电力光纤到户光缆监测系统的设计

0 引言
    电力光纤到户(FTTH)建设工程是国家电网公司智能电网的重要组成部分，是在低压通信接入网中采用光纤复合低压电缆(OPLC)，将光纤随低压电力线敷设，实现到表到户，配合无源光网络(PON)技术，建设电力光纤通信专网，覆盖到每个电力用户，承载用电信息采集、智能用电双向交互、“三网融合”等业务。建成后，住户将实现电力网与互联网、电信网、广播电视网的相互融合，实现网络基础设施的共建共享，大幅降低“三网融合”实施成本，提高网络的综合运营效率。随着智能电网建设的不断推进，光纤到户部署的规模将不断扩大，网上光缆的数量急剧增加。在大规模、多用户单元的环境下，如何维护这些光缆是迫切需要解决的问题。传统的光缆线路维护管理模式，需要大量训练有素的专业人员以及测试工具，故障查找困难，排障时间长，影响通信网的正常工作。因此，实施对光缆线路的实时监测与管理，动态观察光缆线路传输性能的劣化情况，及时发现和预报光缆隐患，实现对客户业务恢复的快速高效响应，具有重要的现实意义。

1 系统监测原理
    与传统光缆测试不同之处在于PON光缆网络是一点对多点的通信连接，由于引入大分光比的分光器，分光器后面会有多条光缆，从而带来测试的复杂性。由于PON网络涉及分光器和后面大量的光缆，不适宜采用备纤测试，只能采用波分复用技术。加入波分设备(WDM)，利用与PON业务波长不同的1 650 nm波长进行测试，在接收端使用滤波器把测试波长滤除，消除测试光对ONU(Optical Network Unit)的影响。
    测试时1 650 nm测试光和业务光通过合波后经过OLT(Optical Line Terminal)侧光缆，到分光器件，再分到每个ONU段光缆。测试光在OLT至分光器段的光反射是单条光缆的反射信号，而分光器至ONU是将所有ONU光缆上的1 650 nm反射光传送回来，经过分光器聚合叠加后的反射信号送至OTDR进行分析，每段光缆的特征信号是叠加总信号中，加上测试光经过分光器衰减后信号本身损耗较大，反射的信号也不强。为此加入特别设计的强反射器单元，以增加每段ONU光缆在最末端的反射光能量。除增强ONU末端光缆强反射外，监测站(RTU)采用针对PON的OT-DR测试信号分析算法，以及配置专用的OTDR模块，能分辨出长度差异在2 m内的多条ONU光缆特征。即使采用1：64分光器，每段ONU光缆的末端反射信号都能被分辨出来。当其中一个ONU光缆中断，相应的强反射峰会消失，借助这个强反射峰的消失，系统可以准确判断出对应光缆产生中断故障。在线方式充分利用现有PON网络现有的分光器件和在用纤芯，不需要额外占用纤芯、安装分光器和进行工程跳纤。能保证100％
测试出客户纤芯情况，且不影响现有用户业务。测试方式与测试结果如图1所示。

2 系统设计
2．1 中心站设计
    系统采用在中间应用服务器基础上的三层体系结构。三层体系结构合理地将数据存储、应用处理和结果展示(包括图形、数据显示)分开，并将一部分数据处理和应用计算从数据库服务器上独立出来转移到应用服务器上，这就可以减轻数据库服务器的处理压力，使得数据库服务可以集中精力进行数据存储管理，而图形数据显示和处理则充分利用GIS平台先进、强大的图形处理功能来进行。从整个系统的角度上讲，负荷分配比较均匀，提高了整个系统的数据和图形处理能力。监测中心由服务器、网管终端计算机、网络设备、打印机及相应的软件等组成。设备之间通过10M／100M以太网相互连接，支持TCP／IP通信协议。监测中心直接管理本区域内的所有监控站。中心站实现PON光缆网络监测的拓扑、配置、测试、分析、故障、性能、安全等管理功能。提供对监控站与服务器之间链路的监视功能。一旦监控站本身或与服务器之间的链路出现故障，监控中心应能及时提醒用户，并提供相应的安全和恢复功能。监控中心能对系统和所监测的PON光缆网络进行持续或间断的测试、观察和监测，用以发现故障或性能的降低。被管理网络中的RTU监控站均由一个管理软件平台进行管理，在一个工作窗口上监视整个授权管理的区域，监控中心的服务器支持所有RTU进行的时间同步和状态监视。
2．2 监测站设计
    FTTH监测站(RTU)是本系统的核心，该监控单元拥有与OTDR仪表相同的测试功能和精度，通过对在本系统所安装的OTDR模块、控制模块、电源模块、光开关(OSW)、波分复用器(WDM)、反射滤波器、网络适配器及相应的软件实现集中控制管理，以达到对FTTH光缆的监控。在同一台RTU中可以同时集成用于长途和骨干网监控模块，全面覆盖从骨干到接入层的光缆测试。监控站具有本地测试，以及监控中心远端测试功能，按指令本地切换光开关通道，并启动测试。监控中心下发的测试完毕后，监测站立即将测得的曲线数据文件回传至监控中心。测试内容包括光纤通道的全程传输损耗及其光纤的光学长度、光纤上各个接头的损耗、两接头点之间的光纤衰减系数。功能结构如图2所示。

2．3 预警设计
    系统通过手动或自动方式启动光时域反射仪(OTDR)，对指定光纤进行测试，获取光缆测试数据，即沿光缆数万个均匀分布点的散射和反射功率电平值，所有取样点的连线构成了该光纤链路的OTDR曲线。纵轴表示功率电平(dB)，横轴表示距离(km)。光纤连接器、断裂、终点会引起光的反射，形成向上突变的反射事件；光纤的弯曲、熔接会增加光纤的衰耗，引起向下的突变，形成非反射事件。通过数据分析找到曲线的突变点，确定光纤头端、尾端、接头、熔接等光纤事件点。通过与参考数据比对，分析事件点、光缆段、光纤链路衰耗数据的变化，确定光缆的运行状态，当数据变化超过预警门限时，发出预警信息。主要包括以下步骤：
    (1)确定分光器位置。计算噪声数据最小值，并查找达到该值最左边的点leftpts_noisefloor，该点之前的反射事件且衰耗大于门限的点就是分光器位置。从后往前判断测试数据值，如果小于或等于noisefloor，将noisefloor置为该点的值，同时将leftpts_noisefloor设为该点，循环结束即可准确找到。

    (2)分析反射事件。从曲线开始点到末端E点，采用最小二乘法拟合直线L。确定从光纤起始点到尾端E之间所有反射事件R，查找在直线L上方，测试数据点与该点在L上投影的差值，超过反射门限的点，其中分光器后每个反射事件分别为ONU光缆的结束位置。
   
    (3)分析非反射事件点。根据接头R将所测光纤分为若干段，分别在所分光缆区间段再作直线拟合，在每段光纤内分别确定非反射事件点。至少连续10个点在L上方，且与投影差的最大值大于事件计算门限，作为疑似非反射事件，再根据最后一次拟合的直线判断该点衰耗是否大于门限，进行确认。

    (4)预警判断。仅以事件点衰耗数据比对为例：
 

3 结语
    本系统主要用于电力系统的FTTH光缆网络，同时也可用于电信、联通、网通和移动等电信运营企业，以及所有使用光缆作为传输线路的企业，提供针对光缆网络的网络性能监测、维护、资源管理等各项服务。随着智能电网建设的深入，线路监测和管理智能化的要求会越来越高，也因此使电力光纤到户光缆监测系统成为电力通信市场的一个新亮点，而得到空前的发展。