一種光纖遠程監(jiān)測及交換系統(tǒng)的研制

吳 涵，尹云鵬

（國網(wǎng)隨州供電公司，湖北 隨州 441300）

光纜因具有容量大、抗干擾、易組網(wǎng)等優(yōu)勢，目前是電力通信的主要承載介質。當發(fā)生光纜故障時，必須調整光通信網(wǎng)絡運行方式，在最短的時間內尋找可靠路由，將受影響光鏈路倒換至其它正常運行的光纜纖芯中。目前，測試新路由通道參數(shù)、光纖跳接、路由數(shù)據(jù)收集等工作均需人工現(xiàn)場完成，耗時、費力。光纜運維工作量的激增與運維專業(yè)人員短缺的矛盾日益突出。通過遠程完成這些工作，縮短故障處理時間、提高工作效率，從而最大限度地保證電網(wǎng)安全可靠運行是十分必要和迫切的[1-2]。光纖遠程監(jiān)測及交換系統(tǒng)的研發(fā)就是基于解決這一系列問題而開展的。

1 國內外研究現(xiàn)狀

在光纜纖芯自動切換領域，目前主要有兩種技術：一是光開關技術。在承載重要業(yè)務的線路上，設置一主一備兩條路由，然后在發(fā)送和接收端安裝光開關，當其中一條路由中斷時，通過光開關進行切換，保障業(yè)務的安全[3]。國內外光纜全光交換研究在MOEMS 器件的研發(fā)和OXC 系統(tǒng)的開發(fā)這一層面，穩(wěn)定可靠的光交換器件只有2×2 和4×4 陣矩交換。其優(yōu)點是實現(xiàn)方法較簡單，缺點是可連接的最大端口數(shù)受限制，局限性明顯。二是微鏡陣列技術。該技術可實現(xiàn)大型光交叉連接，如AT&T 公司的全光波長路由系統(tǒng)，其光交叉連接系統(tǒng)可實現(xiàn)256×256 的交叉連接，可節(jié)約25%的運行費用和99%的能耗。由于需要精確和快速穩(wěn)定地控制光束，它的控制電路和結構設計較為復雜，成本更是高達幾十萬美金，目前都處在實驗狀態(tài)，無法大面積推廣[4]。

2 遠程監(jiān)測及交換系統(tǒng)架構

光纖遠程監(jiān)測及交換系統(tǒng)的主要功能包括纖芯性能的實時測試與采集、纖芯的接入及交換動作執(zhí)行、光纜資源管理等，可實現(xiàn)纖芯的跳接由現(xiàn)場人工跳接轉變?yōu)樵诳刂浦行倪h程操作，設備根據(jù)指令自動完成[5]。同時，在纖芯遠程設備組網(wǎng)運行后，設備內部的測試模塊可實時上報接入該設備的每條光纜的性能參數(shù)，以供光通道路由改變時跳接光纜纖芯參考。

本系統(tǒng)包括主站、傳輸系統(tǒng)、子站、傳輸系統(tǒng)三個部分，系統(tǒng)整體架構如圖1 所示。主站部署在供電企業(yè)的通信主機房，子站部署在變電站通信機房的光配（ODF）機柜中。主站和子站通過電力通信光傳輸系統(tǒng)（SDH）以及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)進行通信。主站包含操作平臺、服務器、交換機，可以對光纜及纖芯資源進行管理、配置，下達操作命令等。子站的纖芯交換設備通過以太網(wǎng)線/光跳線與SDH 傳輸設備相連，接入主站系統(tǒng)；與ODF中的纖芯相連，完成光纜纖芯的插拔、交換、測試、接入等功能，實現(xiàn)纖芯的自動對接。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

當某路傳輸業(yè)務的纖芯發(fā)生故障時，主站會出現(xiàn)告警信號，運維人員可以通過主站的操作平臺下發(fā)命令，使子站的交換設備完成跳纖操作，并通過將測試值上傳至主站的服務器。

子站的纖芯遠程交換設備組成如圖2 所示，包括交換伺服系統(tǒng)、通信接口、光纖交換模塊、光測試模塊、電源模塊。光纖交換模塊包含可移動機械臂，在伺服系統(tǒng)的控制及步進電機的牽引下可以進行三維移動與定位，并對纖芯進行插拔操作。

圖2 光纖交換設備系統(tǒng)框圖

光測試模塊可以通過輪詢和實時采集的方式收集光纜纖芯的性能與信息，并通網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡尽?/p>

3 技術原理

光纖交換模塊的設計即實現(xiàn)所有接入光纜中任意2 條纖芯的跳接，是本系統(tǒng)的核心工作，也是本系統(tǒng)能否實現(xiàn)的關鍵所在。在設計過程中借鑒了通信交換技術中人工交換到縱橫制交換機的演變思路，構造一個光纖矩陣板來構建交換模塊。同時，由于光信號的特殊性，目前的技術很難實現(xiàn)通過電子電路對光信號進行直接交換，只能由程序控制，利用伺服電機拖動設備內部的光纜纖芯，通過一系列的機械操作在物理上連通需要對接的光路，實現(xiàn)物理上的交換。

通過三維坐標定位法、縱橫交換原理等理論，利用機械手完成接入設備的任意纖芯的跳接，如圖3所示。對接板內依次固定排列有預制的光纖，機械手通過三維伺服系統(tǒng)，在橫向的線路連接器滑桿和縱向的繩路連接器滑桿上移動，并結合線路規(guī)劃算法解決對接過程中準確度和亂纖的問題，實現(xiàn)高精度、高效率精準配線和定位。機械手內包含傳動齒輪、插拔器、用于夾持纖芯連接器的夾持部，能夠根據(jù)指令拔纖、插纖、理纖。利用步進電機推動機械手，進行矩陣孔之間的縱橫移位，通過拔插矩陣板內光纖拔插器，進行任意2芯的對接或解除連接，實現(xiàn)通道的連通與斷開[6]。

圖3 纖芯交換模塊機械圖

具體的纖芯插拔操作是通過機械手夾持固定外部接入光纜纖芯的纖芯連接器在對接孔內做插拔運動，從而可以實現(xiàn)所述外部接入光纜纖芯與對接孔內固定的尾纖纖芯的對接，尾纖兩端的纖芯皆對接完成之后，利用尾纖的傳輸作用即可實現(xiàn)外部接入光纖的自動對接交換。

4 技術對比

本系統(tǒng)由主站端服務器協(xié)同子站端交換系統(tǒng)實現(xiàn)光纖芯遠程交換，架構合理、結構簡單，經(jīng)過實驗驗證，交換模塊內的任意2 根纖芯可以在10 分鐘內完成全部的連接或斷開動作，且成功率和可靠性均高于人工跳纖。與現(xiàn)有多種光纖自動切換技術比較，也展現(xiàn)出較大優(yōu)勢，如表1 所示。本技術交換規(guī)模大于光開關、傳輸損耗小，更具實用性。本技術較微鏡陣列技術，便捷性高、穩(wěn)定性強、綜合造價低，更適合大規(guī)模推廣。

表1 幾種光交換技術對比

5 結語

隨著智能電網(wǎng)的深入發(fā)展、數(shù)字化轉型的不斷推進，以及新型電力系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡穩(wěn)定性、可靠性的要求愈來愈高，通信光纜由人工現(xiàn)場運檢向遠程自動化智能操控轉變勢在必行。

本課題以提高光纜網(wǎng)絡運維檢修效率，縮短故障處理時間，提升通信光纜運行監(jiān)測水平為出發(fā)點，基于電子信息通信技術、縱橫機交換原理、光纖測試技術為依托，融合監(jiān)測、告警、遠端控制等功能，研制光纖遠程監(jiān)測及交換系統(tǒng)，通過接入設備的所有光纜任意2 芯的遠程自動跳接，實現(xiàn)光纜故障的快速恢復，極大地提升了通信網(wǎng)絡運行的可靠性。