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标题: 电力光纤网络数字化技术及应用 [打印本页]
作者: vdianwang 时间: 2023-1-23 19:49
标题: 电力光纤网络数字化技术及应用
光纤网络主要由室外的光缆部分和室内的光纤配线部分组成，其建设和运维是一个劳动密集型行业，而且其作业环境差、作业危险。室外的光缆和室内的光纤配线，数量巨大，截止至2019年，我国有近5000万公里光缆，世界第一，电力行业有近200万公里光缆，其管理和运维一直是一个世界性的难题。
我们用电力线网络来形容光纤网络，电力线网络用来传输电流能量，包括一次回路（用于直接输送）和二次回路（用于状态监控和控制），光纤网络用来传输光信号数据流，其光缆系统就好比是“一次回路”（光缆本身就好比输电线缆、波分复用设备就好比变压器和开关柜）；由于光纤的全反射特性和无源属性，造成光纤网络不对外泄露任何可用于探测的光、电信号，也就是说光纤网络天然不具备建立用于运行状态监控的“二次回路”的能力，因此光纤网络也叫作“暗网络”，是电力行业最后一块不受监控的区域。光纤网络的“暗网络”属性，只能依靠海量人工进行“运营商模式”维护，效率低，错误频出，依靠现有的人员配置，势必造成大量电力光纤网络长期处于“脱管”状态。
基于上述光纤网络的痛点，我们提出了基于光纤编码的光纤网络数字化技术，光纤编码技术最大的特点是将光纤网络的所有组成部分（包括各类光缆、光纤、跳纤、尾纤、连接器、光模块、分光器等各类光器件）通过光学方法，全部赋予一个唯一的、终身不变的数字编码身份、类似于MAC地址，是业内首次实现光纤网络的数字化。
光纤编码原理，简单的说，我们利用光纤光栅的稳定波长反射特性，就是宽频谱的入射光进来后，通过不同的光纤光栅会反射不同波长的光，然后把一组光纤光栅密集刻录在一起，就会得到一组对应的反射波长，这组特定的反射波长就是形成了一个简单的编码组，如下图1所示。
图1 光纤编码原理图
将光纤编码植入光纤跳纤、光纤配线、光缆接头盒、智能光缆、光配盘、分光器等部件中，实现光纤网络系统的全链路光纤编码数字化，具有如下优点：
光纤材质，与现有光网系统无缝融合
超长寿命（与光纤同寿命）
施工简单，无需配件
编码内置，永不改变
能够准确光纤网络定位故障区域和故障点
激光覆刻，工业化成本低廉
如下图2所示，在完整的全光链路中的各个组成单元嵌入光纤编码后，可实现:
精细化管理，光纤网络的所有组成单元，均可内置光纤编码，相当于赋予光纤网络所有单元一个终身唯一的内置“数字身份证”，可以实现光纤网络的全域、全单元、全资源的精细化资产管理，摆脱传统的电子台账、纸质标签管理，为光纤网络的商业化运营打下坚实的基础；
点亮光网络，光纤编码技术可以实现光纤网络的数字化和可视化，实现端到端的全光链路运行状态的全景展现；
可维护性，光纤编码技术可以实现全光链路故障的无盲区监测，故障定位快速、准确，室外光缆故障地理定位精度小于±25米，室内光配纤故障定位到具体的跳纤、尾纤、端口（每个光部件都有编码，如果没有读到其编码，说明其故障，就可以非常简单快速的定位出室内光配线的故障点），光链路故障定位时间缩短80%，人员减少70%，成本节约60%，极大的缓解了专职光缆运维人员短缺和庞大的光纤网络资产的矛盾；
上层应用，基于数字化的光纤网络，可以实现多种上层应用，比如光缆路由缺陷分析、光纤资源分析等。
图2 全光链路数字化示意图
室外光缆故障分段式定位原理：我们知道传统的OTDR光缆故障定位方法采用的是误差全程计算法，其故障点的地理位置误差全程累计，距离越长误差越大。我们将带有光纤编码的光缆故障定位器熔接进光缆接头盒中，我们以下图3为例，假设光缆的故障点在光缆的37公里处，首先通过在光缆接头盒中融入故障定位器，系统可以准确的判断出光缆的故障点在哪两个故障定位器之间（因为我们检测到了这个定位器的信号，而没有检测到这个定位器的信号，所以故障点肯定在这两个定位器之间，这是绝对不会错的），近端的这个故障定位器的光缆长度是36公里，我们可以通过GPS和光缆路由信息得出他的实际地表长度是35.2公里，再通过误差修正算法，将准确的告知您故障点地理位置离最近的接头盒有850米，在哪两个管井或杆塔之间。维护人员到现场后，再通过手持机上的卫星地图和现场管井的照片，就可以快速的找到系统提示的管井或杆塔，再根据系统提示的故障点距离信息，就可以到达故障点地理位置附近进行排障处理了。
图3 分段式光缆故障定位方法示意图
在这里，通过光缆故障定位器将光缆接头盒地理信息、光缆地面投影长度、光缆长度、该点固有光纤编码信息统一，实现光缆的分段识别、测距、监测和故障定位，从而确保光缆故障定位的地理误差小于±25M。
第二代智能ODN网络：传统的基于电子标签的智能光配只能对本光配的光纤网络进行管理，而对于多光配组成的光纤网络，无法实现自动识别，还是需要通过人为定义的方法建立完整的光链路。第二代智能ODN，基于光纤网络数字化技术，其核心在于可以自动获取完整的光纤网络编码数据，自动建立完整的光链路，实现全光链路的“穿透式管理”和光纤网络拓扑的自动生成。如下图4所示，通过识别跳纤中的数字编码信息，跳纤两侧的智能光配，就能自动建立一条光路由，将跳纤两侧的光配端口自动匹配在一起。
图4 光链路编码穿透识别示意图
基于光纤网络的数字化和光链路的“穿透式管理”，第二代智能光配均内置一台光纤编码交换机，类似于数据网络交换机，用于发现、学习、识别自身和周边、以至于整个光纤网络的拓扑结构、连接关系、编码分布情况、光纤网络运行情况等，如下图5所示，其主要功能如下：
对智能光配的所有光配盘、端口、盘内尾纤、盘外跳纤进行有效的本地化监测和管理；
跳纤、尾纤的光纤编码可以和光配、端口、机房等各类信息实现自动捆绑；
相邻智能光配之间实现网络通信，可自动发现、学习相邻智能光配所有端口的配置信息和跳纤、尾纤的编码信息，类似于数据网络交换机；
可根据相邻光配之间的光纤的编码信息，自动获取光纤连接关系、自动建立光链路，直至实现自动获取整网的光纤编码和端口信息，自动建立完整的光纤网络拓扑图。
图5 光纤编码交换机示意图
电力光纤网络“共模”分析技术：电力光纤网络存在大量的隐性“共模点”，是电力通信光纤网络的重要隐患和缺陷。基于全光链路的数字化建模技术，行业内首次实现了光链路的数字化比对，自动查找光纤网络的隐性“共模点”，为消缺处理提供依据。如下图6所示，电力A、B光通信网络在设备层面已经做到了物理隔离，但在物理光链路层面，由于电力光纤网络依附于电力线和地下管廊架设，在很多情况下，并不能完全做到在两点之间建立直接的光纤连接，而只能通过第三方站点跳接的方式，从而导致了光纤网络在链路层面非常复杂，A平面光纤网络和B平面光纤网络存在大量隐性的“交叉点”（指A、B网光纤经过相同的光缆等这里直接交叉的点）和“相邻点”（指A、B网光纤经过同一光配盘等这类相邻近的点），这些就是电力通信光纤网络特有的“共模”现象，这些“共模点”一旦发生故障，将导致A、B网同时中断，而以现有的技术手段和人员配置是很难发现这些隐性的“共模点”，是电力通信光纤网络的重要隐患和缺陷。
图6 电力光纤网络共模示意图
智能站光纤网络数字化管理：光纤网络是智能站的一个重要组成部分，但正因为它基本处于“脱管”状态，给智能站的日常运行带来重大安全隐患，我们以电流互感器这类智能站中常见的设备来说明光纤网络的故障情况。根据国网调度中心统计的2014年-2017年共2710台电子式CT的运行故障数据，光电式CT故障率为3.03次/百台·年，纯光纤式CT故障率为10.01次/百台·年。光电式CT的故障中，因光纤回路引起的占比14.09%，排第3位；纯光纤式CT的故障中，因光纤回路引起的占比37.31%，排第2位。可见，光纤网络故障已经是智能站中的非常常见的一类故障。由于智能站的空间相对狭小，其室内室外光纤长度一般不超过200米，这种极短距离的光纤网络，一旦发生故障，以现有OTDR故障检测技术非常难以定位故障点，即使定位到光纤故障点在多少多少米处，在密集的、有众多跳接的光纤网络中，也极难寻找故障点所在位置。如下图7所示，我们通过光纤网络数字化的技术，将智能站光纤网络的所有部件全部内置光纤编码后，形成数字化的资产信息，并自动获取他们之间的连接关系，形成端到端的全光链路状态图并展现出来。同时，对纤芯的运行质量进行研判和降质预警，可提前发现因施工、运行环境等因素引起的纤芯隐性缺陷，为及时消缺处理提供依据。在光纤、尾纤、跳纤等因外力、人为等因素引起故障中断时，可通过所有光器件中内置的编码信息，快速的准确的对故障光器件和故障位置进行判断，及时通知运维人员进行故障排查。
图7 智能站光纤网络数字化示意图
光纤网络数字化技术在电力配网中的应用：电力配网中主要有工业以太网交换机和工业EPON两种应用环境，其中国家电网以EPON环境为主，南方电网以工业交换机环境为主。
工业交换机方式：针对城区配电网络的复杂运行环境，如图8所示，由于光纤编码的波长和业务波长不同，我们可以用波分复用设备将业务波长和编码波长合波在一根光纤中进行传输，在终端节点用波分复用设备将入射光纤分开成独立带有业务波长和编码波长的两根光纤，带有业务波长的光纤接入工业交换机，带有编码波长的跳纤再和工业交换机出来的带有业务波长的光纤接入波分复用设备合波成一根光纤进入下一段光缆，这样，带有编码的光纤就形成了一条从头到尾的完整光链路，而编码跳纤所在的位置就是终端所在位置，同时，我们在配网的光缆接头盒中串接内置光纤编码的光缆故障定位器（如果光缆距离很短，可以不接故障定位器），和编码跳纤一起用于对配网光缆进行分段定位，以提高光缆故障点的地理位置精度。
图8 城区配网工业交换机方式光链路图
工业EPON方式：EPON方式需要在配网光缆中串接进分光器，其配网ONU终端是通过和分光器的跳纤连接来接入整个配网光链路中，其主光链路和工业交换机方式一样都要面对复杂的配网环境，但其分光器分支光链路根据分光器分光比的不同，有两种组网方式：
1. 采用1：2的分光器，其分光比为5%：95%，如图9所示，由于光纤编码的波长和业务波长不同，在OLT局端侧，我们可以用波分复用设备将业务波长和编码波长合波在一根光纤中进行传输，在ONU终端侧，我们用带有编码的跳纤连接分光器和ONU，编码跳纤所在位置即终端所在位置。同时，我们在配网的光缆接头盒中串接内置光纤编码的光缆故障定位器（如果光缆距离很短，可以不接故障定位器），和编码跳纤一起用于对配网光缆进行分段定位，以提高光缆故障点的地理位置精度。
图9 城区配网EPON方式光链路图1
2. 采用1：N的分光器，其分光比N等分，如图10所示，同方案1，局端侧，我们用波分复用设备将监测光和业务光合波在一起，终端侧，利用带有编码的跳纤连接ONU终端，编码跳纤即可以代表ONU终端，这样就可以通过编码跳纤的不同，来区分不同的光链路，也就可以精准判断光链路故障具体在哪一个ONU分支上。同时，我们在配网的光缆接头盒中串接内置光纤编码的光缆故障定位器（如果光缆距离很短，可以不接故障定位器），和编码跳纤一起用于对配网光缆进行分段定位，以提高光缆故障点的地理位置精度。
图10 城区配网EPON方式光链路图2
光纤网络全面数字化后，可以实现通信业务的资源上下贯通，从上层的业务需求，到中间层的电路连接，到底层的光链路搭建，业务、电路、光缆资源统一捆绑，形成唯一数字编码，统一管理，统一调度的资源一体化管理，光纤网络资源不再是终身不变的静态资源，而是可再分配的动态资源。
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