双模式可切换小型分光器技术研究

袁瑞辉，王 晴，卢泳茵

（广东电网有限责任公司 中山供电局，广东 中山 528400）

0 引 言

近年来，随着智能电网的快速发展，南方电网开始大力开展智能变电站建设[1]。智能变电站具有回路高度集成化的特点，每台保护装置只需使用两条光纤就能获取其所需的所有数据。对于智能变电站，尤其是SV与GOOSE共网的智能变电站，光回路需交互的数据量庞大，在运维过程中极易发生数据异常的情况[2]。过程层网络发生数据异常时可能导致保护闭锁，若此时电力系统发生故障，将会造成继电保护装置拒动，甚至可能造成电力生产安全二级甚至一级事故。

1 现有技术的缺陷和不足

大部分智能变电站都配备智能录波器（网络分析仪）对过程层数据进行监视，但由于智能录波器连接在过程层中心交换机上，因此仅能判断过程层网络出现异常,而无法判断数据异常情况的来源。智能变电站过程层交换机相连的光纤数量众多，给现场检修人员故障排查带来了较大的困难。为查找数据异常情况发生的具体位置，目前常用的方案是在交换机前侧加装临时分光器，分出一条光路接入智能录波器（网络分析仪），从而定位故障。但该方案也存在以下缺陷：

（1）加装临时分光器时需要进行光纤插拔，由于光纤数量众多，因此存在误拔插的风险。此外，加装临时分光器会使光回路发生变动，如果在加装过程中检修人员操作不当，如光纤接口未插紧或者光纤转弯半径过小，将导致回路光衰增加，从而无法准确找出真实故障点。而光纤的多次插拔也会减少光纤的使用寿命，插拔次数越多，对光纤的功能损伤越大。

（2）传统分光器在使用过程中持续分光，长期使用会导致光纤回路衰耗严重，继而使后端设备接收到的数据出现误码甚至收不到数据等情况。

（3）常规分光器的体积较大，加装至交换机时往往占用其光口横面1/3以上的位置，甚至遮盖了部分备用光纤端口。此外，加装后交换机散热困难，十分不利于运行维护。

基于上述问题，本文提出一种双模式可切换小型分光器。其体积为传统分光器的1/2，可有效避免遮盖备用光纤端口，且方便安装。双模式可切换小型分光器具备单光路与双光路两种工作模式。加装一个具有手动切换功能的光隔离器，当不需要使用分光功能监测故障时，将光隔离器调至单光路传输模式，此时分光器不进行分光，数据按原始路径进行单光路传输，同时减少光功率损耗。当检修人员需要用到分光功能进行故障排查时，将光隔离器调至双光路传输模式，分光器对光路进行分光，实现过程层交换机及交换机前侧装置数据实时采集，即双光路并行传输，对过程层网络进行实时监控和数据异常定位。

2 装置硬件结构

本文提出的分光器主要由分光式波分复用器与光隔离器两部分构成，装置原理如图1所示。

图1 分光器原理图

2.1 分光式波分复用器产品光学原理

波分复用是将两种或多种不同波长的光信号经复用器汇合在一根光纤上传输或将汇合的各种光波经解复用器进行分离的技术。在光纤数据传输中，可以运用波分复用的方法来提高光纤的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开[3]。硬件上达到上述要求的解决方案有很多种，本文通过特殊工艺生产的定制Filter将信号端的光功率拆分成75%的光功率和25%光功率，分别通过2根光纤独立传播。

2.2 光隔离器产品光学原理

光隔离器又称光单向器，是一种只允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性[4]。其作用是对光信号传输方向进行限制，使光信号只能单向传输。在光纤通信系统中，有许多原因造成光的反向传输[5]。这些反向传输光令系统产生附加噪声，使系统的性能劣化，甚至会引起信号源的剧烈波动，这需要光隔离器来消除[6]。

3 装置传输原理

分光器光路径如图2所示。

图2 分光器光路径

常规工作状态下，光路数据传输模式为单路传输。设备发出的工作光源从端口A输入准直器，经过分光式波分复用器以后，75%的光功率从端口B射出，接入变电站的设备当中，其余25%的光功率经过出射准直器后进入光隔离器设备的自聚焦透镜射出准直器光束。此时，光束经过45°法拉第旋转器后，改变第二个楔形双折射晶体P2的光轴，使其与第一个楔形双折射晶体P1分开一个较大的夹角，光源被透镜偏折，不能耦合到光纤纤芯，从而实现光隔离的目的，实现光路A→B单向光路[7]。

在异常工作状态下，设备发出的工作光源从端口A输入准直器，经过以后，75%的光功率反射出去，从端口B射出，接入变电站的设备当中，其余25%的光功率经过出射准直器后，进入光隔离器设备的自聚焦透镜射出的准直器光束[8]。此时，光束经过45°法拉第旋转器后，改变第二个楔形双折射晶体P2的光轴，使其与第一个楔形双折射晶体P1正好呈45°夹角，从而光源折射到一起，合成两束间距极小的平行光，并被透镜耦合到光纤里，最终由端口C接收，从而实现光路A→B、A→C两者并行光路。

4 优点介绍

（1）传输模式手动切换。通过切换光隔离器，现场检修人员在需要用到分光功能进行故障检测时，能够开启分光功能，对光路数据进行双光路并行传输；不需要用到分光功能时，能够关闭分光功能，减少光功率损耗。

（2）体积轻巧，占用空间小。该装置的体积仅为传统分光器的1/2，有效避免了加装至交换机时遮盖备用光纤端口这一缺陷，保证了各层交换机能够正常使用。

（3）可插拔式结构设计，提升运维检修效率。该装置整体为可插拔式结构设计，便于安装、拆除及清洁，大大提升了运维检修工作效率。

（4）插入损耗低，可靠性与稳定性较高。传统分光器的光功率损耗通常在3.5～4 dB，该装置主回路的光功率损耗仅为1.2 dB，不及传统分光器的1/3，保障了装置的可靠性与稳定性[9]。

（5）统一装置规格，保障消缺及时。该装置统一了分光器的规格，只需准备一种分光器即可满足备品需求，消缺时无需到站再次核实故障分光器的规格，确保可及时消缺[10]。

5 结 论

双模式可切换小型分光器体积轻巧、安装便捷，可通过手动切换光隔离器选择单光路或双光路传输模式，有效解决传统分光器功能单一、在使用过程中长期分光导致其光衰严重等问题。通过双模式可切换小型分光器的应用，现场检修人员不需要通过插拔光纤的方式来临时加装分光器，直接在设备投运使用前加装该种双模式可切换小型分光器。正常运行时选择单光路传输模式，需要排查故障时选择双光路传输模式，

有效规避误拔插光纤、光纤安装不良等问题，大大减少了光纤端口的功率损耗。通过本项目研制的双模式可切换小型分光器，现场工作人员可快速监测并定位故障，保证了设备与电网的安全稳定运行，具有较大的市场推广价值。