一種適用于智能變電站光纖回路批量驗收的工具設(shè)計

楊泳星 蘇敏銳 張堅俊

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司潮州供電局）

0 引言

近些年來，人類傳遞信息的手段隨信息量增加而不斷發(fā)展，為滿足信息高效傳輸，光纖網(wǎng)絡(luò)獲得快速普及。光纖網(wǎng)絡(luò)就是將光纖作為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)傳輸、交換等，不僅耗能低，而且傳輸速度極快，廣泛應(yīng)用于我國各個領(lǐng)域之中。而光纖一般是由較為脆弱的玻璃等材料制作而成，光纖鏈路纖維直徑為微米級別，猶如人類頭發(fā)一般細(xì)。在智能變電站中光纖回路安裝過程中，由于光纖的脆弱性，極易被破壞，而光纖回路上承載了海量信息，如果出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重影響信息通信的有效性。因此，在智能變電站光纖回路建設(shè)完畢之后，需要對回路穩(wěn)定性進(jìn)行驗收，驗收合格才可以投入使用。一般傳統(tǒng)的光纖回路驗收方案是利用光時域反射儀來測量回路上信號，并根據(jù)信號分布情況來定位光纖回路中的故障點，該方案雖然具有較高準(zhǔn)確度，但操作復(fù)雜，不適合大批量的智能變電站光纖回路驗收工作，所以本文設(shè)計一種批量驗收的工具，為確保光纖回路可靠性以及降低工作人員負(fù)擔(dān)做貢獻(xiàn)。

1 光纖回路批量驗收工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文主要設(shè)計一套用于智能變電站光纖回路驗收及運(yùn)維的工具[1]，通過該工具來解決當(dāng)前面對大批量光纖回路驗收及運(yùn)維時存在的沒有針對性、操作繁瑣低效、過程混亂不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯栴}。本文所設(shè)計的光纖回路批量驗收工具主要針對光纖回路的各項布線和性能要求，依據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范專用接口進(jìn)行定制，可以實現(xiàn)高效率、大批量測試光纖回路連接正確性與完好度、收發(fā)及衰減合格率、鋪設(shè)布線標(biāo)準(zhǔn)度等內(nèi)容，并生成標(biāo)準(zhǔn)格式報告，填補(bǔ)專用工器具的空缺。其組成框圖如圖1所示。

圖1 光纖回路批量驗收工具組成框圖

為實現(xiàn)上述目的，本文為該光纖回路驗收批量驗收工具的結(jié)構(gòu)提供了如下設(shè)計方案[2]：一套適用于智能變電站光纖回路驗收及運(yùn)維的工具，主要包括多功能電力光纖測試儀、多個小型單點測試終端、接口轉(zhuǎn)換器、多根專用光纖、布線專用尺。其中測試儀設(shè)置有24個光口、紅光發(fā)射接口和OTDR接口，具備收發(fā)能力、測試能力、人機(jī)界面顯示、數(shù)據(jù)拷貝功能、充電功能、放電功能和可背光功能。測試儀與單點測試終端之間需要具備通信能力，通過組合使用完成批量收發(fā)對線、批量測功率、紅光測試和OTDR故障檢測。當(dāng)本文所設(shè)計工具進(jìn)行批量收發(fā)對線作業(yè)時，測試儀會接入過程層交換機(jī)光口，同時測試儀接入多根光纖，光纖對側(cè)分別接入單點測試終端；當(dāng)本文所設(shè)計工具進(jìn)行批量測功率作業(yè)時，測試儀會接入過程層交換機(jī)的光口，單點測試終端接入過程層交換機(jī)的對側(cè)間隔光口；當(dāng)本文所設(shè)計工具進(jìn)行紅光測試和OTDR故障檢測時，測試儀的紅光發(fā)射口或OTDR接口接入光纖。工具結(jié)構(gòu)中的接口轉(zhuǎn)換器具備多種型號光纖接口，每種光纖接口數(shù)量均不小于2個。工具結(jié)構(gòu)中的多根專用光纖具備彎徑收線功能，布線專用尺控制彎曲角度。工具結(jié)構(gòu)中的布線專用尺使用圓弧外切線測量彎曲半徑。通過本文所設(shè)計的適用于智能變電站光纖回路批量驗收及運(yùn)維的工具，可以批量連接上多條光纖，發(fā)射不同波長的光，批量發(fā)射、批量接收，加快驗收速度，提高測試效率，降低人力投入，縮短質(zhì)檢工期，應(yīng)用性與實用性強(qiáng)，推廣應(yīng)用前景良好。同時，隨著光網(wǎng)絡(luò)在配網(wǎng)生產(chǎn)、市場營銷的進(jìn)一步發(fā)展，還具備較強(qiáng)的延伸性。

2 光纖回路批量驗收工具的技術(shù)方案

2.1 光纖批量收發(fā)測功率

本文所設(shè)計的適用于智能變電站光纖回路批量驗收工具主要包括光纖批量收發(fā)對線、光纖批量收發(fā)測功率以及紅光測試和OTDR故障檢測這三個功能。光電轉(zhuǎn)換技術(shù)處理后經(jīng)A/D變化，由微機(jī)計算生成結(jié)果。通過光時域反射原理（OTDR）測量評估返回的散射光情況，判斷光路質(zhì)量。光頻率識別技術(shù)完成多點回路同時識別。采用無線通信傳輸技術(shù)，實現(xiàn)單點終端數(shù)據(jù)回傳測試主機(jī)。人機(jī)界面和多接口擴(kuò)展，自帶可充電源，提高易用性和實用性。使用圓弧外切線測量光纖彎曲半徑，減少目測誤差。首先，關(guān)于光纖批量收發(fā)測功率：測試儀同時接入24根光纖，測試儀接入過程層交換機(jī)的發(fā)信接口側(cè)發(fā)光功率，單點測試終端接入各間隔發(fā)信光口測收光功率；測試儀同時接入24根光纖，測試儀接入過程層交換機(jī)的發(fā)信接口側(cè)發(fā)光功率[3]，單點測試終端接入各間隔發(fā)信光口測收光功率；單點測試終端回傳數(shù)據(jù)及對應(yīng)編號至測試儀，測試儀終端統(tǒng)一生成各對光纖兩側(cè)收發(fā)功率、衰減數(shù)值、靈敏度，判別各項是否合格，并具備標(biāo)準(zhǔn)報告格式可供查閱及導(dǎo)出。

2.2 光纖批量收發(fā)對線

測試儀同時接入24根光纖，測試儀接入過程層交換機(jī)的發(fā)信接口，光纖對側(cè)接入單點測試終端的收信接口。過程層交換機(jī)依次發(fā)射光波，測試儀分別記錄發(fā)信、收信光口編號；測試儀同時接入24根光纖，測試儀接入過程層交換機(jī)的收信接口，光纖對側(cè)接入單點測試終端的發(fā)信接口。過程層交換機(jī)依次接收光波，測試儀分別記錄發(fā)信、收信光口編號。多接口匹配，實現(xiàn)批量收發(fā)測試，高效解決工作難題。采用光頻率識別技術(shù)[4]，自動完成光端口對線識別。光頻率識別技術(shù)主要根據(jù)微波頻率與功率之間的關(guān)系，對光纖回路中所探測出的電信號進(jìn)行處理，從而得到光頻率信息。本文綜合考慮光纖回路批量驗收工具的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性，通過測量光功率來識別微波頻率信息，進(jìn)而提升驗收工具的可靠性。假設(shè)光纖回路中輸入光波信號為g(t0)=φcos(Ωt0)，式中，φ為光波信號的幅度；t0為光波信號傳輸時間；Ω為角頻率。那么可以通過下式來計算光功率：

式中，Q表示光纖回路批量驗收工具所測量的光功率參數(shù)；f表示光波長參數(shù)；λ1、λ2分別表示光波時延參數(shù)。同時本文所設(shè)計的驗收工具為實現(xiàn)切實可行的光頻率識別方案，需要消除光纖介質(zhì)損耗等影響。然后結(jié)合光功率與微波頻率之間的映射關(guān)系，利用式（1）來確定光纖回路中的光頻率，進(jìn)而完成光端口對線識別。

2.3 紅光測試和OTDR故障檢測

光纖本側(cè)接入測試儀紅光發(fā)射口，對側(cè)通過紅光辨別光纖。常規(guī)紅光測試需要把對側(cè)光纖彎折一定角度才能看到透出的紅光，本方案通過提高光強(qiáng)，加上布線專用尺控制彎曲不超過損傷角度，就能看到透出的光；光纖接入測試儀的OTDR接口，定位光纖斷鏈的故障點[5]。根據(jù)光的后向散射與菲涅耳反向原理，利用光在光纖中傳播時產(chǎn)生的后向散射光來獲取衰減的信息，測量光纖故障點分布情況。其中光時域反射儀（OTDR）是由時域反射儀發(fā)展而來的，將光脈沖作為探測信號，以特定的角度輸入智能變電站光纖回路的起始端，光脈沖就會在光纖回路中進(jìn)行傳輸，由于光纖回路的瑞利散射特性，光脈沖會不斷傳輸至入射端直接被光時域反射儀所接收，如果光纖回路中存在故障點，那么會導(dǎo)致光纖介質(zhì)的折射率發(fā)生改變，從而導(dǎo)致背向反射光返回光纖回路入射端，所以本文將OTDR應(yīng)用于光纖回路批量驗收工具中，來檢測光纖回路故障。已知光脈沖在光纖回路中的傳播速度，根據(jù)下式來計算光脈沖的傳輸距離：

式中，l表示光脈沖在光纖回路中的傳輸距離參數(shù)；v表示光脈沖的傳播速度參數(shù)；t表示光脈沖在光纖回路中的往返時間參數(shù)；δ表示光纖回路的折射率參數(shù)。綜上所述，本文所設(shè)計光纖回路批量驗收工具中的OTDR故障檢測，就是在待驗收光纖回路中注入光脈沖信號，根據(jù)反射光來確定該光纖回路中是否存在故障點。

3 實例應(yīng)用

前面內(nèi)容對光纖回路批量驗收工具的詳細(xì)設(shè)計方案進(jìn)行了介紹，本文將對該工具的OTDR故障檢測功能進(jìn)行驗證。使用本文所設(shè)計的光纖回路批量驗收工具對10條光纖回路進(jìn)行故障檢測，同時選用普通光纖回路驗收系統(tǒng)作為實驗對照組，對兩種驗收方案的故障檢測準(zhǔn)確性以及時效性進(jìn)行對比分析。故障監(jiān)測結(jié)果如下表所示。

表 光纖回路故障檢測結(jié)果對比表

由上表可知，普通光纖回路驗收系統(tǒng)的故障檢測準(zhǔn)確率平均為69.71%，而本文所設(shè)計的光纖回路批量驗收工具幾乎可以將全部故障點準(zhǔn)確檢測出來，其故障檢測準(zhǔn)確率平均高達(dá)95.48%，較普通驗收系統(tǒng)提升15.77%，具有更好的故障檢測精度。與此同時，獲得這兩種驗收方案的故障檢測時間結(jié)果如圖2所示。

圖2 光纖回路故障檢測時間曲線圖

由圖2可知，對于這10條光纖回路，普通光纖回路驗收系統(tǒng)的故障檢測時間共10.4s，而本文所設(shè)計的光纖回路批量驗收工具平均檢測時間共2.6s，較普通驗收系統(tǒng)縮短了7.8s，具有更高的故障檢測效率。綜上所述，針對OTDR光纖回路故障檢測，本文所設(shè)計的光纖回路批量驗收工具性能更加優(yōu)越，更適用于智能變電站中。

4 結(jié)束語

隨著光纖網(wǎng)絡(luò)的迅速普及，智能變電站的光纖回路的維護(hù)管理工作量不斷增大。因此，為確保智能變電站光纖網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，對光纖回路安裝效果的驗收工作十分必要。本文為提升智能變電站光纖回路驗收效率，設(shè)計一種適用于智能變電站光纖回路批量驗收的工具，經(jīng)過實例應(yīng)用驗證了該工具性能良好，可以準(zhǔn)確、高效地實現(xiàn)光纖回路驗收，減少對人力物力的需求。