電力光纖到戶光纜監(jiān)測與管理智能化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

電力光纖到戶（FTTH）建設(shè)工程是國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)的重要組成部分，是在低壓通信接入網(wǎng)中采用光纖復(fù)合低壓電纜（OPLC），將光纖隨低壓電力線敷設(shè)，實現(xiàn)到表到戶，配合無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)，建設(shè)電力光纖通信專網(wǎng)，覆蓋到每個電力用戶，承載用電信息采集、智能用電雙向交互、“三網(wǎng)融合”等業(yè)務(wù)。建成后，住戶將實現(xiàn)電力網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)的相互融合，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的共建共享，大幅降低“三網(wǎng)融合”實施成本，提高網(wǎng)絡(luò)的綜合運營效率。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，光纖到戶部署的規(guī)模將不斷擴大，網(wǎng)上光纜的數(shù)量急劇增加。在大規(guī)模、多用戶單元的環(huán)境下，如何維護這些光纜是迫切需要解決的問題。傳統(tǒng)的光纜線路維護管理模式，需要大量訓(xùn)練有素的專業(yè)人員以及測試具，故障查找困難，排障時間長，影響通信網(wǎng)的正常工作。因此，實施對光纜線路的實時監(jiān)測與管理，動態(tài)觀察光纜線路傳輸性能的劣化情況，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)報光纜隱患，實現(xiàn)對客戶業(yè)務(wù)恢復(fù)的快速高效響應(yīng)，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 ．系統(tǒng)監(jiān)測原理

與傳統(tǒng)光纜測試不同之處在于PON光纜網(wǎng)絡(luò)是一點對多點的通信連接，由于引入大分光比的分光器，分光器后面會有多條光纜，從而帶來測試的復(fù)雜性。由于PON網(wǎng)絡(luò)涉及分光器和后面大量的光纜，不適宜采用備纖測試，只能采用波分復(fù)用技術(shù)。加入波分設(shè)備（WDM），利用與PON業(yè)務(wù)波長不同的1 650 nm波長進行測試，在接收端使用濾波器把測試波長濾除，消除測試光對ONU（Optical Network Unit）的影響。

測試時1 650 nm測試光和業(yè)務(wù)光通過合波后經(jīng)過OLT（Optical Line Terminal）側(cè)光纜，到分光器件，再分到每個ONU段光纜。測試光在OLT至分光器段的光反射是單條光纜的反射信號，而分光器至ONU是將所有ONU光纜上的1 650 nm反射光傳送回來，經(jīng)過分光器聚合疊加后的反射信號送至OTDR進行分析，每段光纜的特征信號是疊加總信號中，加上測試光經(jīng)過分光器衰減后信號本身損耗較大，反射的信號也不強。為此加入特別設(shè)計的強反射器單元，以增加每段ONU光纜在最末端的反射光能量。除增強ONU末端光纜強反射外，監(jiān)測站（RTU）采用針對PON的OT-DR測試信號分析算法，以及配置專用的OTDR模塊，能分辨出長度差異在2 m內(nèi)的多條ONU光纜特征。即使采用1：64分光器，每段ONU光纜的末端反射信號都能被分辨出來。當(dāng)其中一個ONU光纜中斷，相應(yīng)的強反射峰會消失，借助這個強反射峰的消失，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確判斷出對應(yīng)光纜產(chǎn)生中斷故障。在線方式充分利用現(xiàn)有PON網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的分光器件和在用纖芯，不需要額外占用纖芯、安裝分光器和進行工程跳纖。能保證100%測試出客戶纖芯情況，且不影響現(xiàn)有用戶業(yè)務(wù)。測試方式與測試結(jié)果如圖1所示。

2 ．系統(tǒng)設(shè)計

2．1 中心站設(shè)計

系統(tǒng)采用在中間應(yīng)用服務(wù)器基礎(chǔ)上的三層體系結(jié)構(gòu)。三層體系結(jié)構(gòu)合理地將數(shù)據(jù)存儲、應(yīng)用處理和結(jié)果展示（包括圖形、數(shù)據(jù)顯示）分開，并將一部分數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用計算從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上獨立出來轉(zhuǎn)移到應(yīng)用服務(wù)器上，這就可以減輕數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的處理壓力，使得數(shù)據(jù)庫服務(wù)可以集中精力進行數(shù)據(jù)存儲管理，而圖形數(shù)據(jù)顯示和處理則充分利用GIS平臺先進、強大的圖形處理功能來進行。從整個系統(tǒng)的角度上講，負荷分配比較均勻，提高了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和圖形處理能力。監(jiān)測中心由服務(wù)器、網(wǎng)管終端計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印機及相應(yīng)的軟件等組成。設(shè)備之間通過10M／100M以太網(wǎng)相互連接，支持TCP／IP通信協(xié)議。監(jiān)測中心直接管理本區(qū)域內(nèi)的所有監(jiān)控站。中心站實現(xiàn)PON光纜網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的拓撲、配置、測試、分析、故障、性能、安全等管理功能。提供對監(jiān)控站與服務(wù)器之間鏈路的監(jiān)視功能。一旦監(jiān)控站本身或與服務(wù)器之間的鏈路出現(xiàn)故障，監(jiān)控中心應(yīng)能及時提醒用戶，并提供相應(yīng)的安全和恢復(fù)功能。監(jiān)控中心能對系統(tǒng)和所監(jiān)測的PON光纜網(wǎng)絡(luò)進行持續(xù)或間斷的測試、觀察和監(jiān)測，用以發(fā)現(xiàn)故障或性能的降低。被管理網(wǎng)絡(luò)中的RTU監(jiān)控站均由一個管理軟件平臺進行管理，在一個工作窗口上監(jiān)視整個授權(quán)管理的區(qū)域，監(jiān)控中心的服務(wù)器支持所有RTU進行的時間同步和狀態(tài)監(jiān)視。

2．2 監(jiān)測站設(shè)計

FTTH監(jiān)測站（RTU）是本系統(tǒng)的核心，該監(jiān)控單元擁有與OTDR儀表相同的測試功能和精度，通過對在本系統(tǒng)所安裝的OTDR模塊、控制模塊、電源模塊、光開關(guān)（OSW）、波分復(fù)用器（WDM）、反射濾波器、網(wǎng)絡(luò)適配器及相應(yīng)的軟件實現(xiàn)集中控制管理，以達到對FTTH光纜的監(jiān)控。在同一臺RTU中可以同時集成用于長途和骨干網(wǎng)監(jiān)控模塊，全面覆蓋從骨干到接入層的光纜測試。監(jiān)控站具有本地測試，以及監(jiān)控中心遠端測試功能，按指令本地切換光開關(guān)通道，并啟動測試。監(jiān)控中心下發(fā)的測試完畢后，監(jiān)測站立即將測得的曲線數(shù)據(jù)文件回傳至監(jiān)控中心。測試內(nèi)容包括光纖通道的全程傳輸損耗及其光纖的光學(xué)長度、光纖上各個接頭的損耗、兩接頭點之間的光纖衰減系數(shù)。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．3 預(yù)警設(shè)計

系統(tǒng)通過手動或自動方式啟動光時域反射儀（OTDR），對指定光纖進行測試，獲取光纜測試數(shù)據(jù)，即沿光纜數(shù)萬個均勻分布點的散射和反射功率電平值，所有取樣點的連線構(gòu)成了該光纖鏈路的OTDR曲線。縱軸表示功率電平（dB），橫軸表示距離（km）。光纖連接器、斷裂、終點會引起光的反射，形成向上突變的反射事件；光纖的彎曲、熔接會增加光纖的衰耗，引起向下的突變，形成非反射事件。通過數(shù)據(jù)分析找到曲線的突變點，確定光纖頭端、尾端、接頭、熔接等光纖事件點。通過與參考數(shù)據(jù)比對，分析事件點、光纜段、光纖鏈路衰耗數(shù)據(jù)的變化，確定光纜的運行狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)變化超過預(yù)警門限時，發(fā)出預(yù)警信息。主要包括以下步驟：

（1）確定分光器位置。計算噪聲數(shù)據(jù)最小值，并查找達到該值最左邊的點leftpts_noisefloor，該點之前的反射事件且衰耗大于門限的點就是分光器位置。從后往前判斷測試數(shù)據(jù)值，如果小于或等于noisefloor，將noisefloor置為該點的值，同時將leftpts_noisefloor設(shè)為該點，循環(huán)結(jié)束即可準(zhǔn)確找到。

（2）分析反射事件。從曲線開始點到末端E點，采用最小二乘法擬合直線L。確定從光纖起始點到尾端E之間所有反射事件R，查找在直線L上方，測試數(shù)據(jù)點與該點在L上投影的差值，超過反射門限的點，其中分光器后每個反射事件分別為ONU光纜的結(jié)束位置。

（3）分析非反射事件點。根據(jù)接頭R將所測光纖分為若干段，分別在所分光纜區(qū)間段再作直線擬合，在每段光纖內(nèi)分別確定非反射事件點。至少連續(xù)10個點在L上方，且與投影差的最大值大于事件計算門限，作為疑似非反射事件，再根據(jù)最后一次擬合的直線判斷該點衰耗是否大于門限，進行確認。

（4）預(yù)警判斷。僅以事件點衰耗數(shù)據(jù)比對為例：

3 ．結(jié)語

本系統(tǒng)主要用于電力系統(tǒng)的FTTH光纜網(wǎng)絡(luò)，同時也可用于電信、聯(lián)通、網(wǎng)通和移動等電信運營企業(yè)，以及所有使用光纜作為傳輸線路的企業(yè)，提供針對光纜網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測、維護、資源管理等各項服務(wù)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，線路監(jiān)測和管理智能化的要求會越來越高，也因此使電力光纖到戶光纜監(jiān)測系統(tǒng)成為電力通信市場的一個新亮點，而得到空前的發(fā)展。