目前光配系统维护主要依靠贴标签纸或纸质标签,存在工作难度大、管理效率低下、缺乏智能识别和统一管理技术手段的问题,针对这些问题,文章提出了基于光纤编码的智能光纤配线系统。通过密刻光纤光栅的方式,以单个光栅的波长作为编码单元,形成内置唯一的固化编码的光配部件。通过光配编码的远距离检测和识别技术,实现光配部件的智能化管理。还可实现光纤链路路由表的自动生成、网络拓扑结构的自动发现,业务链路的自动化管理。同时,在光配部件发生故障或接续关系出现错误时,可准确进行故障诊断及故障定位,并指导运维人员进行快速的故障排除。通过在山西电网的应用,进一步验证了该系统的可行性和先进性。
0 引言目前,光纤通信在电力调度、自动化和继电保护等方面起着非常重要的作用,已成为整个电网进行实时调度和稳定运行的基础,光纤传输网络运行的可靠性直接关系到电网的稳定和运营效益[1-2]。光缆系统在使用中,在配线侧需要使用大量的光纤配线部件,包括：光纤配线盘、光纤尾纤、光纤连接器、光纤连接线、光电转换模块等。这些组件数量庞大、连接关系复杂、故障频发,需要有效的维护和管理手段,以确保配线网络的稳定可靠运行,为整个电力通信提供可靠保障[3-4]。
长期以来对光纤配线组件的管理,主要采用附加固定标签、电子标签的方式,对各组件进行命名和标注,再结合文档进行设备资源管理。这种外置附加标识的方式,容易出现人为错误、标识失效等问题,并且没有有效的监测手段进行故障自动识别,在发生故障后需要人工进行排查。目前光纤检测通常采用的OTDR[5]检测设备本身存在检测盲区,不能对机房内的配线部件进行检测,也就无法对其进行识别和故障诊断。这就出现了因配线组件管理手段的落后,导致现有光纤链路网络系统管理效率低下、出错率高,有些光链路甚至处于“脱管”状态。目前管理和监测技术的滞后,给电力信息通信和智能控制的稳定造成了很大的隐患。
山西全省电力光缆众多,目前共建成OPGW光缆21 632 km,ADSS光缆30 305 km,并且光缆数量持续增加。这其中涉及了大量光纤配线系统,各调度中心所拥有的大量设备都需要海量光纤配线进行数据交互。目前被动的维护管理方式已经滞后于电力市场对光纤传输网络稳定性的要求。
针对现有管理和诊断方式的不足和实际使用的需求,提出了基于光纤编码技术,并将光纤编码应用于每个光网络组件,从而实现光网络部件的自动识别和实时监测,以及光纤链路系统的智能管理、快速故障诊断及精确定位。通过理论分析和实验验证,构建了基于光纤编码的智能光纤配线智能管理和诊断系统。通过在山西省电网通信系统中的实际应用,进一步验证了该系统的先进性及实用性。
1 现有光纤配线管理及诊断技术传统的光纤配线管理主要采用贴标签纸,智能光纤配线管理采用RFID标签进行自动读取的管理方式[6]。这些管理手段均需要人工操作完成,存在劳动强度大、容易出错等问题,并且在路由结构出现不一致的情况时,无法自动确定是链路接续错误还是光网络部件故障,故障排查困难。
目前光链路和光配网络检测主要依赖于OTDR检测设备[7-8],OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密光学仪表,可测量光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减以及进行故障定位等。但光配部件由于物理连接相互距离较短使得现有OTDR在该较短距离内存在检测盲区,光纤链路上的光纤连接线、光纤配线盘、机房内的末端光缆、跳纤均处于OTDR检测盲区内,无法精准识别,以致机房内配线故障查找困难。根据统计,光纤通信故障中65%的故障为机房内物理接头,此类故障诊断困难,浪费大量通信恢复时间。
2 光纤编码技术原理本文提出的光纤编码技术基于光纤介质物理地址编码,以光纤光栅波长为特征值,在光纤介质上采用激光直接复刻波长编码的方式[9],实现光纤介质物理地址编码。根据实际使用需求,可实现4位、8位、16位宽度的编码,内置了该编码的光配部件,自身携带一个可通过光信号进行直接读取的、且唯一的一个物理地址,从而实现了光器件的“MAC”地址编码。
光纤光栅轴向折射率周期性变化将引起不同光波模式之间的耦合[10],可以将特定波长的正向传输模的功率部分或者全部转移到反向传输模,从而改变入射光的光谱。由于其基本光学特性表现为只有光纤光栅波长附近的光能够被反射,可将光纤光栅的波长选择性用作光纤介质的特性波长编码。
利用光纤光栅的光纤介质特性以及稳定波长识别特性,在光纤介质上将光纤光栅波长作为编码单元组合成地址编码,将多个编码单元复刻在光纤介质上,从而实现光纤编码的固化,其原理示意如图1所示。
图1 光纤编码技术原理示意Fig.1 Schematic diagram of the principle of fiber grating coding
复刻了编码的光纤编码实物图如图2所示。
图2 光纤编码实物图Fig.2 Fiber grating coding
在编码识别和检测中,假设入射光的光功率分布为Pi(λ),这个功率是波长λ的函数。ai(λ)为正向传播单位长度的损耗系数,刻录光栅的反射系数为r(z,λg),则在入射端测量到的反射光功率Pg(z,λg)为：
（1）
其中a(x,λg)为正向传播单位长度的损耗系数,r(z,λg)是反射系数,d(x,λg)是背向散射光单位长度衰减系数。系统的光信号传递函数为：
检测系统使用窄带光源作为入射光源,使用光电探测器在入射端对编码的反射光进行检测,同时进行合理的参数调节,提高信噪比,可区分不同波长的反射光,从而测量出光链路上特定位置处的编码反射波长,实现对光纤编码的远距离读取。
图3给出了一组检测到的编码实测波形图。所测编码为一个4位编码,编码的每一位可以有40种不同的波长取值,形成一个4位的编码。图中有峰的位置表明有该波长的编码值存在,峰值所对应的波长分别为：1 530.5 nm,1 531.5 nm,1 532.5 nm,1 544.5 nm。通过不同的波长值,组合成一个完整的可彼此区分的编码。
图3 编码识别波形Fig.3 Coding waveform diagram
编码检测系统工作时,通过对不同光纤链路长度处的编码进行扫描读取,即可实现整条光链路上光配部件编码的读取,从而自动完成光配部件的识别、故障诊断以及综合管理。
3 智能光纤配线系统组成系统主要由智能光配组件、监测站、监测中心组成。系统组成如图4所示。
图4 系统组成Fig.4 System structure diagram
3.1 监测站监测站一般位于通信机房,实现需要进行监测的光链路的系统接入。其内部包含对光纤光栅进行远程识别和测量所需的光学仪器,主要包括：窄带光源、调制器、耦合器、解调仪、数据处理模块和GIS系统等。监测站对所监测光链路上的配线部件进行自动检测和识别,将检测结果实时保存入数据库中,进一步完成光链路拓扑结构自动生成、光路由自动发现、系统管理、状态监测以及故障诊断等功能。结合GIS系统,可实现光配部件的地理定位以及故障的实时准确地理定位。
3.2 监测中心监测中心一般位于中心管理机房,主要负责对下属的监测站进行统一管理和信息采集,并向管理人员实时提供其所管理范围内的光配系统的状态。管理系统由应用软件、光配数据库、地理信息库组成,利用信息交互处理实现监测站、客户端、移动终端等设备之间的数据交互。通过系统日常管理大数据库,对光配系统进行有效管理和维护。
4 智能光纤配线系统特点4.1 光纤编码技术利用光纤波长特性,以若干个波长为单元,通过特定规则进行组合编码,使光纤介质在光网络中具备唯一身份标识,为数字化光缆系统奠定了精准识别、实时监测、可靠管理的基础。利用波长编码识别和距离测定技术,实现了光纤光栅组的精确识别和距离测定。
通过将光纤编码标准化、最优化、体系化,保证十亿量级的编码单元井然有序,为后续国家电网范围内全面应用奠定基础。
4.2 光纤链路网络系统自动识别光纤编码远距离精确识别技术,通过对响应时间为皮秒级的高精密光学器件进行控制,同时在微秒级时间内完成识别、判断、信息交互及数据匹配,最后完成编码的准确识别,是智能光配系统自动识别的基础。
基于光纤编码的光纤链路网络系统,将光纤编码应用于光纤链路网络系统的各组成器件,实现光纤链路网络系统的自动识别,以及系统组成拓扑的自动构建,进而实现光纤链路网络系统的全链路自动管理。
4.3 全光纤链路部件的管理该编码可直接刻录于光纤介质上,通过在光纤链路的各个部件上进行编码刻录,即可实现各种光纤部件的识别和管理,包括光缆、光纤跳纤、光纤尾纤、光纤连接器、光纤连接线、光纤配线盘、光端口等。同时,结合GIS[11]技术、大数据管理技术[12-13],可实现光配部件的远程精准识别、光路由的自动检测以及故障实时定位等功能。
4.4 光纤配线系统的故障精准定位智能光纤配线系统实现了光纤配线系统的实时监测和故障定位,将光纤配线网络按组成器件进行智能分区和实时监测,实现了光纤配线系统全范围的实时监测和精准故障定位。
5 智能光纤配线系统现场应用该系统在山西省电力公司调度中心至新电力公司大楼之间的通信光缆线路上进行了实际应用。山西省电力公司调度中心集调度中心EMS系统、省公司数据中心营销、财务、OA、生产MIS以及信通中心网管数据中心、各分公司数据中心和EMS等各类数据业务于一体。通信机房有3个,配置有通信机柜共478面,机房内定义专门机柜作为配线机柜,光配、数配、音配及网配等配线设备均布置在配线机柜内,对本层机房进行统一配线,方便配线跳线的统一管理。
选择新调度中心机房的接入光缆、光纤连接线、光纤配线、光纤尾纤等作为应用对象。
5.1 智能光纤连接线应用将光纤编码刻录于光纤连接线中,形成智能光纤连接线,可应用在光纤链路的连接、跳接中,实现光纤连接线的智能识别和监测。智能光纤连接线结构如图5所示。
图5 智能光纤连接线结构Fig.5 Intelligent fiber connecting line structure diagram
如图5所示,智能光纤连接线在智能光纤配线系统会出现可测距的反射能量点,同时其反射波形又附带不同波长组合的可识别光学地址编码。其特点包括：智能光纤连接线带有全球唯一光学地址码,该地址编码永远存在、不重复、固化在光纤中不会改变,利于光学产品识别。
智能光纤连接线出厂时在两端印有光学地址编码数字,同时两端带有电子标签,电子标签内固化该条光纤连接线光学地址编码数字,便于现场多种识别方式。
光纤链路组成后,可在通信业务机房实时监测所使用的所有智能光纤连接线信息,信息包括光学地址编码、距离、反射能量。
进一步地,实现了智能光纤配线资料固化,利用智能光纤连接线光学地址编码可直接对应端口号、连接光缆名称及纤芯、连接光设备名称、所处机柜号、所处机房名称等,形成智能配线实时管理系统。
所接入的光纤链路,直接接入监测站进行实时监测。在系统运行中,可实时诊断光纤链路运行质量,以智能光纤连接线为实时诊断节点,可以直接判断出故障所处段、所处位置,将故障直接定位到光纤连接线、光纤连接法兰等位置。
在实际项目应用中,内置编码的光纤连接线被置于一个变电站的配线柜内,该变电站位于电力公司新旧大楼之间,配线柜两端通过2段光缆分别连接至新、旧大楼机房。至新大楼机房光缆长度18.5 km,至旧大楼光缆长度20.8 km。监测站设备安装于旧大楼机房内,通过20.8 km长的光缆,实现对安装于变电站配线柜内的连接线进行准确的编码读取、识别以及故障诊断。
5.2 智能光纤配线盘应用将光纤编码应用于光纤配线盘中,可以将光纤配线盘以及端口号使用光学进行固化,形成智能光纤配线盘,实现光纤配线盘的智能光学识别、监测。智能光纤配线盘结构如图6所示。
图6 智能光纤配线盘结构Fig.6 Intelligent fiber wiring plate structure diagram
在新调度中心机房内,选择光纤配线盘进行智能光纤配线盘升级替换,并采用智能光纤连接线进行跳接。使用位于旧大楼的监测站设备,对远端的光配部件进行实时的监测和管理。
5.3 智能光缆线路管理升级方案将光纤编码应用于光纤光缆接头盒中,在光缆线路的每个接头盒中,设置编码单元,形成智能光纤链路系统,使光纤系统中光缆名称固化、光纤链路资源管理固化,不再依赖人为命名和标识。同时,基于唯一的固定编码,可对光缆进行接入、退出状态的监测,对光缆故障进行诊断,通过采集编码所在位置的地理坐标,对故障点进行精确地理定位。
通过以上几方面的智能化改造,形成光纤配线系统及光纤链路智能化管理、监测和诊断。监测站系统界面如图7所示。
图7 监测站系统界面Fig.7 Operation chart of the monitoring station
监测站可对所接入的光缆、智能连接线、智能配线盘等进行准确识别,结合GIS系统,可准确定位光缆的地理位置。系统实际运行中,可给出每个光纤配线部件的编码值、名称、运行状态、各部件之间的连接关系、路由结构,实时迅速的对光缆及光纤配线系统故障进行诊断和定位,给出故障点发生的部件及准确位置。可指导光缆故障处理人员快速、精准查找到光缆故障点地理位置,完成排故。同时该系统还可有效对光缆系统资源进行管理,具有很强的先进性和实用性。
6 结语通过在山西电网中应用基于光纤编码的智能配线系统,有以下结论：
1）可采用激光复刻的方式,在光纤介质上直接刻录光栅作为编码单元,多个编码单元可进行远距离的识别和读取;
2）通过在同一个光纤部件上密刻多个编码单元,可组成固定的唯一编码,该编码可作为该部件的光学标识,通过对编码的读取,可实现对光纤部件的远距离准确识别;
3）光纤编码与光纤同介质,属于无源器件,具有超长寿命的特点,光纤配线部件可实现内置并且是唯一的编码作为部件标识;
4）通过对光纤编码的读取,可实现光纤配线部件的识别和管理、光链路路由自动生成、网络拓扑结构的自动发现,同时还可以对部件故障进行诊断和精确定位;
5）结合GIS系统、资源管理数据库,可实现配线网络的资源管理、资源地理定位以及故障的精确地理定位,同时可以指导运维人员进行快速的故障排除。
(编辑:张京娜)
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