM-16,一环,省网SDH网络介绍,1660SM,图例,STM-16,乔司变,瓶窑变,省调2,萧山变,兰亭变,甬西变,北仑厂,天一变,台南变(临海变）,瓯海变,双龙变,诸暨变,桐柏厂,富阳变,二环在省调站点通过S4.1与一环互联,二环,2、alcatel SDH网上的继保PCM,乔司变,王店变,瓶窑变,省调1,萧山变,兰亭变,甬西变,天一变,台南变(临海变）,瓯海变,双龙变,诸暨变,富阳变,嘉兴二厂,表示含继保PCM线路,北仑厂,5493-1 5494-1,5491-1 5492-1,5418-2,5453-1 5454-1,5451-1,5401-1,5455-1,5471-1,5463-1,5459-1,5457-1 5458-1,5418-2,表示5418线第2套保护,一环,二环,表示含继保PCM线路,5418-2,表示5418线第2套保