自動光纜成端及故障自愈系統在配電網通信中的應用研究

　　摘 要：為了解決電力通信系統中配電網變電站光纖調配及故障恢復的應用需求，提出了一種自動光纜成端及故障自愈系統。首先分析了系統包含的自動光纜成端單元和OTDR單元的原理和研究現狀，重點對比了光纖自動對接的三種技術方案。進一步提出在配電網系統中可以采用基于機械手技術的光纖自動對接方案，并分析了系統的設計方案和軟件功能。通過對方案的關鍵技術和結構設計進行研究，證明該方案能夠實現288端口自動成端，介入損耗低于0.5dB，具有一定的實際應用價值。

　　關鍵詞：自動光纜成端;光時域反射;機械手

　　《電線電纜》(雙月刊)創刊于1958年，由上海電纜研究所主辦。本刊是線纜行業主要的學術性刊物，供電線電纜科研、設計、制造及使用部門的廣大科技人員及大專院校師生學術交流與參考。

　　引言

　　一個龐大的電力光纖通信網絡鏈路支撐著整個電網的安全穩定運行和智能應用。然而，日益重要的電力通信光纖卻需要不斷面對頻繁的市政施工突發的外力破壞和自身的老化衰退，這給電網的安全生產和經營管理帶來了嚴重威脅。因此，如何提高光纖通道的可用率、提升光纖網絡的自愈性以保證電網業務的不間斷傳輸，成為電力通信部門亟需思考和解決的問題。自動光纜成端及故障自愈系統是解決這一問題最直接的方案[1]，這是因為：

　　(1)網絡生存能力的衡量包括網絡流量監控、最長恢復時間、網絡冗余度等關鍵指標，光傳輸設備不能提供網絡所需的全部保護功能。

　　(2)光路由冗余備份能對目前絕大多數網絡提供無縫的保護機制。

　　(3)光纜的保護與恢復相對客戶層的保護可節約投資，是一種低成本的網絡結構升級。

　　(4)光纜冗余纖芯數量龐大，可利用進行快速業務調配。

　　(5)光端口的長期性能監控實現提前預警風險，防止出現故障。

　　自動光纜成端及故障自愈系統包括端口自動對接技術和故障自愈技術。故障自愈技術主要包括OTDR及軟件控制技術。下文對系統涉及的關鍵技術進行研究分析。

　　1 光纜自動成端技術

　　目前，業界在光纜自動成端技術上有三種方案：機械式光馬達技術，MEMS光開關技術和機械手技術。

　　機械式光馬達技術采用小型電機進行光路倒換，是行業內目前主要商用的技術。集成度低，插損大，一般大于1.2dB，成端精度控制差，使用壽命一般不超過10年，目前多用在長途傳輸系統光保護設備中，僅用于主備路由1+1保護，通道調度能力有限[2]。

　　MEMS光開關由微鏡片陣列組成，通過移動或改變鏡片角度，把輸入光路直接折射或反射到不同輸出端口實現光交換。MEMS光開關，其實質是利用微機械開關的原理，并吸收波導開關的優點將陣列集成在單片硅基底上，兼有機械光開關和波導光開關的優點，同時克服了它們所固有的缺點[3]。MEMS光開關響應速度快、可靠性高、偏振和波長相關損耗非常低、對不同環境的適應能力良好、功率和控制電壓較低并具有閉鎖功能。可將任意輸入反射鏡/光纖與任意輸出反射鏡/光纖交叉連接，是一種全交叉技術。但其第一個缺點是不抗震動，掉電僅具有缺省連接，在停電情況下，只能在有限時間內保持缺省連接。第二個缺點是插損大于2dB，成對使用時對調度業務引入4dB插損;第三個缺點是成本高昂。因此，該技術在實際應用中有無法避免的缺陷，目前少量用于數據中心機房。

　　機械手技術是采用機械手對傳統的ODF架上的光端口進行調度，完成光纖端面物理接觸及閉合。該技術結合了前兩種技術的優點，集成度高，精度控制依賴于精準控制的電機系統，使用壽命長達50年，插損最小0.3dB，單通道平均成本最低，是目前最適合傳輸網絡的光纖調度技術。表1是三種技術的詳細指標對比[4]。

　　2 OTDR技術

　　光纜監測技術，即光時域反射儀(optical time domain reflectormeter，OTDR)發出的脈沖光進入光纖中，通過接收返回的瑞利散射光和菲涅爾反射光探測光纖衰耗及光纖末端。圖1是OTDR的結構圖，半導體激光器(semiconductor laser，LD)作為恒定光源，經脈沖發生器調制后形成脈沖光，脈沖光在時鐘單元控制下按固定時序發射入待測光纖。雪崩光電二極管(avalanche photo diode，APD)接收返回的瑞利散射光和菲涅爾反射光信號，檢測光信號水平并執行光電轉換將電信號輸入信號處理單元。信號處理單元一方面需要產生固有時鐘信號，另一方面需要量化電信號并繪制出測試曲線。

　　衡量OTDR測試水平的主要指標是動態范圍和線性度。動態范圍決定OTDR可測試的最大線路長度，線性度決定OTDR測量光纖單位衰耗的準確度。動態范圍表示后向散射起始點與噪聲峰值點間的功率損耗比，如果OTDR的動態范圍較小，而待測光纖具有較高的損耗，則光纖末端會湮沒在噪聲中。動態范圍與LD發出的最大光功率與APD可探測到的最小光功率值的差值成正比，線性度與脈沖發生器的調制精度和A/D轉換的精度成正比[5]。

　　3 基于機械手的光纖自動對接系統

　　本文提出一種基于機械手的光纖自動對接方案，光路結構如圖2所示。

　　系統的光路單元包括輸出單元盤，輸入單元盤，冗余纖芯盤;光路控制單元包括控制盤，控制軸，滑動軌道。傳統的ODF架采用二維平面設計，系統采用三位圓柱形設計，將連接頭放置面積由2rh增加到2πrh，滾軸設計方便控制盤滑動到所有成端位置。以下具體介紹各單元功能。

　　輸入單元盤：單個圓盤可配置多個輸入口，所有輸入連接器在圓盤圓周等分分布;圓盤中空，沿圓周可任意角度轉動;外殼輸入與內部輸入的連接纖從中空的控制軸穿出，連接到每層圓盤的連接器一邊中，另一邊等待與內部輸出圓盤跳纖連接。

　　輸出單元盤：半徑大于輸入盤;圓周上等分分布光連接器，每個連接器一邊接入跳纖，與對外輸出口連接;另一邊接入跳纖，等待與對內輸入口連接，空閑狀態的跳纖放置在冗余光纖盤中。

　　冗余光纖盤：輸出盤空余光纖連接頭放置在冗余光纖盤;轉輪轉動控制光纖長度，防止內部纖纏繞混亂，控制器控制冗余光纖盤轉輪運動，半徑與輸出盤相同。

　　控制盤和軌道：控制盤沿控制軸和軌道上下移動，到達定點成端位置;控制盤上的機器人單元轉動輸入盤并抓取輸出盤光纖。

　　機械手單元：位于控制盤上，電機驅動滑輪轉動輸入盤使之移動某個角度，機械手臂和抓取鉗協同完成輸出光纖連接頭抓取[6]。圖像傳感器通過圖像識別技術找到當前待連接的光連接頭eID，抓取鉗將輸入輸出光路進行對接。

　　整個系統工作流程如圖3所示。

　　系統的角步進<0.36°，線位移<0.1mm，由于精確的步進控制，系統的介入損耗低于0.5dB，遠高于人手插拔精度，延長光纖端面壽命。

　　系統的電路單元主要為機械手，有四個機械自由度：升降、旋轉、直移、擺動，五個電機控制點：升降-旋轉-平移-抓取-對接-推進-歸位，形成閉環反饋作業流程。機械手上集成了CCD單元，通過視覺識別像素分布的亮度和連接端面的顏色定位連接位置，摒棄傳統ODF易壞易失效的電子ID方案。

　　整個結構設計自然適應光纖圓弧形布放規則，對光纖無任何彎曲損耗，光纖通路無交叉纏繞。立體圓盤式光連接器布放單元，密度為每5mm12個連接頭?？蓪崿F最大288個端口成端。由于機械手沿固定環狀軌跡轉動，運動路徑清晰，計算簡單，系統可以做到零出錯率，從接收到成端指令到機器人實現單口成端，最短成端時間30s，最大成端時間控制在150s內。

　　為組建一個無阻斷、可靠安全、智能靈活、容災能力強的業務調度網絡，實現故障自愈功能，系統的控制軟件需能同時對多個不同地點的成端系統進行操作并可工作在三種狀態。

　　日常巡檢狀態：對中心機房通信端口進行電子化管理，實時可用度監控，并將備用光纖接入故障預警恢復系統，進行路由冗余度初始設計。系統實時監控所有關聯端口可達路由性能。

　　故障預警狀態：當系統可達路由出現性能劣化時，計算系統生存率并提示風險預警。

　　故障自愈狀態：在主業務路由出現阻斷時，系統根據OTDR測量的鏈路衰耗值，計算最佳推薦路由并調度端口倒換，確保通信網的故障在分鐘級完成恢復。

　　為了實現軟件控制功能，需對通信端口閉合接觸及監控技術、故障恢復算法進行整合研究，開發出具有良好的人機交互界面，具備低插損、高集成度和長監控范圍的全智能系統，從而達到對光通道遠程遙控成端及光纖線路衰耗的實時檢測等功能。端口性能監控及實時故障預警恢復系統是為了滿足現代通信網絡日益增長的光纜路由調度、光纖性能監測、業務暢通保障、智能維護需求而推出的新系統，該系統可實現多種靈活的工作方式，也可根據要求由網管操作實現特定的路由倒換。

　　系統可用于多光路通道信號監控、光路保護、光纖路由調度，具有低功耗、長期監測穩定、實時告警快捷等特點，支持遠程網絡和本地管理。

　　4 結束語

　　本文簡介了配電網通信中存在的光纖調度需求，提出了一種自動光纜成端及故障自愈系統。通過對比分析多種自動光纜成端技術在實際應用中存在的瓶頸，提出一種基于機械手調度的系統方案，并詳細介紹了系統的設計原理、工作流程和軟件功能，證明該方案具有一定的實際應用價值。

　　參考文獻：

　　[1]梁芝賢，王劍，谷明英.智能配用電網通信技術應用研究[J].電力系統通信，2012，33(233)：75-79.

　　[2]馬欣欣，林克全.自動化運維平臺建設簡析[J].電子世界，2019，8(96)：79-80.

　　[3]劉健，趙樹仁，張小慶，等.配電網故障處理關鍵技術[J].電力系統自動化，2010，34(24)：87-93.

　　[4]林祺蓉，王俏俏，林祺蔚，等.基于狀態量比較法的配電網自愈控制技術研究[J].電子設計工程，2017，25(11)：126-128，132.

　　[5]董澤寅，劉宏江，何玉龍，等.一種配電自動化終端單元離線故障自愈方法[J].電力系統及其自動化學報，2017，29(11)：129-132.

　　[6]高金吉.人工自愈與機器自愈調控系統[J].機械工程學報，2018，54(8)：83-94.