刘 晓，王 佳，周 杨，汤 俊

（国网四川省电力公司成都供电公司，四川 成都 610004）

1 配电网通信系统光缆网架现状和问题

目前，国内现存的配电自动化通信网络光缆运行维护方法未能实现对光纤资源的实时监测，一般采用事后光时域反射仪（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）仪表进行检测和故障处理，无法预知故障。首先，暗光纤在线监测系统只能针对备用光纤，不仅占用宝贵的光纤资源，也无法实时监测业务光纤，造成配电通信光缆的纤芯老化与劣化难以被跟踪，运维方式被动。其次，配电通信网络组网灵活，拓扑结构复杂，传统的事后检测定位精确度不高，耗时较长，维护效率低下。最后，配电通信光缆历史数据难以管理与比对，光缆网络资源无法可视化，路由、杆位以及管道部分冗余光缆无法精确校准，难以满足精益化管理要求[1]。

成都公司配电自动化通信网络是以EPON通信方式为主和无线公网通信方式为辅的接入方式。截至2016年底，在运行的配电自动化通信光缆已达2 196.6 km，普遍存在多联络和多分支的情况。光缆路由复杂，资料管理和更新的难度较大。根据2017年度通信系统运行方式的统计，配电自动化通信网络共发生故障400余起，其中光缆故障287起，占比71.75%。这说明光缆系统的运行情况严重影响配电自动化系统的实用性指标，迫切需要以技术手段为支撑、管理手段为保障来提高配电自动化系统的可靠性和稳定性。

2 基于相干光时域反射的光纤在线监测技术

2.1 相干光时域反射技术原理

相干光时域反射（Correlated Optical Time Domain Reflection，Correlated-OTDR）技术不是简单的单脉冲技术，而是采用低功率数字编码激光器，不仅能产生少量单脉冲，而且能产生大量连续不间断的调制脉冲，并注入到被监测的光纤中。

相干光的入射光脉冲从光纤的一端注入。用光探测器探测到的后向散射信号是脉冲宽度前二分之一的区域内各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信号。通过检测后向瑞利散射光强度的变化和入射光脉冲与检测到的后向瑞利散射信号之间的时延差，可以确定光纤指纹的分布情况。

当光纤一端注入宽度为W的光脉冲时，在光纤输入端接收到的后向散射光场为：

式中，αi和τi分别为第i个后向散射光波的幅度和时延；N为散射光总数；α为光纤衰减常数；c为真空中的光速；nf为光纤折射率。当时，，其他时刻为0。

当光纤线路上某些区域的外形应变发生变化时，该区域光纤的折射率和瑞利散射光相位随之发生变化，可以表示为：

式中，光纤折射率nf和散射距离单元sij的变化依赖于光纤外形应变的变化。变化区域内的散射光传输到高灵敏度接收器的相位差发生变化，最终会引起后向瑞利散射光强度的变化。

2.2 配电自动化通信系统特点

配电自动化通信系统中广泛采用EPON通信技术。它与骨干通信网的SDH技术体制之间主要存在两点区别：一是EPON通信技术物理层上根据IEEE 802.3—2005规定采用单纤波分复用技术（下行1 490 nm，上行1 310 nm）实现单纤双向传输；二是EPON通信技术是点到多点（Point to Multipoint，P2MP）拓扑的网络结构，采用星型、链型、全保护总线型、树型、双总线手拉手型以及上述方式的混合组网，拓扑结构复杂。这些不同点导致光纤在线监测技术应用在配电自动化通信系统中存在难度。一般的EPON光链路和纤芯使用如图1所示[2]。

图1 多PON链路示意图

光缆N1芯中的业务波长经过分光器1、分光器2、…、分光器n1的多级分光，使通信终端ONU1、ONU2、…、ONUn1中的业务数据正常传输。同样的，光缆N2芯中的业务波长使另外PON口的ONU1、ONU2、…、ONUn2中的数据正常传输。

2.3 光纤在线监测技术在配电自动化通信系统中的应用方案

根据图1，业务波长会在分光器节点处产生大的反射高峰。这个反射高峰不同于光缆线路上正常的熔接衰耗、连接器和机械弯曲产生的反射值，如果将它的特征作为光纤在线监测系统中识别和判断分光器和ONU设备地理位置的依据，那么可以在复杂拓扑的配电自动化通信系统中应用光纤在线监测技术。

相干光时域反射的测试波长选用国际标准的1 625 nm波长。由于测试波长与业务波长间隔较宽，因此它能够消除测试光对业务信号的影响。

3 应用实例

3.1 部署情况

统计和分析光缆缺陷数据后得出，110 kV金沙变电站内出线的配电自动化通信光缆缺陷率较高，因此选择在金沙变电站部署光纤在线监测系统。系统的逻辑图如图2所示。变电站内存在通信光缆终端（Optical Line Terminal，OLT）设备。业务光纤从OLT设备的PON口引出，相干光时域反射光纤从光纤监测控制设备（Remote Terminal Unit，RTU）引出。业务光纤和检测光纤通过WDM合解波盒耦合进同一根光纤中进行传输，经过链路上的光连接器、分光器等连接通信终端ONU和配电终端如DTU、FTU等。链路上的每一点都会产生反射信号，而反射信号和业务信号通过同一根业务纤芯回传到变电站端。通过合解波盒解耦合后，反射信号由高灵敏度接收器接收、分析以及计算，从而获得该条业务光纤链路的长度、衰耗、断点位置以及光纤指纹等运行信息。站端RTU设备收集的数据通过SDH骨干传输网承载进行全IP化组网，并汇聚到中心机房的网管系统，实现光缆资源的集中监控、集中管理以及集中运维。

图2 光纤在线监测系统部署逻辑示意图

目前，在金沙变部署了2套光纤监测控制设备，完成了金沙变至同盛路方向EPON链路、金沙变至至沙晋路方向EPON链路等8芯业务光缆的在线监测业务。

3.2 应用效果

系统通过在线监测所新产生的光纤指纹与原有的历史光纤指纹比对，可及时发现被测光纤存在的老化、衰减增大、连接器松动以及误插拔等潜在故障，实现了光缆信息的全寿命周期管理。

3.3 故障测试

模拟故障发生过程，则发生故障时的监测情况如图3所示。在发生光缆故障后，第一时间可从智能网管中看到数据中第二个点位之后的数据消失。这是因为现场人员将第二个点位之后的光缆尾纤拔出模拟干路光纤出现故障，后面的点位数据全部消失并产生一些新增反射点。

图3 光缆故障时的监测情况

3.4 与其他应用方案的对比分析

传统的配电自动化通信系统出现终端故障掉线后，需要工作人员抵达设备现场，通过观察设备运行指示灯、光功率计以及OTDR测试仪等手段进行掉线原因测试。其中，分析故障原因和进行预处理导致缺陷的恢复时间较长。而采用光纤在线监测系统的通信线路，可在第一时间精准定位光缆故障和缺陷位置，减少中间的冗余环节，有效缩短了缺陷修复的时间。根据光纤在线监测系统运行3个月的结果统计分析，光缆故障平均恢复时间缩短了近3 h。

4 结 论

光纤在线监测系统实现了光缆资源智能化的运维，是物理世界和虚拟世界连接的桥梁。它通过在线光缆或通信网络资源的数据收集和监测，对故障抢修和巡检提供辅助决策，并可提供科学、合理的光缆智能运维方案和可行性较强的光缆应急抢修及巡检方案，为光缆资源的精益化运维管理奠定了技术基础。同时，光纤在线监测系统也存在缺点和不足。一是该系统目前未与电力GIS等系统进行融合，不能使不可见的光缆网络资源数据实现可视化。二是该系统未与现有EPON专业网管系统进行融合和数据共享，不能达到告警自动分析和自动派单。随着理论研究和应用技术的不断进步，光纤在线监测在配电自动化通信光缆资源管理中将会发挥越来越重要的作用。