電力通信系統(tǒng)中的光纖全交換方案

吳 笑，章立偉，李建剛

（國家電網(wǎng)寧波供電公司，寧波，315000）

0 引言

在電力通信系統(tǒng)中，變電站、發(fā)電廠等場所可以看成子站，各個子站之間的控制通過電力通信系統(tǒng)來協(xié)調(diào)完成。為了提高電力通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力和速度，子站之間以及子站和中心站之間大都采用光纜進(jìn)行連接。

為了方便子站之間建立新的數(shù)據(jù)鏈路，或者改變已有數(shù)據(jù)鏈路的連接形式，這就要求我們將光纖全交換設(shè)備安裝在每個通信子站中。在在目前的日常檢修工作中，往往要求檢修人員至通信站點現(xiàn)場,根據(jù)需求對光纖網(wǎng)絡(luò)中的全交換設(shè)備進(jìn)行跳纖操作。檢修工作往往耗費大量的時間和人力。

傳統(tǒng)的自動光交換技術(shù)采用光開關(guān)原理的單元模塊構(gòu)成。光開關(guān)采用的主要技術(shù)有微機(jī)械(MEMS)光開關(guān)、熱光開關(guān)、液晶光開關(guān)、聲光開關(guān)、噴墨氣泡光開關(guān)、全息光開關(guān)、液體光柵開關(guān)等。這里我們介紹一種定向耦合型波導(dǎo)光開關(guān)。光開關(guān)的兩側(cè)分別接入若干根光纖，一側(cè)為輸入、一側(cè)為輸出，圖1所示為4x4結(jié)構(gòu)的光開關(guān)。此設(shè)備中，我們定義P11為4x4分布的耦合的光開關(guān)區(qū)域，P12為左側(cè)輸入光纖，分別為P121、P122、P123、P124，同樣定義輸出光纖為P131-P134。在光信號的傳輸過程中，通過控制每個光開關(guān)的電壓來改變光纖傳播的路徑，達(dá)到輸入輸出光纖之間任意的交換。例如，分別控制P11a、P11f、P11k、P11p使得光開關(guān)全部選擇往下的路徑（如P11a為P11a2），可控制光信號沿著箭頭方向傳播，實現(xiàn)輸入P121與輸出P134之間的光信號交換。

但是此種結(jié)構(gòu)的光交換設(shè)備也存在著幾個嚴(yán)重的問題：1、當(dāng)光信號通過光開關(guān)時，將伴隨著能量損耗。依據(jù)功率預(yù)算設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時，光開關(guān)及其級聯(lián)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響很大。損耗和干擾將影響到功率預(yù)算。光開關(guān)的矩陣數(shù)量大小決定了光纖交換的容量，光纖交換容量增加時，同時增大了矩陣的體積，也增加了通過的光波導(dǎo)耦合開關(guān)數(shù)量，會在每條光信號通道上增加一定的衰耗。這種設(shè)備的結(jié)構(gòu)決定了光交換容量受到了嚴(yán)格的限制。2、此種結(jié)構(gòu)無法做到真正意義上的全交換，也就是無法實現(xiàn)兩個輸入光纖或者兩個輸出光纖芯信號的交換。

圖1 4x4的定向耦合型波導(dǎo)光開關(guān)式交換設(shè)備

目前雖然有“智能光網(wǎng)絡(luò)”的概念，但是其所謂實現(xiàn)的智能化交換是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后，在電路中實現(xiàn)電信號的智能交換，所以傳統(tǒng)的智能光網(wǎng)絡(luò)中在光纜交換環(huán)節(jié)至今沒有實現(xiàn)智能化，仍需要人工跳纖操作。光纜切換的非智能化成為了智能光纜交換網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。另外，現(xiàn)在也有通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵崿F(xiàn)智能光網(wǎng)絡(luò)的方案，在每個設(shè)備上，針對該設(shè)備連接的每個其他設(shè)備都需要設(shè)置一塊單獨的“光板”，而光板的價格非常昂貴，使得整個系統(tǒng)的成本極高。

1 正文

針對傳統(tǒng)的電力通信系統(tǒng)中的子站中的光纖全交換的諸多問題，本文提出了一種新型的光纖全交換設(shè)備，該設(shè)備安裝到每個子站中。

1.1 光纖全交換設(shè)備的實現(xiàn)原理

圖2 光纖全交換設(shè)備的實現(xiàn)原理圖

圖2為本文中為每個子站安裝的光纖全交換設(shè)備的實現(xiàn)原理圖。該設(shè)備主要包括一交換板1，該交換板1上形成多個交換孔11，交換孔成矩形陣列排布。每一行的交換孔對應(yīng)一條外部光纖，每一列交換孔都有一條繩路光纖負(fù)責(zé)鏈接。外部線路光纖接入一個光纖連接頭3中，每行交換孔都由一根活動光纖連接器負(fù)責(zé)，另一端與輸入光纖的光纖連接頭相連接。設(shè)備由以上幾個基本部件組成。

光纖全交換設(shè)備由兩個活動部分組成：交換板正面每列縱向的交換孔由一根繩路光纖負(fù)責(zé)鏈接，且只能鏈接此行上的交換孔，它可實現(xiàn)此列縱向上任意兩個交換孔的光信號連通；交換板背面的每行橫線的光纖交換孔由一個活動光纖連接器負(fù)責(zé)，另一端固定鏈接外部光纖，此設(shè)備負(fù)責(zé)將外部光纖連接至此行任意交換孔內(nèi)。

我們以圖2的8芯全交換設(shè)備為例，8芯全交換設(shè)備，至多只有4條通道，4進(jìn)4出。因此我們需要一個8 x 4陣列的交換孔矩陣板。將外部光纖芯標(biāo)記為A01至A08。假設(shè)我們需要將外部光纖A05和A02之間開通一條光通道。該裝置需要依次查找4條繩路的光纖鏈路是否已被占用，處于保護(hù)運行狀態(tài)。查找出一條未被使用的光繩路，如圖2的第一列光繩路未被占用。將光繩路的兩端按需鏈接至指定光交換孔內(nèi)，既兩條需交換的光纖行位置（11g和11h），然后將相應(yīng)行的活動光鏈接器接入該列所在光交換孔（11g和11h）。最后將此條繩路和相應(yīng)的外部光纖置狀態(tài)為占用。這樣就完成了外部光纖A02與A05的光通道交換。

由上文可知，需要將指定的兩條外部光纖進(jìn)行光交換時，要查找所對應(yīng)的光交換孔，而查找到這對光交換孔需要滿足以下幾個條件：1、滿足該對交換孔在兩條指定光纖所在的行上。2、兩個光交換孔在一條空閑繩路所處的列上。

而交換孔的矩陣大小由需要接入的最大外部光纖數(shù)量決定：

矩陣大小N×M（行×列）

N=需要接入的光纖芯數(shù)

M=int[(N+1)/2]M為最大光連接數(shù)

圖3 光纖全交換設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)圖

1.2 光纖全交換設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)

圖3示例性地示出了安裝在子站中的光纖全交換設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)。同樣為一個8芯全交換設(shè)備,外部纖芯標(biāo)記為A01至A08。每條外部線路光纖接入一個光纖連接頭，然后通過一個活動光纖鏈接器連至交換孔處（32和35）。設(shè)備通過這種方式實現(xiàn)每行交換孔對應(yīng)一條相應(yīng)的外部線路光纖。設(shè)備內(nèi)部驅(qū)動裝置由第一驅(qū)動裝置和第二驅(qū)動裝置組成：1、將外部線路光纖鏈接器連接至指定光交換孔，并將之插入光交換孔的為第一驅(qū)動裝置。2、第二驅(qū)動裝置安裝于光交換板的背面，主要作用于將繩路光纖鏈接器精確的移動至預(yù)訂的交換孔處，并將之插入光交換孔的背面，使兩端的光纖通道連通。

第一驅(qū)動裝置由以下幾部分構(gòu)成：

用于插拔光纖外部連通裝置的第一移動裝置（51）。

驅(qū)動電機(jī)（52）、第二驅(qū)動電機(jī)（53）用于控制該光纖外部連通裝置橫向在幾個交換孔上移動。

第一絲桿（54）和第二絲桿（55）為導(dǎo)向作用。

工作具體步驟如下：第一驅(qū)動電機(jī)（52）工作可以讓第二驅(qū)動電機(jī)（53）沿著第一絲桿（54）移動（即在交換板行所在的方向橫向上移動）；第二驅(qū)動電機(jī)（53）工作可以讓第一移動裝置電機(jī)（51）沿著第二絲桿（55）移動（即在交換板列所在的方向上縱向移動）。

第二驅(qū)動裝置和第一驅(qū)動裝置的工作原理和機(jī)構(gòu)基本相同也是采用同樣的裝置對繩路設(shè)備的兩端連接裝置進(jìn)行依次操作。

綜上可以得出：子站中的全交換設(shè)備在接收到交換指令后，可以執(zhí)行如下指令自動完成跳纖操作：

首先查找指定交換孔，在決定了進(jìn)行交換的兩條外部纖芯后，查找空閑光繩路所在的列。找到了不再占用狀態(tài)的光繩路后，就決定了需要光交換孔的行和列。

第一驅(qū)動器工作，將兩個線路光纖鏈接器移動到第一步所查找出的交換孔處，并將此線路光纖鏈接器插入至交換孔內(nèi)。

第二驅(qū)動器工作，驅(qū)動光繩路的兩端光纖鏈接器至第一步查找出的光交換孔，隨后從另一側(cè)插入光繩路兩端的光纖鏈接器至相應(yīng)的光交換孔內(nèi)。

這樣就把兩條外部線路光纖用此設(shè)備連接成一個光通道路由。重復(fù)以上三步過程，完成所有外部光纖的連接交換，就可以實現(xiàn)纖芯的全交換功能。

2 結(jié)論

本文提出的光纖全交換設(shè)備結(jié)構(gòu)完全避免了原來有光開關(guān)設(shè)備組成的光纖交換設(shè)備產(chǎn)生的兩個缺點：1、不需要區(qū)分輸入輸出光纖，任意外部線路光纖之間都可采用本文提出的設(shè)備結(jié)構(gòu)完成光纖芯交換。2、本文提供的光纖全交換設(shè)備在實現(xiàn)全交換的過程中，沒有隨交換數(shù)量增加而增加額外的衰耗，解決了容量限制問題（每一條光纖通道只經(jīng)過兩個交換孔）。綜上所述相對于傳統(tǒng)的光開關(guān)構(gòu)成的交換設(shè)備，本發(fā)明實施例中光信號的衰減較小，并且與網(wǎng)絡(luò)接入的規(guī)模無關(guān)。

[1]陳希明; 梁斌全光網(wǎng)絡(luò)中的光開關(guān)技術(shù)及應(yīng)用.重慶郵電大學(xué)學(xué)報2007年06期

[2]舒桂榮;全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的光開關(guān).中國科技信息2008年06期