自動光纜成端及故障自愈系統(tǒng)在配電網(wǎng)通信中的應(yīng)用研究

張佐星 郭莎莎 施冬鋼 胡龍舟 張峰

摘? 要：為了解決電力通信系統(tǒng)中配電網(wǎng)變電站光纖調(diào)配及故障恢復(fù)的應(yīng)用需求，提出了一種自動光纜成端及故障自愈系統(tǒng)。首先分析了系統(tǒng)包含的自動光纜成端單元和OTDR單元的原理和研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)對比了光纖自動對接的三種技術(shù)方案。進(jìn)一步提出在配電網(wǎng)系統(tǒng)中可以采用基于機(jī)械手技術(shù)的光纖自動對接方案，并分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和軟件功能。通過對方案的關(guān)鍵技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，證明該方案能夠?qū)崿F(xiàn)288端口自動成端，介入損耗低于0.5dB，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：自動光纜成端;光時(shí)域反射;機(jī)械手

中圖分類號：TM76? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

一個龐大的電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)鏈路支撐著整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和智能應(yīng)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(fā)的外力破壞和自身的老化衰退，這給電網(wǎng)的安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理帶來了嚴(yán)重威脅。因此，如何提高光纖通道的可用率、提升光纖網(wǎng)絡(luò)的自愈性以保證電網(wǎng)業(yè)務(wù)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(tǒng)是解決這一問題最直接的方案[1]，這是因?yàn)椋?/p>

（1）網(wǎng)絡(luò)生存能力的衡量包括網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控、最長恢復(fù)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)冗余度等關(guān)鍵指標(biāo)，光傳輸設(shè)備不能提供網(wǎng)絡(luò)所需的全部保護(hù)功能。

（2）光路由冗余備份能對目前絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)提供無縫的保護(hù)機(jī)制。

（3）光纜的保護(hù)與恢復(fù)相對客戶層的保護(hù)可節(jié)約投資，是一種低成本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)升級。

（4）光纜冗余纖芯數(shù)量龐大，可利用進(jìn)行快速業(yè)務(wù)調(diào)配。

（5）光端口的長期性能監(jiān)控實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)，防止出現(xiàn)故障。

自動光纜成端及故障自愈系統(tǒng)包括端口自動對接技術(shù)和故障自愈技術(shù)。故障自愈技術(shù)主要包括OTDR及軟件控制技術(shù)。下文對系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。

1 光纜自動成端技術(shù)

目前，業(yè)界在光纜自動成端技術(shù)上有三種方案：機(jī)械式光馬達(dá)技術(shù)，MEMS光開關(guān)技術(shù)和機(jī)械手技術(shù)。

機(jī)械式光馬達(dá)技術(shù)采用小型電機(jī)進(jìn)行光路倒換，是行業(yè)內(nèi)目前主要商用的技術(shù)。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(tǒng)光保護(hù)設(shè)備中，僅用于主備路由1+1保護(hù)，通道調(diào)度能力有限[2]。

MEMS光開關(guān)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(shí)現(xiàn)光交換。MEMS光開關(guān)，其實(shí)質(zhì)是利用微機(jī)械開關(guān)的原理，并吸收波導(dǎo)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)將陣列集成在單片硅基底上，兼有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了它們所固有的缺點(diǎn)[3]。MEMS光開關(guān)響應(yīng)速度快、可靠性高、偏振和波長相關(guān)損耗非常低、對不同環(huán)境的適應(yīng)能力良好、功率和控制電壓較低并具有閉鎖功能?？蓪⑷我廨斎敕瓷溏R/光纖與任意輸出反射鏡/光纖交叉連接，是一種全交叉技術(shù)。但其第一個缺點(diǎn)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(shí)間內(nèi)保持缺省連接。第二個缺點(diǎn)是插損大于2dB，成對使用時(shí)對調(diào)度業(yè)務(wù)引入4dB插損;第三個缺點(diǎn)是成本高昂。因此，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有無法避免的缺陷，目前少量用于數(shù)據(jù)中心機(jī)房。

機(jī)械手技術(shù)是采用機(jī)械手對傳統(tǒng)的ODF架上的光端口進(jìn)行調(diào)度，完成光纖端面物理接觸及閉合。該技術(shù)結(jié)合了前兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，集成度高，精度控制依賴于精準(zhǔn)控制的電機(jī)系統(tǒng)，使用壽命長達(dá)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(wǎng)絡(luò)的光纖調(diào)度技術(shù)。表1是三種技術(shù)的詳細(xì)指標(biāo)對比[4]。

2 OTDR技術(shù)

光纜監(jiān)測技術(shù)，即光時(shí)域反射儀（optical time domain reflectormeter，OTDR）發(fā)出的脈沖光進(jìn)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(jié)構(gòu)圖，半導(dǎo)體激光器（semiconductor laser，LD）作為恒定光源，經(jīng)脈沖發(fā)生器調(diào)制后形成脈沖光，脈沖光在時(shí)鐘單元控制下按固定時(shí)序發(fā)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(zhí)行光電轉(zhuǎn)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(chǎn)生固有時(shí)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(biāo)是動態(tài)范圍和線性度。動態(tài)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(zhǔn)確度。動態(tài)范圍表示后向散射起始點(diǎn)與噪聲峰值點(diǎn)間的功率損耗比，如果OTDR的動態(tài)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(tài)范圍與LD發(fā)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(fā)生器的調(diào)制精度和A/D轉(zhuǎn)換的精度成正比[5]。

3 基于機(jī)械手的光纖自動對接系統(tǒng)

本文提出一種基于機(jī)械手的光纖自動對接方案，光路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)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(tǒng)的ODF架采用二維平面設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用三位圓柱形設(shè)計(jì)，將連接頭放置面積由2rh增加到2πrh，滾軸設(shè)計(jì)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(zhuǎn)動;外殼輸入與內(nèi)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(nèi)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(nèi)輸入口連接，空閑狀態(tài)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(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動控制光纖長度，防止內(nèi)部纖纏繞混亂，控制器控制冗余光纖盤轉(zhuǎn)輪運(yùn)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(dá)定點(diǎn)成端位置;控制盤上的機(jī)器人單元轉(zhuǎn)動輸入盤并抓取輸出盤光纖。

機(jī)械手單元：位于控制盤上，電機(jī)驅(qū)動滑輪轉(zhuǎn)動輸入盤使之移動某個角度，機(jī)械手臂和抓取鉗協(xié)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(shù)找到當(dāng)前待連接的光連接頭eID，抓取鉗將輸入輸出光路進(jìn)行對接。

整個系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

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

系統(tǒng)的電路單元主要為機(jī)械手，有四個機(jī)械自由度：升降、旋轉(zhuǎn)、直移、擺動，五個電機(jī)控制點(diǎn)：升降-旋轉(zhuǎn)-平移-抓取-對接-推進(jìn)-歸位，形成閉環(huán)反饋?zhàn)鳂I(yè)流程。機(jī)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(tǒng)ODF易壞易失效的電子ID方案。

整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自然適應(yīng)光纖圓弧形布放規(guī)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?shí)現(xiàn)最大288個端口成端。由于機(jī)械手沿固定環(huán)狀軌跡轉(zhuǎn)動，運(yùn)動路徑清晰，計(jì)算簡單，系統(tǒng)可以做到零出錯率，從接收到成端指令到機(jī)器人實(shí)現(xiàn)單口成端，最短成端時(shí)間30s，最大成端時(shí)間控制在150s內(nèi)。

為組建一個無阻斷、可靠安全、智能靈活、容災(zāi)能力強(qiáng)的業(yè)務(wù)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)故障自愈功能，系統(tǒng)的控制軟件需能同時(shí)對多個不同地點(diǎn)的成端系統(tǒng)進(jìn)行操作并可工作在三種狀態(tài)。

日常巡檢狀態(tài)：對中心機(jī)房通信端口進(jìn)行電子化管理，實(shí)時(shí)可用度監(jiān)控，并將備用光纖接入故障預(yù)警恢復(fù)系統(tǒng)，進(jìn)行路由冗余度初始設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控所有關(guān)聯(lián)端口可達(dá)路由性能。

故障預(yù)警狀態(tài)：當(dāng)系統(tǒng)可達(dá)路由出現(xiàn)性能劣化時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)生存率并提示風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

故障自愈狀態(tài)：在主業(yè)務(wù)路由出現(xiàn)阻斷時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)OTDR測量的鏈路衰耗值，計(jì)算最佳推薦路由并調(diào)度端口倒換，確保通信網(wǎng)的故障在分鐘級完成恢復(fù)。

為了實(shí)現(xiàn)軟件控制功能，需對通信端口閉合接觸及監(jiān)控技術(shù)、故障恢復(fù)算法進(jìn)行整合研究，開發(fā)出具有良好的人機(jī)交互界面，具備低插損、高集成度和長監(jiān)控范圍的全智能系統(tǒng)，從而達(dá)到對光通道遠(yuǎn)程遙控成端及光纖線路衰耗的實(shí)時(shí)檢測等功能。端口性能監(jiān)控及實(shí)時(shí)故障預(yù)警恢復(fù)系統(tǒng)是為了滿足現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)日益增長的光纜路由調(diào)度、光纖性能監(jiān)測、業(yè)務(wù)暢通保障、智能維護(hù)需求而推出的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種靈活的工作方式，也可根據(jù)要求由網(wǎng)管操作實(shí)現(xiàn)特定的路由倒換。

系統(tǒng)可用于多光路通道信號監(jiān)控、光路保護(hù)、光纖路由調(diào)度，具有低功耗、長期監(jiān)測穩(wěn)定、實(shí)時(shí)告警快捷等特點(diǎn)，支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)和本地管理。

4 結(jié)束語

本文簡介了配電網(wǎng)通信中存在的光纖調(diào)度需求，提出了一種自動光纜成端及故障自愈系統(tǒng)。通過對比分析多種自動光纜成端技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的瓶頸，提出一種基于機(jī)械手調(diào)度的系統(tǒng)方案，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、工作流程和軟件功能，證明該方案具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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