自动光缆成端及故障自愈系统在配电网通信中的应用研究

张佐星 郭莎莎 施冬钢 胡龙舟 张峰

摘  要：为了解决电力通信系统中配电网变电站光纤调配及故障恢复的应用需求，提出了一种自动光缆成端及故障自愈系统。首先分析了系统包含的自动光缆成端单元和OTDR单元的原理和研究现状，重点对比了光纤自动对接的三种技术方案。进一步提出在配电网系统中可以采用基于机械手技术的光纤自动对接方案，并分析了系统的设计方案和软件功能。通过对方案的关键技术和结构设计进行研究，证明该方案能够实现288端口自动成端，介入损耗低于0.5dB，具有一定的实际应用价值。

关键词：自动光缆成端;光时域反射;机械手

中图分类号：TM76         文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）25-0034-03

Abstract： This paper aims at application requirements of optical fiber switch and fault recovery in substation in electric distribution power telecommunication system. At first， technical principal and research status of automatic fiber connection unit and OTDR unit are analyzed， focusing on comparing three technical solutions of automatic fiber connection. Then an automatic fiber connection solution based on manipulator was proposed， which can be used in electric distribution power telecommunication system and analyze the design scheme and software functions. By studying the key technology and structure design of the solution， it is proved that this solution can realize 288 fiber connections， the insertion loss is lower than 0.5 dB and has practical application value.

Keywords： automatic fiber connection; Optical Time Domain Reflectometer （OTDR）; manipulator

引言

一個庞大的电力光纤通信网络链路支撑着整个电网的安全稳定运行和智能应用。然而，日益重要的电力通信光纤却需要不断面对频繁的市政施工突发的外力破坏和自身的老化衰退，这给电网的安全生产和经营管理带来了严重威胁。因此，如何提高光纤通道的可用率、提升光纤网络的自愈性以保证电网业务的不间断传输，成为电力通信部门亟需思考和解决的问题。自动光缆成端及故障自愈系统是解决这一问题最直接的方案[1]，这是因为：

（1）网络生存能力的衡量包括网络流量监控、最长恢复时间、网络冗余度等关键指标，光传输设备不能提供网络所需的全部保护功能。

（2）光路由冗余备份能对目前绝大多数网络提供无缝的保护机制。

（3）光缆的保护与恢复相对客户层的保护可节约投资，是一种低成本的网络结构升级。

（4）光缆冗余纤芯数量庞大，可利用进行快速业务调配。

（5）光端口的长期性能监控实现提前预警风险，防止出现故障。

自动光缆成端及故障自愈系统包括端口自动对接技术和故障自愈技术。故障自愈技术主要包括OTDR及软件控制技术。下文对系统涉及的关键技术进行研究分析。

1 光缆自动成端技术

目前，业界在光缆自动成端技术上有三种方案：机械式光马达技术，MEMS光开关技术和机械手技术。

机械式光马达技术采用小型电机进行光路倒换，是行业内目前主要商用的技术。集成度低，插损大，一般大于1.2dB，成端精度控制差，使用寿命一般不超过10年，目前多用在长途传输系统光保护设备中，仅用于主备路由1+1保护，通道调度能力有限[2]。

MEMS光开关由微镜片阵列组成，通过移动或改变镜片角度，把输入光路直接折射或反射到不同输出端口实现光交换。MEMS光开关，其实质是利用微机械开关的原理，并吸收波导开关的优点将阵列集成在单片硅基底上，兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时克服了它们所固有的缺点[3]。MEMS光开关响应速度快、可靠性高、偏振和波长相关损耗非常低、对不同环境的适应能力良好、功率和控制电压较低并具有闭锁功能。可将任意输入反射镜/光纤与任意输出反射镜/光纤交叉连接，是一种全交叉技术。但其第一个缺点是不抗震动，掉电仅具有缺省连接，在停电情况下，只能在有限时间内保持缺省连接。第二个缺点是插损大于2dB，成对使用时对调度业务引入4dB插损;第三个缺点是成本高昂。因此，该技术在实际应用中有无法避免的缺陷，目前少量用于数据中心机房。

机械手技术是采用机械手对传统的ODF架上的光端口进行调度，完成光纤端面物理接触及闭合。该技术结合了前两种技术的优点，集成度高，精度控制依赖于精准控制的电机系统，使用寿命长达50年，插损最小0.3dB，单通道平均成本最低，是目前最适合传输网络的光纤调度技术。表1是三种技术的详细指标对比[4]。

2 OTDR技术

光缆监测技术，即光时域反射仪（optical time domain reflectormeter，OTDR）发出的脉冲光进入光纤中，通过接收返回的瑞利散射光和菲涅尔反射光探测光纤衰耗及光纤末端。图1是OTDR的结构图，半导体激光器（semiconductor laser，LD）作为恒定光源，经脉冲发生器调制后形成脉冲光，脉冲光在时钟单元控制下按固定时序发射入待测光纤。雪崩光电二极管（avalanche photo diode，APD）接收返回的瑞利散射光和菲涅爾反射光信号，检测光信号水平并执行光电转换将电信号输入信号处理单元。信号处理单元一方面需要产生固有时钟信号，另一方面需要量化电信号并绘制出测试曲线。

衡量OTDR测试水平的主要指标是动态范围和线性度。动态范围决定OTDR可测试的最大线路长度，线性度决定OTDR测量光纤单位衰耗的准确度。动态范围表示后向散射起始点与噪声峰值点间的功率损耗比，如果OTDR的动态范围较小，而待测光纤具有较高的损耗，则光纤末端会湮没在噪声中。动态范围与LD发出的最大光功率与APD可探测到的最小光功率值的差值成正比，线性度与脉冲发生器的调制精度和A/D转换的精度成正比[5]。

3 基于机械手的光纤自动对接系统

本文提出一种基于机械手的光纤自动对接方案，光路结构如图2所示。

系统的光路单元包括输出单元盘，输入单元盘，冗余纤芯盘;光路控制单元包括控制盘，控制轴，滑动轨道。传统的ODF架采用二维平面设计，系统采用三位圆柱形设计，将连接头放置面积由2rh增加到2πrh，滚轴设计方便控制盘滑动到所有成端位置。以下具体介绍各单元功能。

输入单元盘：单个圆盘可配置多个输入口，所有输入连接器在圆盘圆周等分分布;圆盘中空，沿圆周可任意角度转动;外壳输入与内部输入的连接纤从中空的控制轴穿出，连接到每层圆盘的连接器一边中，另一边等待与内部输出圆盘跳纤连接。

输出单元盘：半径大于输入盘;圆周上等分分布光连接器，每个连接器一边接入跳纤，与对外输出口连接;另一边接入跳纤，等待与对内输入口连接，空闲状态的跳纤放置在冗余光纤盘中。

冗余光纤盘：输出盘空余光纤连接头放置在冗余光纤盘;转轮转动控制光纤长度，防止内部纤缠绕混乱，控制器控制冗余光纤盘转轮运动，半径与输出盘相同。

控制盘和轨道：控制盘沿控制轴和轨道上下移动，到达定点成端位置;控制盘上的机器人单元转动输入盘并抓取输出盘光纤。

机械手单元：位于控制盘上，电机驱动滑轮转动输入盘使之移动某个角度，机械手臂和抓取钳协同完成输出光纤连接头抓取[6]。图像传感器通过图像识别技术找到当前待连接的光连接头eID，抓取钳将输入输出光路进行对接。

整个系统工作流程如图3所示。

系统的角步进<0.36°，线位移<0.1mm，由于精确的步进控制，系统的介入损耗低于0.5dB，远高于人手插拔精度，延长光纤端面寿命。

系统的电路单元主要为机械手，有四个机械自由度：升降、旋转、直移、摆动，五个电机控制点：升降-旋转-平移-抓取-对接-推进-归位，形成闭环反馈作业流程。机械手上集成了CCD单元，通过视觉识别像素分布的亮度和连接端面的颜色定位连接位置，摒弃传统ODF易坏易失效的电子ID方案。

整个结构设计自然适应光纤圆弧形布放规则，对光纤无任何弯曲损耗，光纤通路无交叉缠绕。立体圆盘式光连接器布放单元，密度为每5mm12个连接头。可实现最大288个端口成端。由于机械手沿固定环状轨迹转动，运动路径清晰，计算简单，系统可以做到零出错率，从接收到成端指令到机器人实现单口成端，最短成端时间30s，最大成端时间控制在150s内。

为组建一个无阻断、可靠安全、智能灵活、容灾能力强的业务调度网络，实现故障自愈功能，系统的控制软件需能同时对多个不同地点的成端系统进行操作并可工作在三种状态。

日常巡检状态：对中心机房通信端口进行电子化管理，实时可用度监控，并将备用光纤接入故障预警恢复系统，进行路由冗余度初始设计。系统实时监控所有关联端口可达路由性能。

故障预警状态：当系统可达路由出现性能劣化时，计算系统生存率并提示风险预警。

故障自愈状态：在主业务路由出现阻断时，系统根据OTDR测量的链路衰耗值，计算最佳推荐路由并调度端口倒换，确保通信网的故障在分钟级完成恢复。

为了实现软件控制功能，需对通信端口闭合接触及监控技术、故障恢复算法进行整合研究，开发出具有良好的人机交互界面，具备低插损、高集成度和长监控范围的全智能系统，从而达到对光通道远程遥控成端及光纤线路衰耗的实时检测等功能。端口性能监控及实时故障预警恢复系统是为了满足现代通信网络日益增长的光缆路由调度、光纤性能监测、业务畅通保障、智能维护需求而推出的新系统，该系统可实现多种灵活的工作方式，也可根据要求由网管操作实现特定的路由倒换。

系统可用于多光路通道信号监控、光路保护、光纤路由调度，具有低功耗、长期监测稳定、实时告警快捷等特点，支持远程网络和本地管理。

4 结束语

本文简介了配电网通信中存在的光纤调度需求，提出了一种自动光缆成端及故障自愈系统。通过对比分析多种自动光缆成端技术在实际应用中存在的瓶颈，提出一种基于机械手调度的系统方案，并详细介绍了系统的设计原理、工作流程和软件功能，证明该方案具有一定的实际应用价值。

参考文献：

[1]梁芝贤，王剑，谷明英.智能配用电网通信技术应用研究[J].电力系统通信，2012，33（233）：75-79.

[2]马欣欣，林克全.自动化运维平台建设简析[J].电子世界，2019，8（96）：79-80.

[3]刘健，赵树仁，张小庆，等.配电网故障处理关键技术[J].电力系统自动化，2010，34（24）：87-93.

[4]林祺蓉，王俏俏，林祺蔚，等.基于状态量比较法的配电网自愈控制技术研究[J].电子设计工程，2017，25（11）：126-128，132.

[5]董泽寅，刘宏江，何玉龙，等.一种配电自动化终端单元离线故障自愈方法[J].电力系统及其自动化学报，2017，29（11）：129-132.

[6]高金吉.人工自愈与机器自愈调控系统[J].机械工程学报，2018，54（8）：83-94.