超長(zhǎng)程光纜調(diào)度與監(jiān)測(cè)研究

周文婷，王 鑫，張海波，胡紅艷，艾克熱木

(國網(wǎng)新疆電力有限公司信息通信公司，烏魯木齊 830002)

0 引 言

隨著光纖網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中越來越廣泛的運(yùn)用，無論是主干光網(wǎng)絡(luò)還是電力配網(wǎng)中的無源光網(wǎng)絡(luò) (Passive Optical Network，PON)，日益增加的用戶終端數(shù)量使得運(yùn)維部門在光纖維護(hù)和故障排查方面面臨的壓力日益增加[1]。此外，在新疆和內(nèi)蒙等地域遼闊的地區(qū)，超長(zhǎng)程光纜廣泛使用。光纜在敷設(shè)過程中，經(jīng)常要越過沙漠和山區(qū)等險(xiǎn)峻偏僻的無人地區(qū)，這些地區(qū)缺乏正常的交通條件，建立和運(yùn)維中繼站的成本很高。因此，復(fù)雜的超長(zhǎng)程路途環(huán)境對(duì)光通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的不利影響愈發(fā)凸顯。需要研發(fā)一種有效的超長(zhǎng)程光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，革新超長(zhǎng)程光通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)模式。

本文涉及光纖自動(dòng)交換技術(shù)和拉曼放大技術(shù)，模擬新疆電力公司750 kV伊犁-庫車375 km超長(zhǎng)距光纜路由環(huán)境，包括400 km超長(zhǎng)光路主備光纖調(diào)度切換和光纜性能監(jiān)測(cè)的測(cè)試研究工作，為超長(zhǎng)程光纜智能運(yùn)維系統(tǒng)的搭建奠定基礎(chǔ)。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 光纖自動(dòng)交換技術(shù)

傳統(tǒng)電力光網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)方式處在原始的人工模式下，一般需要檢修人員奔赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試及跳纖等操作。針對(duì)光纖檢測(cè)最普遍也是最接近原始的方法就是采用手持光時(shí)域反射儀(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行逐段排查，該方法固然最終會(huì)檢測(cè)出光纖的故障點(diǎn)所在位置，但整個(gè)排查過程耗時(shí)耗力，對(duì)同一光纖上正常工作的設(shè)備也會(huì)造成斷網(wǎng)的影響。隨著電力光網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和可靠性要求的提升，傳統(tǒng)模式受制于地理位置分散、人工操作低效和資源采集工作繁重等諸多因素，無法滿足電力光網(wǎng)的發(fā)展要求[2]。因此需要一種光纖自動(dòng)交換技術(shù)，以解決人工到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維的難題。

光纖自動(dòng)交換領(lǐng)域處于起步階段，解決方式主要有微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技術(shù)、壓電光束導(dǎo)向技術(shù)和物理耦合技術(shù)3種類型[3]。MEMS技術(shù)是通過微細(xì)加工技術(shù)在硅片上制作可移動(dòng)的微型鏡片，通過靜電力等驅(qū)動(dòng)鏡片旋轉(zhuǎn)來改變射入光信號(hào)的傳播方向[4]。由于對(duì)微鏡轉(zhuǎn)角精度要求高，所以對(duì)控制和驅(qū)動(dòng)電路精度要求更嚴(yán)格。此外，在接入光纖數(shù)量較大時(shí)，光信號(hào)必須經(jīng)過數(shù)目較多的光波導(dǎo)耦合區(qū)域，從而使得信號(hào)衰耗嚴(yán)重[5]。通常當(dāng)接入容量超過8芯時(shí)，交換衰耗已無法滿足使用要求。壓電光束導(dǎo)向技術(shù)是通過壓電陶瓷等驅(qū)動(dòng)材料的形變控制射入光纖準(zhǔn)直器與射出光纖準(zhǔn)直器方向保持一致，從而實(shí)現(xiàn)輸入光纖與輸出光纖的導(dǎo)通[6]。因?yàn)椴恍枰?jīng)過其他組件，所以插入損耗等性能指標(biāo)優(yōu)異。但由于涉及光學(xué)器件的微控制，受失電穩(wěn)定性、設(shè)備復(fù)雜度、環(huán)境要求和交換成本等方面的限制，尚無大規(guī)模應(yīng)用案例[7]。物理耦合技術(shù)是利用驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂替代人手夾持對(duì)接的輸入與輸出尾纖，在對(duì)接板上的對(duì)接孔內(nèi)進(jìn)行物理耦合，如圖1所示[8]。由于單次光纖交換的對(duì)接數(shù)恒定，所以衰耗穩(wěn)定且滿足要求。從光信號(hào)的傳輸機(jī)理上講，物理耦合技術(shù)的性能指標(biāo)優(yōu)于其他技術(shù)，本文研究中將其作為光纖自動(dòng)交換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)手段[9]。

圖1 物理耦合光纖自動(dòng)交換

1.2 光功率放大技術(shù)

在超長(zhǎng)距的光傳輸中，不可避免地存在光纖信號(hào)功率的損失和衰減。應(yīng)用光纖放大器補(bǔ)償光纖損耗是超長(zhǎng)距光傳輸技術(shù)的研究熱點(diǎn)[10]。

目前常用的光放大器有摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)、拉曼光纖放大器(Raman Fiber Amplifier，RFA)以及參量放大器(Optical Parametric Amplifier，OPA)等[11]。EDFA的自發(fā)輻射噪聲會(huì)累計(jì)，使用EDFA的傳輸系統(tǒng)噪聲功率過大導(dǎo)致信噪比不足，會(huì)影響光信號(hào)的傳輸。此外，EDFA的工作波長(zhǎng)為1 550 nm，只能放大特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，使用范圍受限。OPA具有噪聲系數(shù)低的特點(diǎn)，但目前還處在研發(fā)階段，技術(shù)還不夠成熟。RFA是利用強(qiáng)激光在光纖中傳輸時(shí)的受激拉曼散射效應(yīng)來工作，可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)在一根光纖中同時(shí)放大，極大增加了光纖的傳輸容量和傳輸距離，所以本文研究中將其作為光功率放大技術(shù)手段[12]。但由于受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)需要強(qiáng)光激發(fā)，RFA功率很強(qiáng)，容易造成燒芯現(xiàn)象，所以如何避免放大時(shí)的燒芯現(xiàn)象也是本文的研究重點(diǎn)[13]。

2 超長(zhǎng)程主備光纖調(diào)度切換測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境

本測(cè)試按照光纖自動(dòng)交換技術(shù)的光功率自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需，模擬新疆電力公司750 kV伊犁-庫車375 km超長(zhǎng)距光纜路由環(huán)境搭建測(cè)試環(huán)境，該站點(diǎn)之間采用低損耗光纜，每公里損耗約0.168 dBm，全程線路損耗在65 dBm以內(nèi)，如圖2所示[14]。

圖2 750 kV伊犁-庫車375 km超長(zhǎng)距光纜路由測(cè)試環(huán)境

采用基于物理耦合技術(shù)的AODF和基于拉曼放大技術(shù)的光放設(shè)備，共同測(cè)試在400 km超長(zhǎng)光路啟用光纖交換矩陣設(shè)備后能否達(dá)到傳輸需求，在400 km纖芯中間加遙泵。各設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)如下：

(1) AODF插入損耗：1.5 dBm；

(2) FECT收光靈敏度：-25～-10 dBm，BA收光靈敏度：-8～4 dBm，前向拉曼放大器(Forward Raman Amplifier,FDRA)收光靈敏度：0～20 dBm，遠(yuǎn)程泵浦單元(Remote Pumping Unit,RPU)泵浦光1.5 W，PA靈敏度：-38～-15 dBm，F(xiàn)ECR收光靈敏度：-25～-10 dBm[15]。

2.2 光路補(bǔ)償測(cè)試

方案1：光板發(fā)光及收光側(cè)安置光切系統(tǒng)(Optical Multiplex System，OMS)及AODF設(shè)備中間連接光放系統(tǒng)；方案2：在FDRA后、RPU前安置OMS及AODF設(shè)備；方案3：將OMS及AODF設(shè)備放置在BA和FDRA之間，使用誤碼檢測(cè)儀測(cè)試驗(yàn)證業(yè)務(wù)。圖3所示為光路補(bǔ)償測(cè)試方案結(jié)構(gòu)圖。

圖3 光路補(bǔ)償測(cè)試方案結(jié)構(gòu)圖

各設(shè)備端口輸入輸出功率測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 光路補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果

上述方案使用AODF矩陣切換設(shè)備內(nèi)部線路5次，均能成功切換，切換后無告警。AODF設(shè)備在光板外側(cè)，光板發(fā)光功率較低，使用專用尾纖和普通尾纖5次切換后無異常，法蘭頭端面正常無損傷。

依據(jù)測(cè)試方案2結(jié)構(gòu),AODF設(shè)備在RFA外側(cè)，先關(guān)閉RFA再切換AODF設(shè)備，法蘭頭端面正常無損傷。不關(guān)閉RFA設(shè)備直接切換5次，有3次將法蘭頭端面損壞。RFA輸出功率很高，如不關(guān)閉RFA泵浦單元光路進(jìn)行切換，會(huì)導(dǎo)致在切換時(shí)損壞法蘭端面，甚至可能發(fā)生反射光返回?fù)p傷RFA設(shè)備器件的狀況，所以測(cè)試線路切換需要先手動(dòng)關(guān)閉RFA才能切換。當(dāng)400 km光路中斷時(shí)，因RPU設(shè)備反向發(fā)光，RGU仍會(huì)收光，同時(shí)向PA發(fā)光，導(dǎo)致OMS仍然有收光，不會(huì)發(fā)出切換備用纖芯指令。若OMS設(shè)備安置在此處進(jìn)行切換，首先需要關(guān)閉RFA泵浦單元。

2.3 光路切換測(cè)試

不啟用RFA和RGU，將OMS及AODF設(shè)備放置在BA和PA之間，分別設(shè)置線路纖芯主用200 km、備用240 km，線路纖芯主用50 km、備用300 km兩種場(chǎng)景，驗(yàn)證業(yè)務(wù)OMS光切系統(tǒng)能否自動(dòng)切換。圖4所示為光路切換測(cè)試方案結(jié)構(gòu)圖。

圖4 光路切換測(cè)試方案結(jié)構(gòu)圖

方案1：采用AODF矩陣設(shè)備手動(dòng)進(jìn)行纖芯倒換，主用切備用纖芯BA及PA告警出現(xiàn)及消失時(shí)間<1 s，待主用纖芯恢復(fù)后，切換時(shí)間50 ms，PA及BA面板無告警。AODF及OMS插損1.5 dBm，對(duì)于整體系統(tǒng)基本無影響。切換5次后對(duì)法蘭端面無影響。

方案2：為了驗(yàn)證OMS系統(tǒng)的光切換部分是否可以在300 km以內(nèi)超長(zhǎng)程光路中當(dāng)主用纖芯中斷或者低于光板收光靈敏度時(shí)自動(dòng)切換至備用纖芯，同時(shí)在主用纖芯故障恢復(fù)后將纖芯從備用模式自動(dòng)切換至主用。

OMS光切監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)光功率10 dBm ，收光靈敏度-50 dBm；測(cè)試波長(zhǎng)為1 550 nm，測(cè)試光為脈沖光。300 km光路主用50 km纖芯；備用采用6盤50 km纖芯對(duì)接，線路損耗共計(jì)57 dBm。根據(jù)需求先拉斷主用纖芯法蘭接頭，OMS自動(dòng)將光路切換至備用纖芯，當(dāng)主用纖芯光路恢復(fù)后，OMS光切系統(tǒng)則自動(dòng)從備用模式切換回主用模式。主用切備用所用時(shí)間為70 ms，備用切主用時(shí)間為50 ms。

2.4 測(cè)試結(jié)論

(1) 結(jié)論

方案1中AODF設(shè)備放置在光板和FECT之間，能夠完成400 km的超長(zhǎng)距離業(yè)務(wù)傳送，因?yàn)锳ODF前端沒有RFA設(shè)備，在進(jìn)行光路切換時(shí)不會(huì)對(duì)法蘭端面造成任何損傷，由于FECT入射光門限為-10～-25 dBm，伊庫線2.5 Gbit/s光板發(fā)光為0，還需在光板發(fā)光口單獨(dú)加入光衰減器才能完成光路傳送，所以AODF的插損并不影響整條線路性能，只是需依據(jù)備用線路增加滿配光放系統(tǒng)，當(dāng)主用線路中斷后將線路切入備用光放系統(tǒng)中。

方案2中AODF系統(tǒng)放置在光放設(shè)備RFA和RPU之間，能夠完成400 km的超長(zhǎng)距離業(yè)務(wù)傳送，該方案不增加光放系統(tǒng)，只需依據(jù)OMS系統(tǒng)在AODF中提前預(yù)置好備用纖芯，但在進(jìn)行切換時(shí)必須聯(lián)動(dòng)先關(guān)閉RFA泵浦光，否則會(huì)損傷所連接的法蘭端面導(dǎo)致業(yè)務(wù)無法恢復(fù)。

方案3中AODF系統(tǒng)放置在BA和RFA及RPU和PA之間，類似于方案1的設(shè)備連接結(jié)構(gòu)，也能夠完成400 km的超長(zhǎng)距離業(yè)務(wù)傳送，該組網(wǎng)方案無需備用線路配置BA和FEC設(shè)備，AODF系統(tǒng)在整體線路上共增加了3 dBm的損耗，因?yàn)锳ODF設(shè)備在RFA前，進(jìn)行線路切換時(shí)也不會(huì)損傷法蘭端面。

(2) 存在問題及解決方案

上述測(cè)試方案1～3在測(cè)試時(shí)均遇到OMS備用纖芯通道在進(jìn)行握手通信時(shí)因RGU阻隔導(dǎo)致無法通信只能手動(dòng)切換的問題，計(jì)劃在OMS系統(tǒng)光纖芯備用通道上專門加入1 480 nm測(cè)試波長(zhǎng)穿透RGU，使備用通道可以建立握手通信，從而在主用通道纖芯中斷后自動(dòng)切換到備用通道完成保護(hù)工作。

原有測(cè)試方案2因?yàn)镺MS和AODF設(shè)備需要在RFA側(cè)安裝切換設(shè)備，當(dāng)光路故障需要切換時(shí)，需先關(guān)閉RFA泵浦光才能完成切換工作，否則很容易引起光器件損傷，根據(jù)需求和設(shè)備安全需要，計(jì)劃按照方案1模式進(jìn)行下一步測(cè)試研究，按照伊庫線組網(wǎng)模式，當(dāng)線路中斷后，在PA側(cè)測(cè)得收光有變化，此測(cè)試計(jì)劃在PA和RPU之間安裝線路監(jiān)測(cè)模塊，用于監(jiān)測(cè)當(dāng)主用線路故障PA側(cè)收光有變化后，通過OMS系統(tǒng)自動(dòng)切換至備用纖芯。

3 超長(zhǎng)程光纜在線監(jiān)測(cè)測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

本測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，為了模擬新疆電力超長(zhǎng)距離光纜的實(shí)際情況，在實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備了4盤長(zhǎng)距離光纖，均為100 km，每段光纖用活動(dòng)連接頭連接，從而組成全程400 km的光纖鏈路，TX端與RX端都裝有RFA及BA和PA，在距離RX端100 km左右裝有RGU，測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 光纜在線監(jiān)測(cè)方案結(jié)構(gòu)圖

3.2 測(cè)試內(nèi)容

在上述測(cè)試環(huán)境中，主要測(cè)試以下內(nèi)容：(1)通過啟用TX端OTDR，驗(yàn)證OTDR測(cè)試的最大光纖距離；(2)通過啟用RX端OTDR，驗(yàn)證OTDR測(cè)試波長(zhǎng)是否可以穿透RGU；(3)通過將兩個(gè)合波器對(duì)接，組成旁路器，驗(yàn)證旁路器裝置是否可以繞過RGU測(cè)試，測(cè)試RGU以后的光纖；(4)在OTDR測(cè)試的最大光纖距離內(nèi)人為設(shè)置線路斷點(diǎn)，驗(yàn)證線路中出現(xiàn)故障后，是否可以準(zhǔn)確報(bào)障；(5)分別開啟RFA和BA，并將BA輸出功率依次設(shè)置為9、12、14、16和19 dBm，驗(yàn)證開啟BA后，OTDR是否可以正常測(cè)試。

3.3 測(cè)試結(jié)論

測(cè)試內(nèi)容(1)～(4)是在未開啟線路放大器的前提下進(jìn)行，等同于整個(gè)測(cè)試環(huán)境為離線狀態(tài)。由此得出的結(jié)論如下：

(1) OTDR的測(cè)試距離基本滿足前期提出的單端測(cè)試180 km的性能要求。

(2) 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，可通過兩個(gè)合波器達(dá)到旁路器效果，成功繞過線路中間的RGU設(shè)備。

(3) 線路中如果出現(xiàn)故障，OTDR系統(tǒng)也可以成功判斷出故障的位置。

測(cè)試內(nèi)容(5)在開啟了線路放大器的前提下進(jìn)行，真正意義上還原了新疆現(xiàn)網(wǎng)的測(cè)試環(huán)境。打開RFA后，OTDR無法正常測(cè)試；關(guān)閉RFA，只開啟BA，輸出功率為9 dBm時(shí)可正常測(cè)試，輸出功率為12和14 dBm時(shí)，測(cè)試性能下降，輸出功率為16和19 dBm時(shí)，無法正常測(cè)試。在此環(huán)境下得出的結(jié)論如下：

(1) 當(dāng)線路中開啟BA后，OTDR無法正常測(cè)試。大致原因可能是BA放大的信號(hào)功率較強(qiáng)，對(duì)OTDR產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致OTDR無法正常工作。

(2) 解決方案建議，由于此次庫伊線長(zhǎng)度可達(dá)370 km，RFA和RGU都屬于必不可缺的設(shè)備，導(dǎo)致OTDR設(shè)備接入到現(xiàn)網(wǎng)中時(shí)受到放大器的影響而不能正常測(cè)試，所以此次超長(zhǎng)距離光纜隨路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案需要重新調(diào)整。建議將在線監(jiān)測(cè)方案調(diào)整為離線監(jiān)測(cè)與業(yè)務(wù)光纖同一路由的空余光纖，空余光纖與業(yè)務(wù)光纖在同一根光纜內(nèi)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到空余光纖發(fā)生故障時(shí)，業(yè)務(wù)光纖也極可能會(huì)出現(xiàn)故障，從而達(dá)到故障監(jiān)測(cè)目的?；蛘哌x用線路中只有BA和PA的線路，BA功率不高于14 dBm，則不影響OTDR測(cè)試。

4 結(jié)束語

隨著電網(wǎng)建設(shè)的飛速發(fā)展以及電力系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化程度的不斷提升，電力通信網(wǎng)也得到了前所未有的發(fā)展，然而作為通信傳輸?shù)幕A(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)——光纜網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維仍然處于人工檢修模式，特別是在地域遼闊的地區(qū)，超長(zhǎng)程光纜的普遍應(yīng)用導(dǎo)致人工運(yùn)維不及時(shí)的問題愈加突出，因此急需解決超長(zhǎng)程光纜高效運(yùn)維的難題[16]。本文通過對(duì)現(xiàn)有的光交換技術(shù)和光功率放大技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)幾種超長(zhǎng)程光路補(bǔ)償、光路切換[17]和光路在線監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行模擬，進(jìn)而提出了超長(zhǎng)程光纜主備光纖調(diào)度及測(cè)試的有效方案，并通過在新疆地區(qū)的試點(diǎn)應(yīng)用，驗(yàn)證了該方案實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信光路自動(dòng)交換與測(cè)試的有效范圍，為未來超長(zhǎng)程光纜網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維系統(tǒng)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)[18]。