電力系統中MEMS光開關切換路徑優化控制的方法

阮 峻，杜浩滔，朱志俊，孫 豪

(南方電網超高壓輸電公司 昆明局，昆明 650217)

0 引 言

在電力系統中，特別是高壓電力場合，一般常會使用光控晶閘管控制電力電路的工作，光觸發保證了主電路與控制電路之間的絕緣狀態。在目前光控光信號的光纖傳輸線路中，為了保障傳輸光纖的工作狀態，開始越來越多地使用在線光時域反射儀(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)對傳輸光纖進行監控，同時使用微鏡反射型微機電系統(Micro-Electromechanical System，MEMS)光開關控制OTDR在監控光纖和故障備用光纖之間進行切換[1-2]。MEMS光開關通道間的切換一般都是采用直接切換的方式，即采用通道到通道距離最短的直線切換方式[3-4],這種切換方式是存在弊端的，當切換路徑上存在其他通道時，可能會導致通道間的串擾，嚴重情況甚至可能因為光控信號通道內過大的光信號導致OTDR通道的接收模塊產生錯誤或者失效，所以在光通道的切換過程中，應盡量避免切換路徑經過其他通道[5-6]。

目前已有的解決方案是通過MEMS光開關需要切換的通道坐標以及通道夾角和距離計算得到多個hitless非命中點，并遍歷篩選出所需的hitless點，該方法在一定程度上避免了對其他通道的干擾，但缺點在于,當通道環境較為復雜時，采用這種方式計算hitless點耗時長，甚至會出現無法計算出所需hitless點的情況[7-8]。針對這種情況，本文提出了一種電力系統中MEMS光開關切換路徑優化控制的方法。

1 系統結構及工作原理

微鏡反射型MEMS光開關切換路徑的優化控制系統結構如圖1所示。該系統由光源、校準、MEMS光開關、多路光功率計和主控模塊組成。

圖1 微鏡反射型MEMS光開關切換路徑的優化控制系統結構

光源模塊由激光器及其驅動電路構成，驅動電路受主控模塊控制以調整激光器的輸出光波長和光功率，同時驅動電路還需要使激光器的工作溫度和驅動電流保持穩定，從而使光源模塊的輸出光波長和光功率穩定不變，以保證測試結果的穩定和可靠。

校準模塊將未經過MEMS光開關模塊的光信號數據采集后傳輸至主控模塊，用以作為經過MEMS光開關模塊光信號的校準信號。

MEMS光開關模塊可由1×N型或N×N型MEMS光開關及其驅動電路構成，主控模塊通過驅動電路控制MEMS光開關進行通道切換，驅動電路的設計保證其可迅速準確地響應主控模塊的控制命令并對MEMS光開關進行精確地切換路徑控制。

多路光功率計模塊接收MEMS光開關模塊的多路光信號并對其進行精確采樣，將其功率信息快速傳輸至主控模塊以便進行處理。

主控模塊是系統的大腦部位，不僅要控制光源模塊光信號的輸出光波長和光功率，讀取多路光功率計模塊的實時接收數據，還要實時進行數據的處理分析并對MEMS光開關模塊的切換路徑進行控制及優化。

2 MEMS光開關數據分析

微鏡反射型MEMS光開關切換路徑的優化控制系統在優化控制前，首先要對當前MEMS光開關進行數據分析工作。主控模塊在光源模塊的輸出光信號穩定后，將光源模塊的輸出與MEMS光開關的公共端相連，控制MEMS光開關模塊對當前MEMS光開關進行一次完整的精細掃描，根據MEMS光開關結構和通道數的不同，這個過程一般需要持續1～3 min。掃描后即可得到數量與光開關通道數目相同的多幅單路通道光信號功率等高圖。單路功率等高圖描述的是單一通道在MEMS光開關完整遍歷微鏡的有效控制電壓范圍內所有電壓點后接收到的光信號功率強度的分布。圖2所示為微鏡反射型1×16路MEMS光開關16路通道中一路通道的光信號功率等高圖。該圖為在公共端輸入光信號穩定不變的前提下，微鏡在遍歷所有有效電壓點后得到的光信號功率等高圖。由圖可知，圖中有一個呈橢圓形的峰，一般認為該峰的最高值處對應的控制電壓坐標即為此路通道的最優輸出點。

圖2 微鏡反射型1×16路MEMS光開關單路通道光信號功率等高圖

將此1×16路MEMS光開關16路通道的功率等高圖進行合成，每一個點均取16組數據中相應坐標點數據最大值作為最終合成數據，可以得到如圖3所示的微鏡反射型1×16路MEMS光開關光信號合成功率等高圖。該等高圖綜合了各路通道對應控制電壓坐標點的最高值數據，能夠比較直觀地反映MEMS光開關內部各路通道間的性能和狀態，包括各通道間的隔離度和串擾等參數指標。由圖可知，當光開關需要進行通道切換時，如果僅僅是直線切換，那么當所需切換的兩個通道之間有其他通道，或切換路徑經過其他通道隔離度偏小的區域時，在切換過程中就很容易對其他通道造成影響；而如果僅僅通過計算hitless點，計算量不僅大，而且冗余計算多，在左上部通道密集的情況下，甚至可能會出現無法計算的情況。所以在電力系統中，為了防止光控信號在光開關切換時對其他通道造成影響，就必須對光開關的切換路徑進行細致精確地優化控制。

圖3 微鏡反射型1×16路MEMS光開關光信號合成功率等高圖

3 MEMS光開關路徑優化控制

如圖3所示，我們可以較直觀地理解如何通過算法對光開關的切換路徑進行優化控制。對于光開關來說，切換時間是一項重要的指標，而當加入在切換過程中不會對其他通道產生影響這個限制條件后，對于如何平衡切換時間和切換時通道間串擾這兩者的關系，就是光開關切換路徑優化控制的關鍵。切換時間正比于通道切換時切換路徑的長度和通道間的隔離度，反比于通道切換時與其余通道的隔離度。通常情況下，路徑長度與通道隔離度是相互制約的，當限定了路徑長度且要求盡量短時，切換通道時就可能無法沿著通道間隔離度最高的路徑進行切換，而當限定了切換時的通道隔離度且要求隔離度數值盡量大時，路徑長度就無法保證可以沿著兩點間的最短路徑進行切換。圖4所示為忽略一種限制條件時兩種切換路徑的示意圖，隨機選取兩個不相鄰的通道進行切換，黑色路徑為只考慮路徑長度情況時的切換路徑，由于兩點之間直線最短，所以路徑長度最短的情況即為直線連接兩個通道，切換時間為7.3 ms；紅色路徑為只考慮通道隔離度情況時的切換路徑，此時的切換路徑沿著相對于其他所有通道隔離度最高的路徑進行切換，由圖可知，此時的路徑長度明顯長于黑色的路徑長度，切換時間為33.7 ms。

圖4 忽略一種限制條件時的兩種切換路徑示意圖

將通道切換過程中其他各個通道的接收光功率進行疊加得到總的接收光功率值，可以較直觀地分析除需要進行切換的通道以外的其他通道受到切換過程影響的情況。圖5所示為兩種切換路徑情況下其他各個通道的總接收光功率。

圖5(a)所示為路徑長度最短情況下切換路徑時其他各個通道的總接收光功率，由圖可知，由于切換路徑為直線，沒有避開其上的兩個通道，雖然其路徑長度較短，但這兩個通道在切換過程中受到了入射光的影響；圖5(b)所示為通道隔離度最高情況下切換路徑時其他各個通道的總接收光功率，由圖可知，由于切換路徑是沿著通道隔離度最高的路線進行切換，所以在切換過程中對其他通道并沒有任何影響，但其切換的路徑長度相對較長。

圖5 兩種切換路徑情況下其他各個通道的總接收光功率

在中間路徑Pi-1～Pi上的最大功率為maxPi，則切換時間最短的最優路徑為

式中，CT為指定的隔離度。同理，我們也可以得到在指定切換時間下隔離度最高的最優路徑。在上述微鏡反射型1×16路MEMS光開關的實驗中，對通道隔離度進行限定，將通道隔離度的上限限定為50 dB后，在對其他通道隔離度≥50 dB的路徑中選取路徑長度最短的切換路徑，圖6所示為限定一種限制條件時兩種切換路徑的示意圖。如圖6(a)所示，用示波器測得此時的切換時間為17.2 ms，此時的切換時間即為在限定隔離度參數時最優路徑下的切換時間指標。對路徑長度進行限定，將切換時間的上限限定為10 ms后，如圖6(b)所示，切換路徑在保證10 ms切換完成的前提下沿通道隔離度盡量大的路徑進行切換，此時在切換過程中最低的通道隔離度為43 dB，同時也是在限定切換時間參數時的最優路徑下的隔離度指標。

圖6 限定一種限制條件時的兩種切換路徑示意圖

4 結束語

本文提出的電力系統中MEMS光開關切換路徑優化控制的方法，可以在系統對MEMS光開關進行完整掃描后得到其精確的光信號通道功率等高圖，通過該功率等高圖，系統可以很容易對MEMS光開關的切換路徑進行優化控制，可以在平衡控制通道切換時間的前提下使入射光沿相對通道隔離度最高的最佳路徑進行切換控制，同時也可以在保證切換時間的前提下，將MEMS光開關在切換時對其他通道的影響降到最低，并且即使在通道環境非常復雜的情況下也不受影響。