電力光纖到戶光纜監(jiān)測系統(tǒng)的設計

0 引言
電力光纖到戶(FTTH)建設工程是國家電網公司智能電網的重要組成部分，是在低壓通信接入網中采用光纖復合低壓電纜(OPLC)，將光纖隨低壓電力線敷設，實現到表到戶，配合無源光網絡(PON)技術，建設電力光纖通信專網，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、“三網融合”等業(yè)務。建成后，住戶將實現電力網與互聯網、電信網、廣播電視網的相互融合，實現網絡基礎設施的共建共享，大幅降低“三網融合”實施成本，提高網絡的綜合運營效率。隨著智能電網建設的不斷推進，光纖到戶部署的規(guī)模將不斷擴大，網上光纜的數量急劇增加。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，需要大量訓練有素的專業(yè)人員以及測試工具，故障查找困難，排障時間長，影響通信網的正常工作。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)現和預報光纜隱患，實現對客戶業(yè)務恢復的快速高效響應，具有重要的現實意義。

1 系統(tǒng)監(jiān)測原理
與傳統(tǒng)光纜測試不同之處在于PON光纜網絡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，從而帶來測試的復雜性。由于PON網絡涉及分光器和后面大量的光纜，不適宜采用備纖測試，只能采用波分復用技術。加入波分設備(WDM)，利用與PON業(yè)務波長不同的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)務光通過合波后經過OLT(Optical Line Terminal)側光纜，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。當其中一個ONU光纜中斷，相應的強反射峰會消失，借助這個強反射峰的消失，系統(tǒng)可以準確判斷出對應光纜產生中斷故障。在線方式充分利用現有PON網絡現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，且不影響現有用戶業(yè)務。測試方式與測試結果如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計
2．1 中心站設計
系統(tǒng)采用在中間應用服務器基礎上的三層體系結構。三層體系結構合理地將數據存儲、應用處理和結果展示(包括圖形、數據顯示)分開，并將一部分數據處理和應用計算從數據庫服務器上獨立出來轉移到應用服務器上，這就可以減輕數據庫服務器的處理壓力，使得數據庫服務可以集中精力進行數據存儲管理，而圖形數據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)的數據和圖形處理能力。監(jiān)測中心由服務器、網管終端計算機、網絡設備、打印機及相應的軟件等組成。設備之間通過10M／100M以太網相互連接，支持TCP／IP通信協(xié)議。監(jiān)測中心直接管理本區(qū)域內的所有監(jiān)控站。中心站實現PON光纜網絡監(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)控站與服務器之間鏈路的監(jiān)視功能。一旦監(jiān)控站本身或與服務器之間的鏈路出現故障，監(jiān)控中心應能及時提醒用戶，并提供相應的安全和恢復功能。監(jiān)控中心能對系統(tǒng)和所監(jiān)測的PON光纜網絡進行持續(xù)或間斷的測試、觀察和監(jiān)測，用以發(fā)現故障或性能的降低。被管理網絡中的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)視整個授權管理的區(qū)域，監(jiān)控中心的服務器支持所有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(OSW)、波分復用器(WDM)、反射濾波器、網絡適配器及相應的軟件實現集中控制管理，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據文件回傳至監(jiān)控中心。測試內容包括光纖通道的全程傳輸損耗及其光纖的光學長度、光纖上各個接頭的損耗、兩接頭點之間的光纖衰減系數。功能結構如圖2所示。

2．3 預警設計
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，獲取光纜測試數據，即沿光纜數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。通過數據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。通過與參考數據比對，分析事件點、光纜段、光纖鏈路衰耗數據的變化，確定光纜的運行狀態(tài)，當數據變化超過預警門限時，發(fā)出預警信息。主要包括以下步驟：
(1)確定分光器位置。計算噪聲數據最小值，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據值，如果小于或等于noisefloor，將noisefloor置為該點的值，同時將leftpts_noisefloor設為該點，循環(huán)結束即可準確找到。