超长程光缆调度与监测研究

周文婷，王 鑫，张海波，胡红艳，艾克热木

(国网新疆电力有限公司信息通信公司，乌鲁木齐 830002)

0 引 言

随着光纤网络在电力系统中越来越广泛的运用，无论是主干光网络还是电力配网中的无源光网络 (Passive Optical Network，PON)，日益增加的用户终端数量使得运维部门在光纤维护和故障排查方面面临的压力日益增加[1]。此外，在新疆和内蒙等地域辽阔的地区，超长程光缆广泛使用。光缆在敷设过程中，经常要越过沙漠和山区等险峻偏僻的无人地区，这些地区缺乏正常的交通条件，建立和运维中继站的成本很高。因此，复杂的超长程路途环境对光通信网络运维的不利影响愈发凸显。需要研发一种有效的超长程光缆在线监测系统，革新超长程光通信网络的运行维护模式。

本文涉及光纤自动交换技术和拉曼放大技术，模拟新疆电力公司750 kV伊犁-库车375 km超长距光缆路由环境，包括400 km超长光路主备光纤调度切换和光缆性能监测的测试研究工作，为超长程光缆智能运维系统的搭建奠定基础。

1 技术基础

1.1 光纤自动交换技术

传统电力光网运行维护方式处在原始的人工模式下，一般需要检修人员奔赴现场进行测试及跳纤等操作。针对光纤检测最普遍也是最接近原始的方法就是采用手持光时域反射仪(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)对光纤网络进行逐段排查，该方法固然最终会检测出光纤的故障点所在位置，但整个排查过程耗时耗力，对同一光纤上正常工作的设备也会造成断网的影响。随着电力光网规模的扩大和可靠性要求的提升，传统模式受制于地理位置分散、人工操作低效和资源采集工作繁重等诸多因素，无法满足电力光网的发展要求[2]。因此需要一种光纤自动交换技术，以解决人工到现场运维的难题。

光纤自动交换领域处于起步阶段，解决方式主要有微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技术、压电光束导向技术和物理耦合技术3种类型[3]。MEMS技术是通过微细加工技术在硅片上制作可移动的微型镜片，通过静电力等驱动镜片旋转来改变射入光信号的传播方向[4]。由于对微镜转角精度要求高，所以对控制和驱动电路精度要求更严格。此外，在接入光纤数量较大时，光信号必须经过数目较多的光波导耦合区域，从而使得信号衰耗严重[5]。通常当接入容量超过8芯时，交换衰耗已无法满足使用要求。压电光束导向技术是通过压电陶瓷等驱动材料的形变控制射入光纤准直器与射出光纤准直器方向保持一致，从而实现输入光纤与输出光纤的导通[6]。因为不需要经过其他组件，所以插入损耗等性能指标优异。但由于涉及光学器件的微控制，受失电稳定性、设备复杂度、环境要求和交换成本等方面的限制，尚无大规模应用案例[7]。物理耦合技术是利用驱动机械臂替代人手夹持对接的输入与输出尾纤，在对接板上的对接孔内进行物理耦合，如图1所示[8]。由于单次光纤交换的对接数恒定，所以衰耗稳定且满足要求。从光信号的传输机理上讲，物理耦合技术的性能指标优于其他技术，本文研究中将其作为光纤自动交换技术的实现手段[9]。

图1 物理耦合光纤自动交换

1.2 光功率放大技术

在超长距的光传输中，不可避免地存在光纤信号功率的损失和衰减。应用光纤放大器补偿光纤损耗是超长距光传输技术的研究热点[10]。

目前常用的光放大器有掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)、拉曼光纤放大器(Raman Fiber Amplifier，RFA)以及参量放大器(Optical Parametric Amplifier，OPA)等[11]。EDFA的自发辐射噪声会累计，使用EDFA的传输系统噪声功率过大导致信噪比不足，会影响光信号的传输。此外，EDFA的工作波长为1 550 nm，只能放大特定波长的光信号，使用范围受限。OPA具有噪声系数低的特点，但目前还处在研发阶段，技术还不够成熟。RFA是利用强激光在光纤中传输时的受激拉曼散射效应来工作，可实现多路光信号在一根光纤中同时放大，极大增加了光纤的传输容量和传输距离，所以本文研究中将其作为光功率放大技术手段[12]。但由于受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)需要强光激发，RFA功率很强，容易造成烧芯现象，所以如何避免放大时的烧芯现象也是本文的研究重点[13]。

2 超长程主备光纤调度切换测试

2.1 测试环境

本测试按照光纤自动交换技术的光功率自动补偿系统所需，模拟新疆电力公司750 kV伊犁-库车375 km超长距光缆路由环境搭建测试环境，该站点之间采用低损耗光缆，每公里损耗约0.168 dBm，全程线路损耗在65 dBm以内，如图2所示[14]。

图2 750 kV伊犁-库车375 km超长距光缆路由测试环境

采用基于物理耦合技术的AODF和基于拉曼放大技术的光放设备，共同测试在400 km超长光路启用光纤交换矩阵设备后能否达到传输需求，在400 km纤芯中间加遥泵。各设备运行指标如下：

(1) AODF插入损耗：1.5 dBm；

(2) FECT收光灵敏度：-25～-10 dBm，BA收光灵敏度：-8～4 dBm，前向拉曼放大器(Forward Raman Amplifier,FDRA)收光灵敏度：0～20 dBm，远程泵浦单元(Remote Pumping Unit,RPU)泵浦光1.5 W，PA灵敏度：-38～-15 dBm，FECR收光灵敏度：-25～-10 dBm[15]。

2.2 光路补偿测试

方案1：光板发光及收光侧安置光切系统(Optical Multiplex System，OMS)及AODF设备中间连接光放系统；方案2：在FDRA后、RPU前安置OMS及AODF设备；方案3：将OMS及AODF设备放置在BA和FDRA之间，使用误码检测仪测试验证业务。图3所示为光路补偿测试方案结构图。

图3 光路补偿测试方案结构图

各设备端口输入输出功率测试结果如表1所示。

表1 光路补偿测试结果

上述方案使用AODF矩阵切换设备内部线路5次，均能成功切换，切换后无告警。AODF设备在光板外侧，光板发光功率较低，使用专用尾纤和普通尾纤5次切换后无异常，法兰头端面正常无损伤。

依据测试方案2结构,AODF设备在RFA外侧，先关闭RFA再切换AODF设备，法兰头端面正常无损伤。不关闭RFA设备直接切换5次，有3次将法兰头端面损坏。RFA输出功率很高，如不关闭RFA泵浦单元光路进行切换，会导致在切换时损坏法兰端面，甚至可能发生反射光返回损伤RFA设备器件的状况，所以测试线路切换需要先手动关闭RFA才能切换。当400 km光路中断时，因RPU设备反向发光，RGU仍会收光，同时向PA发光，导致OMS仍然有收光，不会发出切换备用纤芯指令。若OMS设备安置在此处进行切换，首先需要关闭RFA泵浦单元。

2.3 光路切换测试

不启用RFA和RGU，将OMS及AODF设备放置在BA和PA之间，分别设置线路纤芯主用200 km、备用240 km，线路纤芯主用50 km、备用300 km两种场景，验证业务OMS光切系统能否自动切换。图4所示为光路切换测试方案结构图。

图4 光路切换测试方案结构图

方案1：采用AODF矩阵设备手动进行纤芯倒换，主用切备用纤芯BA及PA告警出现及消失时间<1 s，待主用纤芯恢复后，切换时间50 ms，PA及BA面板无告警。AODF及OMS插损1.5 dBm，对于整体系统基本无影响。切换5次后对法兰端面无影响。

方案2：为了验证OMS系统的光切换部分是否可以在300 km以内超长程光路中当主用纤芯中断或者低于光板收光灵敏度时自动切换至备用纤芯，同时在主用纤芯故障恢复后将纤芯从备用模式自动切换至主用。

OMS光切监测系统发光功率10 dBm ，收光灵敏度-50 dBm；测试波长为1 550 nm，测试光为脉冲光。300 km光路主用50 km纤芯；备用采用6盘50 km纤芯对接，线路损耗共计57 dBm。根据需求先拉断主用纤芯法兰接头，OMS自动将光路切换至备用纤芯，当主用纤芯光路恢复后，OMS光切系统则自动从备用模式切换回主用模式。主用切备用所用时间为70 ms，备用切主用时间为50 ms。

2.4 测试结论

(1) 结论

方案1中AODF设备放置在光板和FECT之间，能够完成400 km的超长距离业务传送，因为AODF前端没有RFA设备，在进行光路切换时不会对法兰端面造成任何损伤，由于FECT入射光门限为-10～-25 dBm，伊库线2.5 Gbit/s光板发光为0，还需在光板发光口单独加入光衰减器才能完成光路传送，所以AODF的插损并不影响整条线路性能，只是需依据备用线路增加满配光放系统，当主用线路中断后将线路切入备用光放系统中。

方案2中AODF系统放置在光放设备RFA和RPU之间，能够完成400 km的超长距离业务传送，该方案不增加光放系统，只需依据OMS系统在AODF中提前预置好备用纤芯，但在进行切换时必须联动先关闭RFA泵浦光，否则会损伤所连接的法兰端面导致业务无法恢复。

方案3中AODF系统放置在BA和RFA及RPU和PA之间，类似于方案1的设备连接结构，也能够完成400 km的超长距离业务传送，该组网方案无需备用线路配置BA和FEC设备，AODF系统在整体线路上共增加了3 dBm的损耗，因为AODF设备在RFA前，进行线路切换时也不会损伤法兰端面。

(2) 存在问题及解决方案

上述测试方案1～3在测试时均遇到OMS备用纤芯通道在进行握手通信时因RGU阻隔导致无法通信只能手动切换的问题，计划在OMS系统光纤芯备用通道上专门加入1 480 nm测试波长穿透RGU，使备用通道可以建立握手通信，从而在主用通道纤芯中断后自动切换到备用通道完成保护工作。

原有测试方案2因为OMS和AODF设备需要在RFA侧安装切换设备，当光路故障需要切换时，需先关闭RFA泵浦光才能完成切换工作，否则很容易引起光器件损伤，根据需求和设备安全需要，计划按照方案1模式进行下一步测试研究，按照伊库线组网模式，当线路中断后，在PA侧测得收光有变化，此测试计划在PA和RPU之间安装线路监测模块，用于监测当主用线路故障PA侧收光有变化后，通过OMS系统自动切换至备用纤芯。

3 超长程光缆在线监测测试

3.1 测试环境

本测试在实验室进行，为了模拟新疆电力超长距离光缆的实际情况，在实验室准备了4盘长距离光纤，均为100 km，每段光纤用活动连接头连接，从而组成全程400 km的光纤链路，TX端与RX端都装有RFA及BA和PA，在距离RX端100 km左右装有RGU，测试结构如图5所示。

图5 光缆在线监测方案结构图

3.2 测试内容

在上述测试环境中，主要测试以下内容：(1)通过启用TX端OTDR，验证OTDR测试的最大光纤距离；(2)通过启用RX端OTDR，验证OTDR测试波长是否可以穿透RGU；(3)通过将两个合波器对接，组成旁路器，验证旁路器装置是否可以绕过RGU测试，测试RGU以后的光纤；(4)在OTDR测试的最大光纤距离内人为设置线路断点，验证线路中出现故障后，是否可以准确报障；(5)分别开启RFA和BA，并将BA输出功率依次设置为9、12、14、16和19 dBm，验证开启BA后，OTDR是否可以正常测试。

3.3 测试结论

测试内容(1)～(4)是在未开启线路放大器的前提下进行，等同于整个测试环境为离线状态。由此得出的结论如下：

(1) OTDR的测试距离基本满足前期提出的单端测试180 km的性能要求。

(2) 在实验室环境下，可通过两个合波器达到旁路器效果，成功绕过线路中间的RGU设备。

(3) 线路中如果出现故障，OTDR系统也可以成功判断出故障的位置。

测试内容(5)在开启了线路放大器的前提下进行，真正意义上还原了新疆现网的测试环境。打开RFA后，OTDR无法正常测试；关闭RFA，只开启BA，输出功率为9 dBm时可正常测试，输出功率为12和14 dBm时，测试性能下降，输出功率为16和19 dBm时，无法正常测试。在此环境下得出的结论如下：

(1) 当线路中开启BA后，OTDR无法正常测试。大致原因可能是BA放大的信号功率较强，对OTDR产生了影响，导致OTDR无法正常工作。

(2) 解决方案建议，由于此次库伊线长度可达370 km，RFA和RGU都属于必不可缺的设备，导致OTDR设备接入到现网中时受到放大器的影响而不能正常测试，所以此次超长距离光缆随路在线监测系统的方案需要重新调整。建议将在线监测方案调整为离线监测与业务光纤同一路由的空余光纤，空余光纤与业务光纤在同一根光缆内，当监测到空余光纤发生故障时，业务光纤也极可能会出现故障，从而达到故障监测目的。或者选用线路中只有BA和PA的线路，BA功率不高于14 dBm，则不影响OTDR测试。

4 结束语

随着电网建设的飞速发展以及电力系统设备自动化程度的不断提升，电力通信网也得到了前所未有的发展，然而作为通信传输的基础承载网络——光缆网络的运维仍然处于人工检修模式，特别是在地域辽阔的地区，超长程光缆的普遍应用导致人工运维不及时的问题愈加突出，因此急需解决超长程光缆高效运维的难题[16]。本文通过对现有的光交换技术和光功率放大技术进行分析，对几种超长程光路补偿、光路切换[17]和光路在线监测方案进行模拟，进而提出了超长程光缆主备光纤调度及测试的有效方案，并通过在新疆地区的试点应用，验证了该方案实现长距离通信光路自动交换与测试的有效范围，为未来超长程光缆网络智能运维系统的构建奠定基础[18]。