陳凌希，秦 蒙*，李 宏，曹美卿

(1. 重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 4000532； 2.國網(wǎng)重慶市電力公司合川供電分公司，重慶 401520)

0 引言

隨著國家電網(wǎng)“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，電力通信網(wǎng)已逐步發(fā)展成為智能電網(wǎng)不可或缺的重要組成部分，是電力信息化平臺建設(shè)的重要支撐，是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和保障。電力通信網(wǎng)作為電網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在提高電網(wǎng)企業(yè)信息化水平等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，電力通信網(wǎng)的通信方式主要包括光纖通信、電力線載波通信、微波通信及衛(wèi)星通信等?；陔娋W(wǎng)運(yùn)行對通信系統(tǒng)在穩(wěn)定、高效、實時等方面的特別要求，目前，電力通信網(wǎng)以光纖通信為主，主要承載著電力生產(chǎn)中的變電站監(jiān)控及信息化建設(shè)等直接關(guān)系著電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要業(yè)務(wù)[1，2]。目前，電力通信網(wǎng)中光纖故障的處理主要依靠光端機(jī)告警，結(jié)合運(yùn)維人員的工作經(jīng)驗，人工判斷是設(shè)備故障還是線路故障。如果發(fā)現(xiàn)是線路故障，再利用儀器設(shè)備進(jìn)行故障定位。參與故障處理的人員多，整個過程工作量大，處理環(huán)節(jié)多，自動化程度低，效率不高，對系統(tǒng)正常運(yùn)行有較大影響。目前采用的預(yù)防工作主要是通過定期對光纖進(jìn)行測試，人工分析測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)光纖性能的變化。事實上，光纖傳輸性能的漸變是一個長期的過程，需要分析長期積累的測試數(shù)據(jù)才能發(fā)現(xiàn)光纖隱患。而這個過程工作量大、效果也不甚理想。目前，光纖監(jiān)測主要依靠傳統(tǒng)的光時域反射技術(shù)(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)技術(shù)，用于測量光纖的衰減和損耗、故障點(diǎn)位置、光纖的長度以及光纖損耗點(diǎn)的分布情況等，但是該類系統(tǒng)存在測試操作復(fù)雜、監(jiān)測距離存在衰減盲區(qū)和事件盲區(qū)、長距監(jiān)測誤差大以及不能實時在線監(jiān)測光纖傳輸性能變化等缺點(diǎn)[3]。在此背景下，本文研究設(shè)計了一種基于COTDR光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效提高光纖管理和維護(hù)的自動化水平，變被動維護(hù)為實時監(jiān)測，給維護(hù)人員提供預(yù)警機(jī)制，提高人員對故障的快速反應(yīng)能力，提高通信鏈路的運(yùn)行率，對提高光纖網(wǎng)絡(luò)資源的利用率有著較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 基于COTDR技術(shù)的光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)勢

1.1 COTDR技術(shù)原理

通信線路中通常使用摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA)等光放大器來補(bǔ)償信號光的傳輸損耗，進(jìn)而使通信線路延伸到數(shù)千甚至上萬公里的距離，增強(qiáng)通信效率。但摻餌光纖放大器對信號光進(jìn)行功率放大的同時，也會產(chǎn)生較強(qiáng)的自發(fā)輻射放大噪聲。而由于OTDR采用的是直接功率探測方式，對通信線路中EDFA產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲(Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪聲功率與背向瑞利散射信號功率無法區(qū)分，從而造成系統(tǒng)測量的信噪比大幅降低。同時，在多個EDFA級聯(lián)的通信線路中，ASE噪聲會持續(xù)加強(qiáng)，從而使OTDR無法準(zhǔn)確探測到瑞利散射信號，對通信線路的監(jiān)測效果將大打折扣甚至完全失效。而相干光檢測技術(shù)(Coherent Optical Time Domain Reflectometer，COTDR)通過相干光進(jìn)行監(jiān)測，可以將微弱的瑞利散射信號從較強(qiáng)的ASE噪聲中提取出來，確保對長距離通信線路的監(jiān)測效果[4]。

COTDR系統(tǒng)在用于探測的信號光基礎(chǔ)上增加了用于與信號光進(jìn)行相干探測的參考光。耦合器將信號光與參考光耦合到光電探測器中，光電探測器將信號光和參考光耦合時產(chǎn)生的差頻信號轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)濾波器濾波，放大器放大，即可獲得信號光與參考光的差頻信號。在COTDR系統(tǒng)中，信號光即為探測光波在光纖中傳播時產(chǎn)生的背向瑞利散射信號，參考光則由激光光源通過耦合器分出的一部分光波充當(dāng)，如圖1所示。為了使信號光與參考光存在頻率差，通常利用聲光調(diào)制器的衍射效應(yīng)對信號光進(jìn)行移頻處理。同時，實際從單模光纖中不同位置產(chǎn)生的信號光的偏振態(tài)并不相同，為了有效避免由于從光纖中某些位置產(chǎn)生的信號光的偏振態(tài)與參考光的偏振態(tài)失配而導(dǎo)致相干檢測失敗，在COTDR系統(tǒng)中，一般需要擾亂信號光或參考光的偏振態(tài)，并經(jīng)多次測量以獲得信號光與參考光在不同偏振態(tài)匹配條件下的平均相干檢測結(jié)果[5]。

圖1 COTDR技術(shù)原理

1.2 COTDR技術(shù)對比OTDR技術(shù)的優(yōu)勢

本文在深入研究OTDR和CODTR技術(shù)的工作原理上，總結(jié)二者的技術(shù)特點(diǎn)及各自優(yōu)缺點(diǎn)，制定針對基于COTDR的光纖在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方案與基于OTDR技術(shù)基于光纖監(jiān)測系統(tǒng)的異同點(diǎn)如圖2和表1所示。

圖2 COTDR與OTDR核心技術(shù)對比

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于COTDR技術(shù)的光纖監(jiān)測系統(tǒng)由光纖在線監(jiān)測設(shè)備、光纖監(jiān)控控制軟件及云端服務(wù)器中心組成。系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)制信號在單模光纖中的衰減和反射來實現(xiàn)光纖指紋信息生成，結(jié)合系統(tǒng)光纖衰耗曲線功能，使用經(jīng)過獨(dú)特編碼調(diào)制的連續(xù)的弱激光脈沖組，接收反射回來的檢測脈沖組，系統(tǒng)解調(diào)之后，得到光鏈路的指紋信息，包括光纖長度、損耗、接頭、故障位置等信息，達(dá)到實時監(jiān)測與運(yùn)維的效果。

其中，光纖在線監(jiān)測設(shè)備主要由CPU核心處理模塊、FPGA模塊和雙電源模塊3大部分構(gòu)成，而FPGA模塊又包含連續(xù)脈沖發(fā)生器、激光器、耦合器及光檢測器等部分組成。其中，CPU核心處理模塊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，選用Atmel公司的AT91 微處理器系列產(chǎn)品SAM9X25為CPU核心處理模塊的處理器，主要負(fù)責(zé)接收光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析監(jiān)測數(shù)據(jù)及處理監(jiān)測數(shù)據(jù)等操作。FPGA模塊采用的是Xilinx公司的 Spartan-6系列的 FPGA處理器，其主要通過模塊集成的耦合器、激光器及脈沖發(fā)生器等核心部件，完成系統(tǒng)光波的發(fā)送與接收以及信號的調(diào)制解調(diào)等操作。雙電源模塊提供2路-48V直流電源接口，可單獨(dú)供電，支持兩個電源單元相互熱備份，確保供電的高可靠性。

表1 COTDR與OTDR詳細(xì)功能對比

光纖監(jiān)控控制軟件選擇Linux操作系統(tǒng)作為CPU核心處理模塊的板載操作系統(tǒng)。控制軟件具有簡單直觀的圖形化操作界面，有較好的可操作性和可維護(hù)性，使用簡潔方便。軟件在運(yùn)行過程中，完成MCU的初始化，板卡各種外圍硬件芯片的初始化，與設(shè)備內(nèi)部的FPGA通信，實時采集外部網(wǎng)絡(luò)的各種監(jiān)控數(shù)據(jù)，將各種狀態(tài)處理后與上層網(wǎng)管進(jìn)行通信。可以實現(xiàn)光纖實時物理特性監(jiān)測診斷、光纖業(yè)務(wù)線路自動切換保護(hù)、數(shù)據(jù)自動判別處理及WDM波分復(fù)用多波合解波等操作。其系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。

圖3 控制軟件系統(tǒng)構(gòu)架

云端服務(wù)器中心完成數(shù)據(jù)分析、判別及告警管理，通過歷史指紋信息對比，預(yù)測未來光纖物理參數(shù)變化，提前預(yù)警光纖故障，同時為光纖路由規(guī)劃提供重要依據(jù)。

3 系統(tǒng)主要組成

光纖智能監(jiān)測系統(tǒng)的核心是通過相干光時域反射技術(shù)來監(jiān)測光纖物理狀態(tài)，從而得到光纖的指紋信息，包括光纖長度、衰耗、接頭及故障位置等。光纖智能監(jiān)測運(yùn)維系統(tǒng)由獨(dú)立的監(jiān)測設(shè)備、無源波分模塊、智能網(wǎng)管軟件及服務(wù)器構(gòu)成。其監(jiān)測設(shè)備主要收集光纖資源的物理數(shù)據(jù)信息，包括光纖長度、衰耗、接頭及故障位置等，然后監(jiān)測設(shè)備將監(jiān)測的光纖數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)管服務(wù)器端，服務(wù)器上的網(wǎng)管軟件進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)的對比、分析，自動告警，告警信息通過聲音、短信、郵件等方式通知運(yùn)維人員。同時存儲告警信息的原始數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)分析預(yù)警光纖隱患。無源波分模塊采用無源器件，業(yè)務(wù)波和監(jiān)測波通過無源波分模塊進(jìn)行合/解波，二者共同在業(yè)務(wù)光纖中傳輸，互不影響，對光纖網(wǎng)絡(luò)長期可視化監(jiān)測而不影響數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)業(yè)務(wù)光纖實時在線監(jiān)測功能，通過無源波分模塊的合/解波功能，實現(xiàn)多段光纖的級聯(lián)監(jiān)控，節(jié)省監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測端口；智能網(wǎng)管軟件及服務(wù)器對監(jiān)測設(shè)備收集的光纖物理信息進(jìn)行分析，形成光纖指紋、數(shù)據(jù)管理，在網(wǎng)管軟件上顯示故障及告警，并通過大數(shù)據(jù)分析預(yù)警光纖隱患。

3.1 監(jiān)測設(shè)備

監(jiān)測設(shè)備在接入光纖資源后，通過監(jiān)測模塊發(fā)出的監(jiān)測波實時收集光纖物理信息，其主要包括光纖長度、衰耗、接頭及故障位置等。監(jiān)測設(shè)備支持4個通道同時工作，可以實現(xiàn)7×24小時實時在線監(jiān)測，提供持續(xù)的監(jiān)控和故障定位(自動告警)，實時精確地傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)，最高分辨率可達(dá)10 m。此外，監(jiān)測設(shè)備還可以實現(xiàn)對城域網(wǎng)或者骨干網(wǎng)絡(luò)長期的可視性監(jiān)控而不影響業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測設(shè)備的工作波長采用國際標(biāo)準(zhǔn)的1 625 nm測試波長，可提供100 km長距的監(jiān)測方案，雙向?qū)y可達(dá)200 km。

3.2 智能網(wǎng)管軟件及服務(wù)器

監(jiān)測設(shè)備將監(jiān)測的光纖數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)管服務(wù)器端，服務(wù)器上的網(wǎng)管軟件進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)的對比、分析、自動告警，告警信息通過聲音、短信、郵件等方式通知運(yùn)維人員。同時存儲告警信息的原始數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)分析預(yù)警光纖隱患。此外，網(wǎng)管軟件還具有遠(yuǎn)程管理能力，同時具有與電力綜合網(wǎng)管平臺對接接口，實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控。通過比對存儲的歷史指紋信息，可以自動判斷是否光纖故障，不需要人為判斷，并實時提供告警。

3.3 無源波分模塊

無源波分模塊采用無源器件，業(yè)務(wù)波和監(jiān)測波通過無源波分模塊進(jìn)行合/解波，二者共同在業(yè)務(wù)光纖中傳輸，互不影響。對光纖網(wǎng)絡(luò)長期可視化監(jiān)測而不影響數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)業(yè)務(wù)光纖實時在線監(jiān)測功能，通過無源波分模塊的合/解波功能，實現(xiàn)多段光纖的級聯(lián)監(jiān)控，節(jié)省監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測端口。

4 結(jié)語

本文依托瑞利散射基本原理，在光時域反射技術(shù)OTDR的基礎(chǔ)上，使用相干光檢測技術(shù)COTDR解決傳統(tǒng)光纖監(jiān)測系統(tǒng)存在衰減盲區(qū)和事件盲區(qū)、 長距監(jiān)測誤差大以及不能實時在線監(jiān)測光纖傳輸性能變化等問題。整個系統(tǒng)的調(diào)試與測試的結(jié)果表明，本文設(shè)計的光纖監(jiān)測系統(tǒng)可以通過多段光纖橋接，在不影響業(yè)務(wù)的傳輸?shù)那闆r下實現(xiàn)長距離，光纖運(yùn)維狀況7×24小時不間斷監(jiān)測，系統(tǒng)測試光纖長度與實際測試長度誤差不超過10 m，且系統(tǒng)最大監(jiān)測距離可達(dá)100 km，初步證明了基于COTDR技術(shù)的光纖監(jiān)測系統(tǒng)在實時定位光纖故障位置及長度等方面具有高精度定位、誤差小的特性。