OTDR的光纤回路在线监测研究范文

《宁夏电力杂志》2014年第六期

1OTDR的工作原理

1.1基本原理图2所示为光纤回路的基本工作原理。光纤线芯为玻璃纤维，入射的光线在纤芯与包层之间全反射，沿着玻璃纤维的物理路径进行传输［1］。要想明白OTDR的工作原理就必须掌握2个光学原理———瑞利散射和菲涅尔反射。

1.1.1瑞利散射瑞利散射是指光波在光纤传输时，遇到一些比光波波长小的微粒而向四周散射导致光功率减小的现象，是光纤的一种固有损耗。如图3所示。

1.1.2菲涅尔反射菲涅尔反射［2］就是光在从1种介质（光纤）传到另外1种介质（空气）中时，被沿原介质（光纤）反射回来，如图4所示。一般在在光纤的机械固定接头、光纤连接器、光纤断裂、光纤的终点等处都会发生菲涅尔反射。

1.2工作原理OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表。OTDR的工作原理就是发射光脉冲到光纤内，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质，连接器，接合点，弯曲或其它类似的事件而产生散射，反射。其中一部分的散射和反射就会返回并被OTDR端口接收。OTDR探测器对这些有用的返回信息进行分析计算，就可以得到光纤内不同位置上的时间或曲线片断，通过计算从发射信号到返回信号所用的时间还可以计算出距离，从而掌握光纤链路的实际运行工况和光线传播情况［3］。

1.3工作特征OTDR就是充分利用瑞利散射和菲涅尔反射的原理进行工作并表征光纤特性的。OTDR发射模块将测量光波射入被测光纤，光信号沿着光纤发生瑞利散射，产生无规律的散射光波。其中一部分就会被背向散射回OTDR的测量接收端口。这些背向散射光波信号能够准确、实时地线性表征光波由光纤而导致的衰减（损耗/距离）程度，所形成的典型的轨迹是1条向下的曲线，说明背向散射的功率在不断减小，光波经过一段距离的传输后发射和背向散射的信号都有所损耗。菲涅尔反射由整条光纤中的个别点，例如玻璃与空气的间隙而引起，是离散性的反射。由于这些点的因素，造成反向系数各有差异。在某些点上，会有很强的背向散射光被反射回来。OTDR就是利用菲涅尔反射的光波信息来定位连接点，光纤终端或断点。

2基于OTDR的光纤链路在线监测设计

2.1总体思路在线监测的首要设计原则是绝对不能影响光纤回路的正常工作，通过基于OTDR的技术方案对由户外进入通信机房、控制室内的光纤全回路进行实时监测。另外一个重要的原则是整体方案成本可控。OTDR的工作原理是发射光脉冲到光纤内，利用散射和反射回来的光波信息进行分析计算，掌握光纤链路的实际运行工况和光线传播情况，监测光波和工作光波会在同一根光纤中传播。因此在监测光纤始端，要用到波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技术对2种光波的紧密光谱间距进行合波复用。监测用特征波长的光波通过散射和反射返回，被OTDR接收用来计算分析光纤链路的工况。工作用特征波长的光波也在光纤回路中正常传播。当两者同时到达光纤尾端的接收装置时，采取技术措施对监测光波进行处理，以确保对装置的性能和作用不造成任何附加影响。解决这个问题可以有多种措施。例如在WDM合波阶段就可以将OTDR发射的监测光波打上特殊的标识、接收装置对带有特殊标识的监测光波信号进行屏蔽处理。或者根据监测光波和工作光波两者波长不同的特点，对接收装置的信号算法进行优化，只取工作波长的光波信号进行运算分析，保证装置逻辑正确、动作可靠。此外还可以从硬件结构入手解决这个问题，如对接收装置进行重新设计，配备可根据不同波长进行过滤设置的滤波器，能将复用的监测光波信号彻底过滤。通过这一系列的技术手段，可以保证OTDR发射的监测光波能实时、准确、可靠地反应被测光纤的实际运行工作状态，又不会影响工作光波的正常传播，同时对光纤装置的逻辑运算和正常运行不造成任何影响。

2.2解决方案根据以上原理和思路，可以对多路光纤在监测进行设计。将这种思路进一步进行系统扩展，考虑到场站会有若干的通信机房或集控小室都有光纤接入，可以让每个小室的光纤统一经由光纤配线架入户，对光纤配线架进行智能化改造，在每一对光纤转接法兰处安装OTDR模块、通信管理模块和WDM装置。每个小室视为1个单元并配置1套监控管理系统子站，主控室设置监控管理系统主站服务器，各个子站的监控管理系统通过网络与主控室的主站服务器连接组成监控网络，如图6所示。通信管理可以是有线的也可以是无线。在后台管理系统中可以嵌入多种高级应用模块，如光纤链路的可视化运行工况图、损耗情况、故障定位、数据查询以及自动告警等等。如果将系统功能再进一步扩展，以该智能变电站的全站系统配置文件（SubstationConfigurationDescription，SCD）二次虚端子配置图为依据，将每个监测节点根据功能作用进行标识设置，并把相应的告警信号接入变电站监控系统的告警模块中，那么全站的整个二次回路就可以通过实时监测方式非常直观、清晰、准确地展示出来了。这种方案的优点在于每1根需要监控的光缆都是用独立的OTDR模块进行监控，完全不必中断正常设备的工作，可以达到最高的实时性。缺点是OTDR模块和通信管理模块的技术要求很高，既要满足光纤转接法兰的安装要求又必须安全可靠，而且成本比较高。考虑到技术难度和推广成本等问题，可以对方案进一步优化和调整，如不必做到全网监测，只对部分重要的光纤回路进行监测，这样可以大大降低实现的技术难度和成本。

3效果评价

随着智能电网迅速地发展，其规模将会越来越大，安全稳定运行要求越来越高，技术要求也愈加严格。智能变电站光纤链路的在线监测和管理目前还处于技术空白，该解决方案能使智能变电站内通信内容的采集方式更加合理，通信过程的监测完全符合真实情况，直接提高了智能变电站内通信过程的在线监测的真实性，间接完善了智能变电站二次状态监测的水平。同时可以研究开发多项新技术和新工艺，例如光纤阻断与恢复、光纤在线功率及通信内容监测、集成式光纤断路器和特种光纤监测法兰盘设计等等，最终形成能够对基于IEC61850智能变电站全覆盖式的实时全景监控。在技术管理方面可以构建一整套与光纤链路相关的管理规定和规章制度，进一步提升智能变电站的综合管理水平。

4结论

（1）通过基于OTDR的在线监测方案可以说填补了目前光纤链路监测和管理的技术空白区，符合国家电网公司关于新一代智能变电站关键技术的总体思路和要求。（2）全站整体设计方案能使智能变电站内通信内容的采集方式更加合理，通信过程的监测完全符合真实情况，提高了智能变电站内通信过程的在线监测的真实性，完善了智能变电站二次状态监测的水平。（3）在此方案基础上还可以构建起一整套与光纤链路相关的管理规定和规章制度，进一步提升全站的综合管理水平。

作者：黄鸣宇单位：国网宁夏电力公司电力科学研究院