电力通信系统中的光纤全交换方案

吴 笑，章立伟，李建刚

（国家电网宁波供电公司，宁波，315000）

0 引言

在电力通信系统中，变电站、发电厂等场所可以看成子站，各个子站之间的控制通过电力通信系统来协调完成。为了提高电力通信系统的数据传输能力和速度，子站之间以及子站和中心站之间大都采用光缆进行连接。

为了方便子站之间建立新的数据链路，或者改变已有数据链路的连接形式，这就要求我们将光纤全交换设备安装在每个通信子站中。在在目前的日常检修工作中，往往要求检修人员至通信站点现场,根据需求对光纤网络中的全交换设备进行跳纤操作。检修工作往往耗费大量的时间和人力。

传统的自动光交换技术采用光开关原理的单元模块构成。光开关采用的主要技术有微机械(MEMS)光开关、热光开关、液晶光开关、声光开关、喷墨气泡光开关、全息光开关、液体光栅开关等。这里我们介绍一种定向耦合型波导光开关。光开关的两侧分别接入若干根光纤，一侧为输入、一侧为输出，图1所示为4x4结构的光开关。此设备中，我们定义P11为4x4分布的耦合的光开关区域，P12为左侧输入光纤，分别为P121、P122、P123、P124，同样定义输出光纤为P131-P134。在光信号的传输过程中，通过控制每个光开关的电压来改变光纤传播的路径，达到输入输出光纤之间任意的交换。例如，分别控制P11a、P11f、P11k、P11p使得光开关全部选择往下的路径（如P11a为P11a2），可控制光信号沿着箭头方向传播，实现输入P121与输出P134之间的光信号交换。

但是此种结构的光交换设备也存在着几个严重的问题：1、当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。依据功率预算设计网络时，光开关及其级联对网络性能的影响很大。损耗和干扰将影响到功率预算。光开关的矩阵数量大小决定了光纤交换的容量，光纤交换容量增加时，同时增大了矩阵的体积，也增加了通过的光波导耦合开关数量，会在每条光信号通道上增加一定的衰耗。这种设备的结构决定了光交换容量受到了严格的限制。2、此种结构无法做到真正意义上的全交换，也就是无法实现两个输入光纤或者两个输出光纤芯信号的交换。

图1 4x4的定向耦合型波导光开关式交换设备

目前虽然有“智能光网络”的概念，但是其所谓实现的智能化交换是将光信号转换成电信号后，在电路中实现电信号的智能交换，所以传统的智能光网络中在光缆交换环节至今没有实现智能化，仍需要人工跳纤操作。光缆切换的非智能化成为了智能光缆交换网络的瓶颈。另外，现在也有通过网状结构的网络拓扑实现智能光网络的方案，在每个设备上，针对该设备连接的每个其他设备都需要设置一块单独的“光板”，而光板的价格非常昂贵，使得整个系统的成本极高。

1 正文

针对传统的电力通信系统中的子站中的光纤全交换的诸多问题，本文提出了一种新型的光纤全交换设备，该设备安装到每个子站中。

1.1 光纤全交换设备的实现原理

图2 光纤全交换设备的实现原理图

图2为本文中为每个子站安装的光纤全交换设备的实现原理图。该设备主要包括一交换板1，该交换板1上形成多个交换孔11，交换孔成矩形阵列排布。每一行的交换孔对应一条外部光纤，每一列交换孔都有一条绳路光纤负责链接。外部线路光纤接入一个光纤连接头3中，每行交换孔都由一根活动光纤连接器负责，另一端与输入光纤的光纤连接头相连接。设备由以上几个基本部件组成。

光纤全交换设备由两个活动部分组成：交换板正面每列纵向的交换孔由一根绳路光纤负责链接，且只能链接此行上的交换孔，它可实现此列纵向上任意两个交换孔的光信号连通；交换板背面的每行横线的光纤交换孔由一个活动光纤连接器负责，另一端固定链接外部光纤，此设备负责将外部光纤连接至此行任意交换孔内。

我们以图2的8芯全交换设备为例，8芯全交换设备，至多只有4条通道，4进4出。因此我们需要一个8 x 4阵列的交换孔矩阵板。将外部光纤芯标记为A01至A08。假设我们需要将外部光纤A05和A02之间开通一条光通道。该装置需要依次查找4条绳路的光纤链路是否已被占用，处于保护运行状态。查找出一条未被使用的光绳路，如图2的第一列光绳路未被占用。将光绳路的两端按需链接至指定光交换孔内，既两条需交换的光纤行位置（11g和11h），然后将相应行的活动光链接器接入该列所在光交换孔（11g和11h）。最后将此条绳路和相应的外部光纤置状态为占用。这样就完成了外部光纤A02与A05的光通道交换。

由上文可知，需要将指定的两条外部光纤进行光交换时，要查找所对应的光交换孔，而查找到这对光交换孔需要满足以下几个条件：1、满足该对交换孔在两条指定光纤所在的行上。2、两个光交换孔在一条空闲绳路所处的列上。

而交换孔的矩阵大小由需要接入的最大外部光纤数量决定：

矩阵大小N×M（行×列）

N=需要接入的光纤芯数

M=int[(N+1)/2]M为最大光连接数

图3 光纤全交换设备的具体结构图

1.2 光纤全交换设备的具体结构

图3示例性地示出了安装在子站中的光纤全交换设备的具体结构。同样为一个8芯全交换设备,外部纤芯标记为A01至A08。每条外部线路光纤接入一个光纤连接头，然后通过一个活动光纤链接器连至交换孔处（32和35）。设备通过这种方式实现每行交换孔对应一条相应的外部线路光纤。设备内部驱动装置由第一驱动装置和第二驱动装置组成：1、将外部线路光纤链接器连接至指定光交换孔，并将之插入光交换孔的为第一驱动装置。2、第二驱动装置安装于光交换板的背面，主要作用于将绳路光纤链接器精确的移动至预订的交换孔处，并将之插入光交换孔的背面，使两端的光纤通道连通。

第一驱动装置由以下几部分构成：

用于插拔光纤外部连通装置的第一移动装置（51）。

驱动电机（52）、第二驱动电机（53）用于控制该光纤外部连通装置横向在几个交换孔上移动。

第一丝杆（54）和第二丝杆（55）为导向作用。

工作具体步骤如下：第一驱动电机（52）工作可以让第二驱动电机（53）沿着第一丝杆（54）移动（即在交换板行所在的方向横向上移动）；第二驱动电机（53）工作可以让第一移动装置电机（51）沿着第二丝杆（55）移动（即在交换板列所在的方向上纵向移动）。

第二驱动装置和第一驱动装置的工作原理和机构基本相同也是采用同样的装置对绳路设备的两端连接装置进行依次操作。

综上可以得出：子站中的全交换设备在接收到交换指令后，可以执行如下指令自动完成跳纤操作：

首先查找指定交换孔，在决定了进行交换的两条外部纤芯后，查找空闲光绳路所在的列。找到了不再占用状态的光绳路后，就决定了需要光交换孔的行和列。

第一驱动器工作，将两个线路光纤链接器移动到第一步所查找出的交换孔处，并将此线路光纤链接器插入至交换孔内。

第二驱动器工作，驱动光绳路的两端光纤链接器至第一步查找出的光交换孔，随后从另一侧插入光绳路两端的光纤链接器至相应的光交换孔内。

这样就把两条外部线路光纤用此设备连接成一个光通道路由。重复以上三步过程，完成所有外部光纤的连接交换，就可以实现纤芯的全交换功能。

2 结论

本文提出的光纤全交换设备结构完全避免了原来有光开关设备组成的光纤交换设备产生的两个缺点：1、不需要区分输入输出光纤，任意外部线路光纤之间都可采用本文提出的设备结构完成光纤芯交换。2、本文提供的光纤全交换设备在实现全交换的过程中，没有随交换数量增加而增加额外的衰耗，解决了容量限制问题（每一条光纤通道只经过两个交换孔）。综上所述相对于传统的光开关构成的交换设备，本发明实施例中光信号的衰减较小，并且与网络接入的规模无关。

[1]陈希明; 梁斌全光网络中的光开关技术及应用.重庆邮电大学学报2007年06期

[2]舒桂荣;全光网络系统中的光开关.中国科技信息2008年06期