雙模式可切換小型分光器技術研究

袁瑞輝，王 晴，盧泳茵

（廣東電網有限責任公司 中山供電局，廣東 中山 528400）

0 引 言

近年來，隨著智能電網的快速發展，南方電網開始大力開展智能變電站建設[1]。智能變電站具有回路高度集成化的特點，每臺保護裝置只需使用兩條光纖就能獲取其所需的所有數據。對于智能變電站，尤其是SV與GOOSE共網的智能變電站，光回路需交互的數據量龐大，在運維過程中極易發生數據異常的情況[2]。過程層網絡發生數據異常時可能導致保護閉鎖，若此時電力系統發生故障，將會造成繼電保護裝置拒動，甚至可能造成電力生產安全二級甚至一級事故。

1 現有技術的缺陷和不足

大部分智能變電站都配備智能錄波器（網絡分析儀）對過程層數據進行監視，但由于智能錄波器連接在過程層中心交換機上，因此僅能判斷過程層網絡出現異常,而無法判斷數據異常情況的來源。智能變電站過程層交換機相連的光纖數量眾多，給現場檢修人員故障排查帶來了較大的困難。為查找數據異常情況發生的具體位置，目前常用的方案是在交換機前側加裝臨時分光器，分出一條光路接入智能錄波器（網絡分析儀），從而定位故障。但該方案也存在以下缺陷：

（1）加裝臨時分光器時需要進行光纖插拔，由于光纖數量眾多，因此存在誤拔插的風險。此外，加裝臨時分光器會使光回路發生變動，如果在加裝過程中檢修人員操作不當，如光纖接口未插緊或者光纖轉彎半徑過小，將導致回路光衰增加，從而無法準確找出真實故障點。而光纖的多次插拔也會減少光纖的使用壽命，插拔次數越多，對光纖的功能損傷越大。

（2）傳統分光器在使用過程中持續分光，長期使用會導致光纖回路衰耗嚴重，繼而使后端設備接收到的數據出現誤碼甚至收不到數據等情況。

（3）常規分光器的體積較大，加裝至交換機時往往占用其光口橫面1/3以上的位置，甚至遮蓋了部分備用光纖端口。此外，加裝后交換機散熱困難，十分不利于運行維護。

基于上述問題，本文提出一種雙模式可切換小型分光器。其體積為傳統分光器的1/2，可有效避免遮蓋備用光纖端口，且方便安裝。雙模式可切換小型分光器具備單光路與雙光路兩種工作模式。加裝一個具有手動切換功能的光隔離器，當不需要使用分光功能監測故障時，將光隔離器調至單光路傳輸模式，此時分光器不進行分光，數據按原始路徑進行單光路傳輸，同時減少光功率損耗。當檢修人員需要用到分光功能進行故障排查時，將光隔離器調至雙光路傳輸模式，分光器對光路進行分光，實現過程層交換機及交換機前側裝置數據實時采集，即雙光路并行傳輸，對過程層網絡進行實時監控和數據異常定位。

2 裝置硬件結構

本文提出的分光器主要由分光式波分復用器與光隔離器兩部分構成，裝置原理如圖1所示。

圖1 分光器原理圖

2.1 分光式波分復用器產品光學原理

波分復用是將兩種或多種不同波長的光信號經復用器匯合在一根光纖上傳輸或將匯合的各種光波經解復用器進行分離的技術。在光纖數據傳輸中，可以運用波分復用的方法來提高光纖的傳輸容量，在接收端采用解復用器（等效于光帶通濾波器）將各信號光載波分開[3]。硬件上達到上述要求的解決方案有很多種，本文通過特殊工藝生產的定制Filter將信號端的光功率拆分成75%的光功率和25%光功率，分別通過2根光纖獨立傳播。

2.2 光隔離器產品光學原理

光隔離器又稱光單向器，是一種只允許光向一個方向通過而阻止向相反方向通過的無源器件，其工作原理是基于法拉第旋轉的非互易性[4]。其作用是對光信號傳輸方向進行限制，使光信號只能單向傳輸。在光纖通信系統中，有許多原因造成光的反向傳輸[5]。這些反向傳輸光令系統產生附加噪聲，使系統的性能劣化，甚至會引起信號源的劇烈波動，這需要光隔離器來消除[6]。

3 裝置傳輸原理

分光器光路徑如圖2所示。

圖2 分光器光路徑

常規工作狀態下，光路數據傳輸模式為單路傳輸。設備發出的工作光源從端口A輸入準直器，經過分光式波分復用器以后，75%的光功率從端口B射出，接入變電站的設備當中，其余25%的光功率經過出射準直器后進入光隔離器設備的自聚焦透鏡射出準直器光束。此時，光束經過45°法拉第旋轉器后，改變第二個楔形雙折射晶體P2的光軸，使其與第一個楔形雙折射晶體P1分開一個較大的夾角，光源被透鏡偏折，不能耦合到光纖纖芯，從而實現光隔離的目的，實現光路A→B單向光路[7]。

在異常工作狀態下，設備發出的工作光源從端口A輸入準直器，經過以后，75%的光功率反射出去，從端口B射出，接入變電站的設備當中，其余25%的光功率經過出射準直器后，進入光隔離器設備的自聚焦透鏡射出的準直器光束[8]。此時，光束經過45°法拉第旋轉器后，改變第二個楔形雙折射晶體P2的光軸，使其與第一個楔形雙折射晶體P1正好呈45°夾角，從而光源折射到一起，合成兩束間距極小的平行光，并被透鏡耦合到光纖里，最終由端口C接收，從而實現光路A→B、A→C兩者并行光路。

4 優點介紹

（1）傳輸模式手動切換。通過切換光隔離器，現場檢修人員在需要用到分光功能進行故障檢測時，能夠開啟分光功能，對光路數據進行雙光路并行傳輸；不需要用到分光功能時，能夠關閉分光功能，減少光功率損耗。

（2）體積輕巧，占用空間小。該裝置的體積僅為傳統分光器的1/2，有效避免了加裝至交換機時遮蓋備用光纖端口這一缺陷，保證了各層交換機能夠正常使用。

（3）可插拔式結構設計，提升運維檢修效率。該裝置整體為可插拔式結構設計，便于安裝、拆除及清潔，大大提升了運維檢修工作效率。

（4）插入損耗低，可靠性與穩定性較高。傳統分光器的光功率損耗通常在3.5～4 dB，該裝置主回路的光功率損耗僅為1.2 dB，不及傳統分光器的1/3，保障了裝置的可靠性與穩定性[9]。

（5）統一裝置規格，保障消缺及時。該裝置統一了分光器的規格，只需準備一種分光器即可滿足備品需求，消缺時無需到站再次核實故障分光器的規格，確保可及時消缺[10]。

5 結 論

雙模式可切換小型分光器體積輕巧、安裝便捷，可通過手動切換光隔離器選擇單光路或雙光路傳輸模式，有效解決傳統分光器功能單一、在使用過程中長期分光導致其光衰嚴重等問題。通過雙模式可切換小型分光器的應用，現場檢修人員不需要通過插拔光纖的方式來臨時加裝分光器，直接在設備投運使用前加裝該種雙模式可切換小型分光器。正常運行時選擇單光路傳輸模式，需要排查故障時選擇雙光路傳輸模式，

有效規避誤拔插光纖、光纖安裝不良等問題，大大減少了光纖端口的功率損耗。通過本項目研制的雙模式可切換小型分光器，現場工作人員可快速監測并定位故障，保證了設備與電網的安全穩定運行，具有較大的市場推廣價值。