OTDR的光纖回路在線監(jiān)測研究范文
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《寧夏電力雜志》2014年第六期
1otdr的工作原理
1.1基本原理圖2所示為光纖回路的基本工作原理。光纖線芯為玻璃纖維，入射的光線在纖芯與包層之間全反射，沿著玻璃纖維的物理路徑進(jìn)行傳輸［1］。要想明白OTDR的工作原理就必須掌握2個光學(xué)原理———瑞利散射和菲涅爾反射。
1.1.1瑞利散射瑞利散射是指光波在光纖傳輸時，遇到一些比光波波長小的微粒而向四周散射導(dǎo)致光功率減小的現(xiàn)象，是光纖的一種固有損耗。如圖3所示。
1.1.2菲涅爾反射菲涅爾反射［2］就是光在從1種介質(zhì)（光纖）傳到另外1種介質(zhì)（空氣）中時，被沿原介質(zhì)（光纖）反射回來，如圖4所示。一般在在光纖的機械固定接頭、光纖連接器、光纖斷裂、光纖的終點等處都會發(fā)生菲涅爾反射。
1.2工作原理OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表。OTDR的工作原理就是發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，會由于光纖本身的性質(zhì)，連接器，接合點，彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射，反射。其中一部分的散射和反射就會返回并被OTDR端口接收。OTDR探測器對這些有用的返回信息進(jìn)行分析計算，就可以得到光纖內(nèi)不同位置上的時間或曲線片斷，通過計算從發(fā)射信號到返回信號所用的時間還可以計算出距離，從而掌握光纖鏈路的實際運行工況和光線傳播情況［3］。
1.3工作特征OTDR就是充分利用瑞利散射和菲涅爾反射的原理進(jìn)行工作并表征光纖特性的。OTDR發(fā)射模塊將測量光波射入被測光纖，光信號沿著光纖發(fā)生瑞利散射，產(chǎn)生無規(guī)律的散射光波。其中一部分就會被背向散射回OTDR的測量接收端口。這些背向散射光波信號能夠準(zhǔn)確、實時地線性表征光波由光纖而導(dǎo)致的衰減（損耗/距離）程度，所形成的典型的軌跡是1條向下的曲線，說明背向散射的功率在不斷減小，光波經(jīng)過一段距離的傳輸后發(fā)射和背向散射的信號都有所損耗。菲涅爾反射由整條光纖中的個別點，例如玻璃與空氣的間隙而引起，是離散性的反射。由于這些點的因素，造成反向系數(shù)各有差異。在某些點上，會有很強的背向散射光被反射回來。OTDR就是利用菲涅爾反射的光波信息來定位連接點，光纖終端或斷點。
2.1總體思路在線監(jiān)測的首要設(shè)計原則是絕對不能影響光纖回路的正常工作，通過基于OTDR的技術(shù)方案對由戶外進(jìn)入通信機房、控制室內(nèi)的光纖全回路進(jìn)行實時監(jiān)測。另外一個重要的原則是整體方案成本可控。OTDR的工作原理是發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，利用散射和反射回來的光波信息進(jìn)行分析計算，掌握光纖鏈路的實際運行工況和光線傳播情況，監(jiān)測光波和工作光波會在同一根光纖中傳播。因此在監(jiān)測光纖始端，要用到波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術(shù)對2種光波的緊密光譜間距進(jìn)行合波復(fù)用。監(jiān)測用特征波長的光波通過散射和反射返回，被OTDR接收用來計算分析光纖鏈路的工況。工作用特征波長的光波也在光纖回路中正常傳播。當(dāng)兩者同時到達(dá)光纖尾端的接收裝置時，采取技術(shù)措施對監(jiān)測光波進(jìn)行處理，以確保對裝置的性能和作用不造成任何附加影響。解決這個問題可以有多種措施。例如在WDM合波階段就可以將OTDR發(fā)射的監(jiān)測光波打上特殊的標(biāo)識、接收裝置對帶有特殊標(biāo)識的監(jiān)測光波信號進(jìn)行屏蔽處理?；蛘吒鶕?jù)監(jiān)測光波和工作光波兩者波長不同的特點，對接收裝置的信號算法進(jìn)行優(yōu)化，只取工作波長的光波信號進(jìn)行運算分析，保證裝置邏輯正確、動作可靠。此外還可以從硬件結(jié)構(gòu)入手解決這個問題，如對接收裝置進(jìn)行重新設(shè)計，配備可根據(jù)不同波長進(jìn)行過濾設(shè)置的濾波器，能將復(fù)用的監(jiān)測光波信號徹底過濾。通過這一系列的技術(shù)手段，可以保證OTDR發(fā)射的監(jiān)測光波能實時、準(zhǔn)確、可靠地反應(yīng)被測光纖的實際運行工作狀態(tài)，又不會影響工作光波的正常傳播，同時對光纖裝置的邏輯運算和正常運行不造成任何影響。
2.2解決方案根據(jù)以上原理和思路，可以對多路光纖在監(jiān)測進(jìn)行設(shè)計。將這種思路進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)擴展，考慮到場站會有若干的通信機房或集控小室都有光纖接入，可以讓每個小室的光纖統(tǒng)一經(jīng)由光纖配線架入戶，對光纖配線架進(jìn)行智能化改造，在每一對光纖轉(zhuǎn)接法蘭處安裝OTDR模塊、通信管理模塊和WDM裝置。每個小室視為1個單元并配置1套監(jiān)控管理系統(tǒng)子站，主控室設(shè)置監(jiān)控管理系統(tǒng)主站服務(wù)器，各個子站的監(jiān)控管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與主控室的主站服務(wù)器連接組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。通信管理可以是有線的也可以是無線。在后臺管理系統(tǒng)中可以嵌入多種高級應(yīng)用模塊，如光纖鏈路的可視化運行工況圖、損耗情況、故障定位、數(shù)據(jù)查詢以及自動告警等等。如果將系統(tǒng)功能再進(jìn)一步擴展，以該智能變電站的全站系統(tǒng)配置文件（SubstationConfigurationDescription，SCD）二次虛端子配置圖為依據(jù)，將每個監(jiān)測節(jié)點根據(jù)功能作用進(jìn)行標(biāo)識設(shè)置，并把相應(yīng)的告警信號接入變電站監(jiān)控系統(tǒng)的告警模塊中，那么全站的整個二次回路就可以通過實時監(jiān)測方式非常直觀、清晰、準(zhǔn)確地展示出來了。這種方案的優(yōu)點在于每1根需要監(jiān)控的光纜都是用獨立的OTDR模塊進(jìn)行監(jiān)控，完全不必中斷正常設(shè)備的工作，可以達(dá)到最高的實時性。缺點是OTDR模塊和通信管理模塊的技術(shù)要求很高，既要滿足光纖轉(zhuǎn)接法蘭的安裝要求又必須安全可靠，而且成本比較高?？紤]到技術(shù)難度和推廣成本等問題，可以對方案進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整，如不必做到全網(wǎng)監(jiān)測，只對部分重要的光纖回路進(jìn)行監(jiān)測，這樣可以大大降低實現(xiàn)的技術(shù)難度和成本。
3效果評價
隨著智能電網(wǎng)迅速地發(fā)展，其規(guī)模將會越來越大，安全穩(wěn)定運行要求越來越高，技術(shù)要求也愈加嚴(yán)格。智能變電站光纖鏈路的在線監(jiān)測和管理目前還處于技術(shù)空白，該解決方案能使智能變電站內(nèi)通信內(nèi)容的采集方式更加合理，通信過程的監(jiān)測完全符合真實情況，直接提高了智能變電站內(nèi)通信過程的在線監(jiān)測的真實性，間接完善了智能變電站二次狀態(tài)監(jiān)測的水平。同時可以研究開發(fā)多項新技術(shù)和新工藝，例如光纖阻斷與恢復(fù)、光纖在線功率及通信內(nèi)容監(jiān)測、集成式光纖斷路器和特種光纖監(jiān)測法蘭盤設(shè)計等等，最終形成能夠?qū)贗EC61850智能變電站全覆蓋式的實時全景監(jiān)控。在技術(shù)管理方面可以構(gòu)建一整套與光纖鏈路相關(guān)的管理規(guī)定和規(guī)章制度，進(jìn)一步提升智能變電站的綜合管理水平。
4結(jié)論
（1）通過基于OTDR的在線監(jiān)測方案可以說填補了目前光纖鏈路監(jiān)測和管理的技術(shù)空白區(qū)，符合國家電網(wǎng)公司關(guān)于新一代智能變電站關(guān)鍵技術(shù)的總體思路和要求。（2）全站整體設(shè)計方案能使智能變電站內(nèi)通信內(nèi)容的采集方式更加合理，通信過程的監(jiān)測完全符合真實情況，提高了智能變電站內(nèi)通信過程的在線監(jiān)測的真實性，完善了智能變電站二次狀態(tài)監(jiān)測的水平。（3）在此方案基礎(chǔ)上還可以構(gòu)建起一整套與光纖鏈路相關(guān)的管理規(guī)定和規(guī)章制度，進(jìn)一步提升全站的綜合管理水平。
作者：黃鳴宇單位：國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院