基于相干光時(shí)域反射的光纖在線監(jiān)測在配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 曉，王 佳，周 楊，湯 俊

（國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610004）

1 配電網(wǎng)通信系統(tǒng)光纜網(wǎng)架現(xiàn)狀和問題

目前，國內(nèi)現(xiàn)存的配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)光纜運(yùn)行維護(hù)方法未能實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖資源的實(shí)時(shí)監(jiān)測，一般采用事后光時(shí)域反射儀（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）儀表進(jìn)行檢測和故障處理，無法預(yù)知故障。首先，暗光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)只能針對(duì)備用光纖，不僅占用寶貴的光纖資源，也無法實(shí)時(shí)監(jiān)測業(yè)務(wù)光纖，造成配電通信光纜的纖芯老化與劣化難以被跟蹤，運(yùn)維方式被動(dòng)。其次，配電通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的事后檢測定位精確度不高，耗時(shí)較長，維護(hù)效率低下。最后，配電通信光纜歷史數(shù)據(jù)難以管理與比對(duì)，光纜網(wǎng)絡(luò)資源無法可視化，路由、桿位以及管道部分冗余光纜無法精確校準(zhǔn)，難以滿足精益化管理要求[1]。

成都公司配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)是以EPON通信方式為主和無線公網(wǎng)通信方式為輔的接入方式。截至2016年底，在運(yùn)行的配電自動(dòng)化通信光纜已達(dá)2 196.6 km，普遍存在多聯(lián)絡(luò)和多分支的情況。光纜路由復(fù)雜，資料管理和更新的難度較大。根據(jù)2017年度通信系統(tǒng)運(yùn)行方式的統(tǒng)計(jì)，配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)共發(fā)生故障400余起，其中光纜故障287起，占比71.75%。這說明光纜系統(tǒng)的運(yùn)行情況嚴(yán)重影響配電自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用性指標(biāo)，迫切需要以技術(shù)手段為支撐、管理手段為保障來提高配電自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2 基于相干光時(shí)域反射的光纖在線監(jiān)測技術(shù)

2.1 相干光時(shí)域反射技術(shù)原理

相干光時(shí)域反射（Correlated Optical Time Domain Reflection，Correlated-OTDR）技術(shù)不是簡單的單脈沖技術(shù)，而是采用低功率數(shù)字編碼激光器，不僅能產(chǎn)生少量單脈沖，而且能產(chǎn)生大量連續(xù)不間斷的調(diào)制脈沖，并注入到被監(jiān)測的光纖中。

相干光的入射光脈沖從光纖的一端注入。用光探測器探測到的后向散射信號(hào)是脈沖寬度前二分之一的區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信號(hào)。通過檢測后向瑞利散射光強(qiáng)度的變化和入射光脈沖與檢測到的后向瑞利散射信號(hào)之間的時(shí)延差，可以確定光纖指紋的分布情況。

當(dāng)光纖一端注入寬度為W的光脈沖時(shí)，在光纖輸入端接收到的后向散射光場為：

式中，αi和τi分別為第i個(gè)后向散射光波的幅度和時(shí)延；N為散射光總數(shù)；α為光纖衰減常數(shù)；c為真空中的光速；nf為光纖折射率。當(dāng)時(shí)，，其他時(shí)刻為0。

當(dāng)光纖線路上某些區(qū)域的外形應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，該區(qū)域光纖的折射率和瑞利散射光相位隨之發(fā)生變化，可以表示為：

式中，光纖折射率nf和散射距離單元sij的變化依賴于光纖外形應(yīng)變的變化。變化區(qū)域內(nèi)的散射光傳輸?shù)礁哽`敏度接收器的相位差發(fā)生變化，最終會(huì)引起后向瑞利散射光強(qiáng)度的變化。

2.2 配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)特點(diǎn)

配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)中廣泛采用EPON通信技術(shù)。它與骨干通信網(wǎng)的SDH技術(shù)體制之間主要存在兩點(diǎn)區(qū)別：一是EPON通信技術(shù)物理層上根據(jù)IEEE 802.3—2005規(guī)定采用單纖波分復(fù)用技術(shù)（下行1 490 nm，上行1 310 nm）實(shí)現(xiàn)單纖雙向傳輸；二是EPON通信技術(shù)是點(diǎn)到多點(diǎn)（Point to Multipoint，P2MP）拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用星型、鏈型、全保護(hù)總線型、樹型、雙總線手拉手型以及上述方式的混合組網(wǎng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。這些不同點(diǎn)導(dǎo)致光纖在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)中存在難度。一般的EPON光鏈路和纖芯使用如圖1所示[2]。

圖1 多PON鏈路示意圖

光纜N1芯中的業(yè)務(wù)波長經(jīng)過分光器1、分光器2、…、分光器n1的多級(jí)分光，使通信終端ONU1、ONU2、…、ONUn1中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)正常傳輸。同樣的，光纜N2芯中的業(yè)務(wù)波長使另外PON口的ONU1、ONU2、…、ONUn2中的數(shù)據(jù)正常傳輸。

2.3 光纖在線監(jiān)測技術(shù)在配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

根據(jù)圖1，業(yè)務(wù)波長會(huì)在分光器節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生大的反射高峰。這個(gè)反射高峰不同于光纜線路上正常的熔接衰耗、連接器和機(jī)械彎曲產(chǎn)生的反射值，如果將它的特征作為光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)中識(shí)別和判斷分光器和ONU設(shè)備地理位置的依據(jù)，那么可以在復(fù)雜拓?fù)涞呐潆娮詣?dòng)化通信系統(tǒng)中應(yīng)用光纖在線監(jiān)測技術(shù)。

相干光時(shí)域反射的測試波長選用國際標(biāo)準(zhǔn)的1 625 nm波長。由于測試波長與業(yè)務(wù)波長間隔較寬，因此它能夠消除測試光對(duì)業(yè)務(wù)信號(hào)的影響。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 部署情況

統(tǒng)計(jì)和分析光纜缺陷數(shù)據(jù)后得出，110 kV金沙變電站內(nèi)出線的配電自動(dòng)化通信光纜缺陷率較高，因此選擇在金沙變電站部署光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的邏輯圖如圖2所示。變電站內(nèi)存在通信光纜終端（Optical Line Terminal，OLT）設(shè)備。業(yè)務(wù)光纖從OLT設(shè)備的PON口引出，相干光時(shí)域反射光纖從光纖監(jiān)測控制設(shè)備（Remote Terminal Unit，RTU）引出。業(yè)務(wù)光纖和檢測光纖通過WDM合解波盒耦合進(jìn)同一根光纖中進(jìn)行傳輸，經(jīng)過鏈路上的光連接器、分光器等連接通信終端ONU和配電終端如DTU、FTU等。鏈路上的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，而反射信號(hào)和業(yè)務(wù)信號(hào)通過同一根業(yè)務(wù)纖芯回傳到變電站端。通過合解波盒解耦合后，反射信號(hào)由高靈敏度接收器接收、分析以及計(jì)算，從而獲得該條業(yè)務(wù)光纖鏈路的長度、衰耗、斷點(diǎn)位置以及光纖指紋等運(yùn)行信息。站端RTU設(shè)備收集的數(shù)據(jù)通過SDH骨干傳輸網(wǎng)承載進(jìn)行全I(xiàn)P化組網(wǎng)，并匯聚到中心機(jī)房的網(wǎng)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光纜資源的集中監(jiān)控、集中管理以及集中運(yùn)維。

圖2 光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)部署邏輯示意圖

目前，在金沙變部署了2套光纖監(jiān)測控制設(shè)備，完成了金沙變至同盛路方向EPON鏈路、金沙變至至沙晉路方向EPON鏈路等8芯業(yè)務(wù)光纜的在線監(jiān)測業(yè)務(wù)。

3.2 應(yīng)用效果

系統(tǒng)通過在線監(jiān)測所新產(chǎn)生的光纖指紋與原有的歷史光纖指紋比對(duì)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)被測光纖存在的老化、衰減增大、連接器松動(dòng)以及誤插拔等潛在故障，實(shí)現(xiàn)了光纜信息的全壽命周期管理。

3.3 故障測試

模擬故障發(fā)生過程，則發(fā)生故障時(shí)的監(jiān)測情況如圖3所示。在發(fā)生光纜故障后，第一時(shí)間可從智能網(wǎng)管中看到數(shù)據(jù)中第二個(gè)點(diǎn)位之后的數(shù)據(jù)消失。這是因?yàn)楝F(xiàn)場人員將第二個(gè)點(diǎn)位之后的光纜尾纖拔出模擬干路光纖出現(xiàn)故障，后面的點(diǎn)位數(shù)據(jù)全部消失并產(chǎn)生一些新增反射點(diǎn)。

圖3 光纜故障時(shí)的監(jiān)測情況

3.4 與其他應(yīng)用方案的對(duì)比分析

傳統(tǒng)的配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)出現(xiàn)終端故障掉線后，需要工作人員抵達(dá)設(shè)備現(xiàn)場，通過觀察設(shè)備運(yùn)行指示燈、光功率計(jì)以及OTDR測試儀等手段進(jìn)行掉線原因測試。其中，分析故障原因和進(jìn)行預(yù)處理導(dǎo)致缺陷的恢復(fù)時(shí)間較長。而采用光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信線路，可在第一時(shí)間精準(zhǔn)定位光纜故障和缺陷位置，減少中間的冗余環(huán)節(jié)，有效縮短了缺陷修復(fù)的時(shí)間。根據(jù)光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行3個(gè)月的結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，光纜故障平均恢復(fù)時(shí)間縮短了近3 h。

4 結(jié) 論

光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光纜資源智能化的運(yùn)維，是物理世界和虛擬世界連接的橋梁。它通過在線光纜或通信網(wǎng)絡(luò)資源的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測，對(duì)故障搶修和巡檢提供輔助決策，并可提供科學(xué)、合理的光纜智能運(yùn)維方案和可行性較強(qiáng)的光纜應(yīng)急搶修及巡檢方案，為光纜資源的精益化運(yùn)維管理奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)也存在缺點(diǎn)和不足。一是該系統(tǒng)目前未與電力GIS等系統(tǒng)進(jìn)行融合，不能使不可見的光纜網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化。二是該系統(tǒng)未與現(xiàn)有EPON專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行融合和數(shù)據(jù)共享，不能達(dá)到告警自動(dòng)分析和自動(dòng)派單。隨著理論研究和應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步，光纖在線監(jiān)測在配電自動(dòng)化通信光纜資源管理中將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。