電力通信系統中的光纖全交換方案

吳 笑，章立偉，李建剛

（國家電網寧波供電公司，寧波，315000）

0 引言

在電力通信系統中，變電站、發電廠等場所可以看成子站，各個子站之間的控制通過電力通信系統來協調完成。為了提高電力通信系統的數據傳輸能力和速度，子站之間以及子站和中心站之間大都采用光纜進行連接。

為了方便子站之間建立新的數據鏈路，或者改變已有數據鏈路的連接形式，這就要求我們將光纖全交換設備安裝在每個通信子站中。在在目前的日常檢修工作中，往往要求檢修人員至通信站點現場,根據需求對光纖網絡中的全交換設備進行跳纖操作。檢修工作往往耗費大量的時間和人力。

傳統的自動光交換技術采用光開關原理的單元模塊構成。光開關采用的主要技術有微機械(MEMS)光開關、熱光開關、液晶光開關、聲光開關、噴墨氣泡光開關、全息光開關、液體光柵開關等。這里我們介紹一種定向耦合型波導光開關。光開關的兩側分別接入若干根光纖，一側為輸入、一側為輸出，圖1所示為4x4結構的光開關。此設備中，我們定義P11為4x4分布的耦合的光開關區域，P12為左側輸入光纖，分別為P121、P122、P123、P124，同樣定義輸出光纖為P131-P134。在光信號的傳輸過程中，通過控制每個光開關的電壓來改變光纖傳播的路徑，達到輸入輸出光纖之間任意的交換。例如，分別控制P11a、P11f、P11k、P11p使得光開關全部選擇往下的路徑（如P11a為P11a2），可控制光信號沿著箭頭方向傳播，實現輸入P121與輸出P134之間的光信號交換。

但是此種結構的光交換設備也存在著幾個嚴重的問題：1、當光信號通過光開關時，將伴隨著能量損耗。依據功率預算設計網絡時，光開關及其級聯對網絡性能的影響很大。損耗和干擾將影響到功率預算。光開關的矩陣數量大小決定了光纖交換的容量，光纖交換容量增加時，同時增大了矩陣的體積，也增加了通過的光波導耦合開關數量，會在每條光信號通道上增加一定的衰耗。這種設備的結構決定了光交換容量受到了嚴格的限制。2、此種結構無法做到真正意義上的全交換，也就是無法實現兩個輸入光纖或者兩個輸出光纖芯信號的交換。

圖1 4x4的定向耦合型波導光開關式交換設備

目前雖然有“智能光網絡”的概念，但是其所謂實現的智能化交換是將光信號轉換成電信號后，在電路中實現電信號的智能交換，所以傳統的智能光網絡中在光纜交換環節至今沒有實現智能化，仍需要人工跳纖操作。光纜切換的非智能化成為了智能光纜交換網絡的瓶頸。另外，現在也有通過網狀結構的網絡拓撲實現智能光網絡的方案，在每個設備上，針對該設備連接的每個其他設備都需要設置一塊單獨的“光板”，而光板的價格非常昂貴，使得整個系統的成本極高。

1 正文

針對傳統的電力通信系統中的子站中的光纖全交換的諸多問題，本文提出了一種新型的光纖全交換設備，該設備安裝到每個子站中。

1.1 光纖全交換設備的實現原理

圖2 光纖全交換設備的實現原理圖

圖2為本文中為每個子站安裝的光纖全交換設備的實現原理圖。該設備主要包括一交換板1，該交換板1上形成多個交換孔11，交換孔成矩形陣列排布。每一行的交換孔對應一條外部光纖，每一列交換孔都有一條繩路光纖負責鏈接。外部線路光纖接入一個光纖連接頭3中，每行交換孔都由一根活動光纖連接器負責，另一端與輸入光纖的光纖連接頭相連接。設備由以上幾個基本部件組成。

光纖全交換設備由兩個活動部分組成：交換板正面每列縱向的交換孔由一根繩路光纖負責鏈接，且只能鏈接此行上的交換孔，它可實現此列縱向上任意兩個交換孔的光信號連通；交換板背面的每行橫線的光纖交換孔由一個活動光纖連接器負責，另一端固定鏈接外部光纖，此設備負責將外部光纖連接至此行任意交換孔內。

我們以圖2的8芯全交換設備為例，8芯全交換設備，至多只有4條通道，4進4出。因此我們需要一個8 x 4陣列的交換孔矩陣板。將外部光纖芯標記為A01至A08。假設我們需要將外部光纖A05和A02之間開通一條光通道。該裝置需要依次查找4條繩路的光纖鏈路是否已被占用，處于保護運行狀態。查找出一條未被使用的光繩路，如圖2的第一列光繩路未被占用。將光繩路的兩端按需鏈接至指定光交換孔內，既兩條需交換的光纖行位置（11g和11h），然后將相應行的活動光鏈接器接入該列所在光交換孔（11g和11h）。最后將此條繩路和相應的外部光纖置狀態為占用。這樣就完成了外部光纖A02與A05的光通道交換。

由上文可知，需要將指定的兩條外部光纖進行光交換時，要查找所對應的光交換孔，而查找到這對光交換孔需要滿足以下幾個條件：1、滿足該對交換孔在兩條指定光纖所在的行上。2、兩個光交換孔在一條空閑繩路所處的列上。

而交換孔的矩陣大小由需要接入的最大外部光纖數量決定：

矩陣大小N×M（行×列）

N=需要接入的光纖芯數

M=int[(N+1)/2]M為最大光連接數

圖3 光纖全交換設備的具體結構圖

1.2 光纖全交換設備的具體結構

圖3示例性地示出了安裝在子站中的光纖全交換設備的具體結構。同樣為一個8芯全交換設備,外部纖芯標記為A01至A08。每條外部線路光纖接入一個光纖連接頭，然后通過一個活動光纖鏈接器連至交換孔處（32和35）。設備通過這種方式實現每行交換孔對應一條相應的外部線路光纖。設備內部驅動裝置由第一驅動裝置和第二驅動裝置組成：1、將外部線路光纖鏈接器連接至指定光交換孔，并將之插入光交換孔的為第一驅動裝置。2、第二驅動裝置安裝于光交換板的背面，主要作用于將繩路光纖鏈接器精確的移動至預訂的交換孔處，并將之插入光交換孔的背面，使兩端的光纖通道連通。

第一驅動裝置由以下幾部分構成：

用于插拔光纖外部連通裝置的第一移動裝置（51）。

驅動電機（52）、第二驅動電機（53）用于控制該光纖外部連通裝置橫向在幾個交換孔上移動。

第一絲桿（54）和第二絲桿（55）為導向作用。

工作具體步驟如下：第一驅動電機（52）工作可以讓第二驅動電機（53）沿著第一絲桿（54）移動（即在交換板行所在的方向橫向上移動）；第二驅動電機（53）工作可以讓第一移動裝置電機（51）沿著第二絲桿（55）移動（即在交換板列所在的方向上縱向移動）。

第二驅動裝置和第一驅動裝置的工作原理和機構基本相同也是采用同樣的裝置對繩路設備的兩端連接裝置進行依次操作。

綜上可以得出：子站中的全交換設備在接收到交換指令后，可以執行如下指令自動完成跳纖操作：

首先查找指定交換孔，在決定了進行交換的兩條外部纖芯后，查找空閑光繩路所在的列。找到了不再占用狀態的光繩路后，就決定了需要光交換孔的行和列。

第一驅動器工作，將兩個線路光纖鏈接器移動到第一步所查找出的交換孔處，并將此線路光纖鏈接器插入至交換孔內。

第二驅動器工作，驅動光繩路的兩端光纖鏈接器至第一步查找出的光交換孔，隨后從另一側插入光繩路兩端的光纖鏈接器至相應的光交換孔內。

這樣就把兩條外部線路光纖用此設備連接成一個光通道路由。重復以上三步過程，完成所有外部光纖的連接交換，就可以實現纖芯的全交換功能。

2 結論

本文提出的光纖全交換設備結構完全避免了原來有光開關設備組成的光纖交換設備產生的兩個缺點：1、不需要區分輸入輸出光纖，任意外部線路光纖之間都可采用本文提出的設備結構完成光纖芯交換。2、本文提供的光纖全交換設備在實現全交換的過程中，沒有隨交換數量增加而增加額外的衰耗，解決了容量限制問題（每一條光纖通道只經過兩個交換孔）。綜上所述相對于傳統的光開關構成的交換設備，本發明實施例中光信號的衰減較小，并且與網絡接入的規模無關。

[1]陳希明; 梁斌全光網絡中的光開關技術及應用.重慶郵電大學學報2007年06期

[2]舒桂榮;全光網絡系統中的光開關.中國科技信息2008年06期