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《寧夏電力雜志》2014年第六期

1otdr的工作原理

1.1基本原理圖2所示為光纖回路的基本工作原理。光纖線芯為玻璃纖維，入射的光線在纖芯與包層之間全反射，沿著玻璃纖維的物理路徑進行傳輸［1］。要想明白OTDR的工作原理就必須掌握2個光學原理———瑞利散射和菲涅爾反射。

1.1.1瑞利散射瑞利散射是指光波在光纖傳輸時，遇到一些比光波波長小的微粒而向四周散射導致光功率減小的現象，是光纖的一種固有損耗。如圖3所示。

1.1.2菲涅爾反射菲涅爾反射［2］就是光在從1種介質（光纖）傳到另外1種介質（空氣）中時，被沿原介質（光纖）反射回來，如圖4所示。一般在在光纖的機械固定接頭、光纖連接器、光纖斷裂、光纖的終點等處都會發生菲涅爾反射。

1.2工作原理OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表。OTDR的工作原理就是發射光脈沖到光纖內，當光脈沖在光纖內傳輸時，會由于光纖本身的性質，連接器，接合點，彎曲或其它類似的事件而產生散射，反射。其中一部分的散射和反射就會返回并被OTDR端口接收。OTDR探測器對這些有用的返回信息進行分析計算，就可以得到光纖內不同位置上的時間或曲線片斷，通過計算從發射信號到返回信號所用的時間還可以計算出距離，從而掌握光纖鏈路的實際運行工況和光線傳播情況［3］。

1.3工作特征OTDR就是充分利用瑞利散射和菲涅爾反射的原理進行工作并表征光纖特性的。OTDR發射模塊將測量光波射入被測光纖，光信號沿著光纖發生瑞利散射，產生無規律的散射光波。其中一部分就會被背向散射回OTDR的測量接收端口。這些背向散射光波信號能夠準確、實時地線性表征光波由光纖而導致的衰減（損耗/距離）程度，所形成的典型的軌跡是1條向下的曲線，說明背向散射的功率在不斷減小，光波經過一段距離的傳輸后發射和背向散射的信號都有所損耗。菲涅爾反射由整條光纖中的個別點，例如玻璃與空氣的間隙而引起，是離散性的反射。由于這些點的因素，造成反向系數各有差異。在某些點上，會有很強的背向散射光被反射回來。OTDR就是利用菲涅爾反射的光波信息來定位連接點，光纖終端或斷點。

2基于OTDR的光纖鏈路在線監測設計

2.1總體思路在線監測的首要設計原則是絕對不能影響光纖回路的正常工作，通過基于OTDR的技術方案對由戶外進入通信機房、控制室內的光纖全回路進行實時監測。另外一個重要的原則是整體方案成本可控。OTDR的工作原理是發射光脈沖到光纖內，利用散射和反射回來的光波信息進行分析計算，掌握光纖鏈路的實際運行工況和光線傳播情況，監測光波和工作光波會在同一根光纖中傳播。因此在監測光纖始端，要用到波分復用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術對2種光波的緊密光譜間距進行合波復用。監測用特征波長的光波通過散射和反射返回，被OTDR接收用來計算分析光纖鏈路的工況。工作用特征波長的光波也在光纖回路中正常傳播。當兩者同時到達光纖尾端的接收裝置時，采取技術措施對監測光波進行處理，以確保對裝置的性能和作用不造成任何附加影響。解決這個問題可以有多種措施。例如在WDM合波階段就可以將OTDR發射的監測光波打上特殊的標識、接收裝置對帶有特殊標識的監測光波信號進行屏蔽處理。或者根據監測光波和工作光波兩者波長不同的特點，對接收裝置的信號算法進行優化，只取工作波長的光波信號進行運算分析，保證裝置邏輯正確、動作可靠。此外還可以從硬件結構入手解決這個問題，如對接收裝置進行重新設計，配備可根據不同波長進行過濾設置的濾波器，能將復用的監測光波信號徹底過濾。通過這一系列的技術手段，可以保證OTDR發射的監測光波能實時、準確、可靠地反應被測光纖的實際運行工作狀態，又不會影響工作光波的正常傳播，同時對光纖裝置的邏輯運算和正常運行不造成任何影響。

2.2解決方案根據以上原理和思路，可以對多路光纖在監測進行設計。將這種思路進一步進行系統擴展，考慮到場站會有若干的通信機房或集控小室都有光纖接入，可以讓每個小室的光纖統一經由光纖配線架入戶，對光纖配線架進行智能化改造，在每一對光纖轉接法蘭處安裝OTDR模塊、通信管理模塊和WDM裝置。每個小室視為1個單元并配置1套監控管理系統子站，主控室設置監控管理系統主站服務器，各個子站的監控管理系統通過網絡與主控室的主站服務器連接組成監控網絡，如圖6所示。通信管理可以是有線的也可以是無線。在后臺管理系統中可以嵌入多種高級應用模塊，如光纖鏈路的可視化運行工況圖、損耗情況、故障定位、數據查詢以及自動告警等等。如果將系統功能再進一步擴展，以該智能變電站的全站系統配置文件（SubstationConfigurationDescription，SCD）二次虛端子配置圖為依據，將每個監測節點根據功能作用進行標識設置，并把相應的告警信號接入變電站監控系統的告警模塊中，那么全站的整個二次回路就可以通過實時監測方式非常直觀、清晰、準確地展示出來了。這種方案的優點在于每1根需要監控的光纜都是用獨立的OTDR模塊進行監控，完全不必中斷正常設備的工作，可以達到最高的實時性。缺點是OTDR模塊和通信管理模塊的技術要求很高，既要滿足光纖轉接法蘭的安裝要求又必須安全可靠，而且成本比較高。考慮到技術難度和推廣成本等問題，可以對方案進一步優化和調整，如不必做到全網監測，只對部分重要的光纖回路進行監測，這樣可以大大降低實現的技術難度和成本。

3效果評價

隨著智能電網迅速地發展，其規模將會越來越大，安全穩定運行要求越來越高，技術要求也愈加嚴格。智能變電站光纖鏈路的在線監測和管理目前還處于技術空白，該解決方案能使智能變電站內通信內容的采集方式更加合理，通信過程的監測完全符合真實情況，直接提高了智能變電站內通信過程的在線監測的真實性，間接完善了智能變電站二次狀態監測的水平。同時可以研究開發多項新技術和新工藝，例如光纖阻斷與恢復、光纖在線功率及通信內容監測、集成式光纖斷路器和特種光纖監測法蘭盤設計等等，最終形成能夠對基于IEC61850智能變電站全覆蓋式的實時全景監控。在技術管理方面可以構建一整套與光纖鏈路相關的管理規定和規章制度，進一步提升智能變電站的綜合管理水平。

4結論

（1）通過基于OTDR的在線監測方案可以說填補了目前光纖鏈路監測和管理的技術空白區，符合國家電網公司關于新一代智能變電站關鍵技術的總體思路和要求。（2）全站整體設計方案能使智能變電站內通信內容的采集方式更加合理，通信過程的監測完全符合真實情況，提高了智能變電站內通信過程的在線監測的真實性，完善了智能變電站二次狀態監測的水平。（3）在此方案基礎上還可以構建起一整套與光纖鏈路相關的管理規定和規章制度，進一步提升全站的綜合管理水平。

作者：黃鳴宇單位：國網寧夏電力公司電力科學研究院