基于相干光時域反射的光纖在線監測在配電自動化通信系統中的應用

劉 曉，王 佳，周 楊，湯 俊

（國網四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610004）

1 配電網通信系統光纜網架現狀和問題

目前，國內現存的配電自動化通信網絡光纜運行維護方法未能實現對光纖資源的實時監測，一般采用事后光時域反射儀（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）儀表進行檢測和故障處理，無法預知故障。首先，暗光纖在線監測系統只能針對備用光纖，不僅占用寶貴的光纖資源，也無法實時監測業務光纖，造成配電通信光纜的纖芯老化與劣化難以被跟蹤，運維方式被動。其次，配電通信網絡組網靈活，拓撲結構復雜，傳統的事后檢測定位精確度不高，耗時較長，維護效率低下。最后，配電通信光纜歷史數據難以管理與比對，光纜網絡資源無法可視化，路由、桿位以及管道部分冗余光纜無法精確校準，難以滿足精益化管理要求[1]。

成都公司配電自動化通信網絡是以EPON通信方式為主和無線公網通信方式為輔的接入方式。截至2016年底，在運行的配電自動化通信光纜已達2 196.6 km，普遍存在多聯絡和多分支的情況。光纜路由復雜，資料管理和更新的難度較大。根據2017年度通信系統運行方式的統計，配電自動化通信網絡共發生故障400余起，其中光纜故障287起，占比71.75%。這說明光纜系統的運行情況嚴重影響配電自動化系統的實用性指標，迫切需要以技術手段為支撐、管理手段為保障來提高配電自動化系統的可靠性和穩定性。

2 基于相干光時域反射的光纖在線監測技術

2.1 相干光時域反射技術原理

相干光時域反射（Correlated Optical Time Domain Reflection，Correlated-OTDR）技術不是簡單的單脈沖技術，而是采用低功率數字編碼激光器，不僅能產生少量單脈沖，而且能產生大量連續不間斷的調制脈沖，并注入到被監測的光纖中。

相干光的入射光脈沖從光纖的一端注入。用光探測器探測到的后向散射信號是脈沖寬度前二分之一的區域內各點返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信號。通過檢測后向瑞利散射光強度的變化和入射光脈沖與檢測到的后向瑞利散射信號之間的時延差，可以確定光纖指紋的分布情況。

當光纖一端注入寬度為W的光脈沖時，在光纖輸入端接收到的后向散射光場為：

式中，αi和τi分別為第i個后向散射光波的幅度和時延；N為散射光總數；α為光纖衰減常數；c為真空中的光速；nf為光纖折射率。當時，，其他時刻為0。

當光纖線路上某些區域的外形應變發生變化時，該區域光纖的折射率和瑞利散射光相位隨之發生變化，可以表示為：

式中，光纖折射率nf和散射距離單元sij的變化依賴于光纖外形應變的變化。變化區域內的散射光傳輸到高靈敏度接收器的相位差發生變化，最終會引起后向瑞利散射光強度的變化。

2.2 配電自動化通信系統特點

配電自動化通信系統中廣泛采用EPON通信技術。它與骨干通信網的SDH技術體制之間主要存在兩點區別：一是EPON通信技術物理層上根據IEEE 802.3—2005規定采用單纖波分復用技術（下行1 490 nm，上行1 310 nm）實現單纖雙向傳輸；二是EPON通信技術是點到多點（Point to Multipoint，P2MP）拓撲的網絡結構，采用星型、鏈型、全保護總線型、樹型、雙總線手拉手型以及上述方式的混合組網，拓撲結構復雜。這些不同點導致光纖在線監測技術應用在配電自動化通信系統中存在難度。一般的EPON光鏈路和纖芯使用如圖1所示[2]。

圖1 多PON鏈路示意圖

光纜N1芯中的業務波長經過分光器1、分光器2、…、分光器n1的多級分光，使通信終端ONU1、ONU2、…、ONUn1中的業務數據正常傳輸。同樣的，光纜N2芯中的業務波長使另外PON口的ONU1、ONU2、…、ONUn2中的數據正常傳輸。

2.3 光纖在線監測技術在配電自動化通信系統中的應用方案

根據圖1，業務波長會在分光器節點處產生大的反射高峰。這個反射高峰不同于光纜線路上正常的熔接衰耗、連接器和機械彎曲產生的反射值，如果將它的特征作為光纖在線監測系統中識別和判斷分光器和ONU設備地理位置的依據，那么可以在復雜拓撲的配電自動化通信系統中應用光纖在線監測技術。

相干光時域反射的測試波長選用國際標準的1 625 nm波長。由于測試波長與業務波長間隔較寬，因此它能夠消除測試光對業務信號的影響。

3 應用實例

3.1 部署情況

統計和分析光纜缺陷數據后得出，110 kV金沙變電站內出線的配電自動化通信光纜缺陷率較高，因此選擇在金沙變電站部署光纖在線監測系統。系統的邏輯圖如圖2所示。變電站內存在通信光纜終端（Optical Line Terminal，OLT）設備。業務光纖從OLT設備的PON口引出，相干光時域反射光纖從光纖監測控制設備（Remote Terminal Unit，RTU）引出。業務光纖和檢測光纖通過WDM合解波盒耦合進同一根光纖中進行傳輸，經過鏈路上的光連接器、分光器等連接通信終端ONU和配電終端如DTU、FTU等。鏈路上的每一點都會產生反射信號，而反射信號和業務信號通過同一根業務纖芯回傳到變電站端。通過合解波盒解耦合后，反射信號由高靈敏度接收器接收、分析以及計算，從而獲得該條業務光纖鏈路的長度、衰耗、斷點位置以及光纖指紋等運行信息。站端RTU設備收集的數據通過SDH骨干傳輸網承載進行全IP化組網，并匯聚到中心機房的網管系統，實現光纜資源的集中監控、集中管理以及集中運維。

圖2 光纖在線監測系統部署邏輯示意圖

目前，在金沙變部署了2套光纖監測控制設備，完成了金沙變至同盛路方向EPON鏈路、金沙變至至沙晉路方向EPON鏈路等8芯業務光纜的在線監測業務。

3.2 應用效果

系統通過在線監測所新產生的光纖指紋與原有的歷史光纖指紋比對，可及時發現被測光纖存在的老化、衰減增大、連接器松動以及誤插拔等潛在故障，實現了光纜信息的全壽命周期管理。

3.3 故障測試

模擬故障發生過程，則發生故障時的監測情況如圖3所示。在發生光纜故障后，第一時間可從智能網管中看到數據中第二個點位之后的數據消失。這是因為現場人員將第二個點位之后的光纜尾纖拔出模擬干路光纖出現故障，后面的點位數據全部消失并產生一些新增反射點。

圖3 光纜故障時的監測情況

3.4 與其他應用方案的對比分析

傳統的配電自動化通信系統出現終端故障掉線后，需要工作人員抵達設備現場，通過觀察設備運行指示燈、光功率計以及OTDR測試儀等手段進行掉線原因測試。其中，分析故障原因和進行預處理導致缺陷的恢復時間較長。而采用光纖在線監測系統的通信線路，可在第一時間精準定位光纜故障和缺陷位置，減少中間的冗余環節，有效縮短了缺陷修復的時間。根據光纖在線監測系統運行3個月的結果統計分析，光纜故障平均恢復時間縮短了近3 h。

4 結 論

光纖在線監測系統實現了光纜資源智能化的運維，是物理世界和虛擬世界連接的橋梁。它通過在線光纜或通信網絡資源的數據收集和監測，對故障搶修和巡檢提供輔助決策，并可提供科學、合理的光纜智能運維方案和可行性較強的光纜應急搶修及巡檢方案，為光纜資源的精益化運維管理奠定了技術基礎。同時，光纖在線監測系統也存在缺點和不足。一是該系統目前未與電力GIS等系統進行融合，不能使不可見的光纜網絡資源數據實現可視化。二是該系統未與現有EPON專業網管系統進行融合和數據共享，不能達到告警自動分析和自動派單。隨著理論研究和應用技術的不斷進步，光纖在線監測在配電自動化通信光纜資源管理中將會發揮越來越重要的作用。