自動(dòng)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

　　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(dòng)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(dòng)光纜成端單元和OTDR單元的原理和研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)比了光纖自動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)光纜成端;光時(shí)域反射;機(jī)械手

　　《電線電纜》(雙月刊)創(chuàng)刊于1958年，由上海電纜研究所主辦。本刊是線纜行業(yè)主要的學(xué)術(shù)性刊物，供電線電纜科研、設(shè)計(jì)、制造及使用部門的廣大科技人員及大專院校師生學(xué)術(shù)交流與參考。

　　引言

　　一個(gè)龐大的電力光纖通信網(wǎng)絡(luò)鏈路支撐著整個(gè)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(duì)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(yíng)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(dòng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(jí)。

　　(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(zhǎng)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(dòng)光纜成端及故障自愈系統(tǒng)包括端口自動(dòng)對(duì)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(duì)系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。

　　1 光纜自動(dòng)成端技術(shù)

　　目前，業(yè)界在光纜自動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)相關(guān)損耗非常低、對(duì)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。可將任意輸入反射鏡/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(gè)缺點(diǎn)是不抗震動(dòng)，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(gè)缺點(diǎn)是插損大于2dB，成對(duì)使用時(shí)對(duì)調(diào)度業(yè)務(wù)引入4dB插損;第三個(gè)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(duì)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(zhǎng)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(duì)比[4]。

　　2 OTDR技術(shù)

　　光纜監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(hào)，檢測(cè)光信號(hào)水平并執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換將電信號(hào)輸入信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元一方面需要產(chǎn)生固有時(shí)鐘信號(hào)，另一方面需要量化電信號(hào)并繪制出測(cè)試曲線。

　　衡量OTDR測(cè)試水平的主要指標(biāo)是動(dòng)態(tài)范圍和線性度。動(dòng)態(tài)范圍決定OTDR可測(cè)試的最大線路長(zhǎng)度，線性度決定OTDR測(cè)量光纖單位衰耗的準(zhǔn)確度。動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍較小，而待測(cè)光纖具有較高的損耗，則光纖末端會(huì)湮沒在噪聲中。動(dòng)態(tài)范圍與LD發(fā)出的最大光功率與APD可探測(cè)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(dòng)對(duì)接系統(tǒng)

　　本文提出一種基于機(jī)械手的光纖自動(dòng)對(duì)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(dòng)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(dòng)到所有成端位置。以下具體介紹各單元功能。

　　輸入單元盤：?jiǎn)蝹€(gè)圓盤可配置多個(gè)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(dòng);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(gè)連接器一邊接入跳纖，與對(duì)外輸出口連接;另一邊接入跳纖，等待與對(duì)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(dòng)控制光纖長(zhǎng)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(dòng)，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(dòng)，到達(dá)定點(diǎn)成端位置;控制盤上的機(jī)器人單元轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)輸入盤使之移動(dòng)某個(gè)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(shí)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(duì)接。

　　整個(gè)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(zhǎng)光纖端面壽命。

　　系統(tǒng)的電路單元主要為機(jī)械手，有四個(gè)機(jī)械自由度：升降、旋轉(zhuǎn)、直移、擺動(dòng)，五個(gè)電機(jī)控制點(diǎn)：升降-旋轉(zhuǎn)-平移-抓取-對(duì)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(shí)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(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自然適應(yīng)光纖圓弧形布放規(guī)則，對(duì)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(gè)連接頭。可實(shí)現(xiàn)最大288個(gè)端口成端。由于機(jī)械手沿固定環(huán)狀軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)路徑清晰，計(jì)算簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可以做到零出錯(cuò)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(gè)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(duì)多個(gè)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(duì)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(cè)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(jí)完成恢復(fù)。

　　為了實(shí)現(xiàn)軟件控制功能，需對(duì)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(zhǎng)監(jiān)控范圍的全智能系統(tǒng)，從而達(dá)到對(duì)光通道遠(yuǎn)程遙控成端及光纖線路衰耗的實(shí)時(shí)檢測(cè)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(zhǎng)的光纜路由調(diào)度、光纖性能監(jiān)測(cè)、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(hào)監(jiān)控、光路保護(hù)、光纖路由調(diào)度，具有低功耗、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(dòng)光纜成端及故障自愈系統(tǒng)。通過對(duì)比分析多種自動(dòng)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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