電力系統(tǒng)中MEMS光開(kāi)關(guān)切換路徑優(yōu)化控制的方法

阮 峻，杜浩滔，朱志俊，孫 豪

(南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 昆明局，昆明 650217)

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，特別是高壓電力場(chǎng)合，一般常會(huì)使用光控晶閘管控制電力電路的工作，光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣狀態(tài)。在目前光控光信號(hào)的光纖傳輸線(xiàn)路中，為了保障傳輸光纖的工作狀態(tài)，開(kāi)始越來(lái)越多地使用在線(xiàn)光時(shí)域反射儀(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)對(duì)傳輸光纖進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)使用微鏡反射型微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electromechanical System，MEMS)光開(kāi)關(guān)控制OTDR在監(jiān)控光纖和故障備用光纖之間進(jìn)行切換[1-2]。MEMS光開(kāi)關(guān)通道間的切換一般都是采用直接切換的方式，即采用通道到通道距離最短的直線(xiàn)切換方式[3-4],這種切換方式是存在弊端的，當(dāng)切換路徑上存在其他通道時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致通道間的串?dāng)_，嚴(yán)重情況甚至可能因?yàn)楣饪匦盘?hào)通道內(nèi)過(guò)大的光信號(hào)導(dǎo)致OTDR通道的接收模塊產(chǎn)生錯(cuò)誤或者失效，所以在光通道的切換過(guò)程中，應(yīng)盡量避免切換路徑經(jīng)過(guò)其他通道[5-6]。

目前已有的解決方案是通過(guò)MEMS光開(kāi)關(guān)需要切換的通道坐標(biāo)以及通道夾角和距離計(jì)算得到多個(gè)hitless非命中點(diǎn)，并遍歷篩選出所需的hitless點(diǎn)，該方法在一定程度上避免了對(duì)其他通道的干擾，但缺點(diǎn)在于,當(dāng)通道環(huán)境較為復(fù)雜時(shí)，采用這種方式計(jì)算hitless點(diǎn)耗時(shí)長(zhǎng)，甚至?xí)霈F(xiàn)無(wú)法計(jì)算出所需hitless點(diǎn)的情況[7-8]。針對(duì)這種情況，本文提出了一種電力系統(tǒng)中MEMS光開(kāi)關(guān)切換路徑優(yōu)化控制的方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

微鏡反射型MEMS光開(kāi)關(guān)切換路徑的優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由光源、校準(zhǔn)、MEMS光開(kāi)關(guān)、多路光功率計(jì)和主控模塊組成。

圖1 微鏡反射型MEMS光開(kāi)關(guān)切換路徑的優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光源模塊由激光器及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)電路受主控模塊控制以調(diào)整激光器的輸出光波長(zhǎng)和光功率，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路還需要使激光器的工作溫度和驅(qū)動(dòng)電流保持穩(wěn)定，從而使光源模塊的輸出光波長(zhǎng)和光功率穩(wěn)定不變，以保證測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定和可靠。

校準(zhǔn)模塊將未經(jīng)過(guò)MEMS光開(kāi)關(guān)模塊的光信號(hào)數(shù)據(jù)采集后傳輸至主控模塊，用以作為經(jīng)過(guò)MEMS光開(kāi)關(guān)模塊光信號(hào)的校準(zhǔn)信號(hào)。

MEMS光開(kāi)關(guān)模塊可由1×N型或N×N型MEMS光開(kāi)關(guān)及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，主控模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制MEMS光開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道切換，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)保證其可迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)主控模塊的控制命令并對(duì)MEMS光開(kāi)關(guān)進(jìn)行精確地切換路徑控制。

多路光功率計(jì)模塊接收MEMS光開(kāi)關(guān)模塊的多路光信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行精確采樣，將其功率信息快速傳輸至主控模塊以便進(jìn)行處理。

主控模塊是系統(tǒng)的大腦部位，不僅要控制光源模塊光信號(hào)的輸出光波長(zhǎng)和光功率，讀取多路光功率計(jì)模塊的實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，還要實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析并對(duì)MEMS光開(kāi)關(guān)模塊的切換路徑進(jìn)行控制及優(yōu)化。

2 MEMS光開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)分析

微鏡反射型MEMS光開(kāi)關(guān)切換路徑的優(yōu)化控制系統(tǒng)在優(yōu)化控制前，首先要對(duì)當(dāng)前MEMS光開(kāi)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作。主控模塊在光源模塊的輸出光信號(hào)穩(wěn)定后，將光源模塊的輸出與MEMS光開(kāi)關(guān)的公共端相連，控制MEMS光開(kāi)關(guān)模塊對(duì)當(dāng)前MEMS光開(kāi)關(guān)進(jìn)行一次完整的精細(xì)掃描，根據(jù)MEMS光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)和通道數(shù)的不同，這個(gè)過(guò)程一般需要持續(xù)1～3 min。掃描后即可得到數(shù)量與光開(kāi)關(guān)通道數(shù)目相同的多幅單路通道光信號(hào)功率等高圖。單路功率等高圖描述的是單一通道在MEMS光開(kāi)關(guān)完整遍歷微鏡的有效控制電壓范圍內(nèi)所有電壓點(diǎn)后接收到的光信號(hào)功率強(qiáng)度的分布。圖2所示為微鏡反射型1×16路MEMS光開(kāi)關(guān)16路通道中一路通道的光信號(hào)功率等高圖。該圖為在公共端輸入光信號(hào)穩(wěn)定不變的前提下，微鏡在遍歷所有有效電壓點(diǎn)后得到的光信號(hào)功率等高圖。由圖可知，圖中有一個(gè)呈橢圓形的峰，一般認(rèn)為該峰的最高值處對(duì)應(yīng)的控制電壓坐標(biāo)即為此路通道的最優(yōu)輸出點(diǎn)。

圖2 微鏡反射型1×16路MEMS光開(kāi)關(guān)單路通道光信號(hào)功率等高圖

將此1×16路MEMS光開(kāi)關(guān)16路通道的功率等高圖進(jìn)行合成，每一個(gè)點(diǎn)均取16組數(shù)據(jù)中相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)最大值作為最終合成數(shù)據(jù)，可以得到如圖3所示的微鏡反射型1×16路MEMS光開(kāi)關(guān)光信號(hào)合成功率等高圖。該等高圖綜合了各路通道對(duì)應(yīng)控制電壓坐標(biāo)點(diǎn)的最高值數(shù)據(jù)，能夠比較直觀(guān)地反映MEMS光開(kāi)關(guān)內(nèi)部各路通道間的性能和狀態(tài)，包括各通道間的隔離度和串?dāng)_等參數(shù)指標(biāo)。由圖可知，當(dāng)光開(kāi)關(guān)需要進(jìn)行通道切換時(shí)，如果僅僅是直線(xiàn)切換，那么當(dāng)所需切換的兩個(gè)通道之間有其他通道，或切換路徑經(jīng)過(guò)其他通道隔離度偏小的區(qū)域時(shí)，在切換過(guò)程中就很容易對(duì)其他通道造成影響；而如果僅僅通過(guò)計(jì)算hitless點(diǎn)，計(jì)算量不僅大，而且冗余計(jì)算多，在左上部通道密集的情況下，甚至可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法計(jì)算的情況。所以在電力系統(tǒng)中，為了防止光控信號(hào)在光開(kāi)關(guān)切換時(shí)對(duì)其他通道造成影響，就必須對(duì)光開(kāi)關(guān)的切換路徑進(jìn)行細(xì)致精確地優(yōu)化控制。

圖3 微鏡反射型1×16路MEMS光開(kāi)關(guān)光信號(hào)合成功率等高圖

3 MEMS光開(kāi)關(guān)路徑優(yōu)化控制

如圖3所示，我們可以較直觀(guān)地理解如何通過(guò)算法對(duì)光開(kāi)關(guān)的切換路徑進(jìn)行優(yōu)化控制。對(duì)于光開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，切換時(shí)間是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，而當(dāng)加入在切換過(guò)程中不會(huì)對(duì)其他通道產(chǎn)生影響這個(gè)限制條件后，對(duì)于如何平衡切換時(shí)間和切換時(shí)通道間串?dāng)_這兩者的關(guān)系，就是光開(kāi)關(guān)切換路徑優(yōu)化控制的關(guān)鍵。切換時(shí)間正比于通道切換時(shí)切換路徑的長(zhǎng)度和通道間的隔離度，反比于通道切換時(shí)與其余通道的隔離度。通常情況下，路徑長(zhǎng)度與通道隔離度是相互制約的，當(dāng)限定了路徑長(zhǎng)度且要求盡量短時(shí)，切換通道時(shí)就可能無(wú)法沿著通道間隔離度最高的路徑進(jìn)行切換，而當(dāng)限定了切換時(shí)的通道隔離度且要求隔離度數(shù)值盡量大時(shí)，路徑長(zhǎng)度就無(wú)法保證可以沿著兩點(diǎn)間的最短路徑進(jìn)行切換。圖4所示為忽略一種限制條件時(shí)兩種切換路徑的示意圖，隨機(jī)選取兩個(gè)不相鄰的通道進(jìn)行切換，黑色路徑為只考慮路徑長(zhǎng)度情況時(shí)的切換路徑，由于兩點(diǎn)之間直線(xiàn)最短，所以路徑長(zhǎng)度最短的情況即為直線(xiàn)連接兩個(gè)通道，切換時(shí)間為7.3 ms；紅色路徑為只考慮通道隔離度情況時(shí)的切換路徑，此時(shí)的切換路徑沿著相對(duì)于其他所有通道隔離度最高的路徑進(jìn)行切換，由圖可知，此時(shí)的路徑長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于黑色的路徑長(zhǎng)度，切換時(shí)間為33.7 ms。

圖4 忽略一種限制條件時(shí)的兩種切換路徑示意圖

將通道切換過(guò)程中其他各個(gè)通道的接收光功率進(jìn)行疊加得到總的接收光功率值，可以較直觀(guān)地分析除需要進(jìn)行切換的通道以外的其他通道受到切換過(guò)程影響的情況。圖5所示為兩種切換路徑情況下其他各個(gè)通道的總接收光功率。

圖5(a)所示為路徑長(zhǎng)度最短情況下切換路徑時(shí)其他各個(gè)通道的總接收光功率，由圖可知，由于切換路徑為直線(xiàn)，沒(méi)有避開(kāi)其上的兩個(gè)通道，雖然其路徑長(zhǎng)度較短，但這兩個(gè)通道在切換過(guò)程中受到了入射光的影響；圖5(b)所示為通道隔離度最高情況下切換路徑時(shí)其他各個(gè)通道的總接收光功率，由圖可知，由于切換路徑是沿著通道隔離度最高的路線(xiàn)進(jìn)行切換，所以在切換過(guò)程中對(duì)其他通道并沒(méi)有任何影響，但其切換的路徑長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)。

圖5 兩種切換路徑情況下其他各個(gè)通道的總接收光功率

在中間路徑Pi-1～Pi上的最大功率為maxPi，則切換時(shí)間最短的最優(yōu)路徑為

式中，CT為指定的隔離度。同理，我們也可以得到在指定切換時(shí)間下隔離度最高的最優(yōu)路徑。在上述微鏡反射型1×16路MEMS光開(kāi)關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)通道隔離度進(jìn)行限定，將通道隔離度的上限限定為50 dB后，在對(duì)其他通道隔離度≥50 dB的路徑中選取路徑長(zhǎng)度最短的切換路徑，圖6所示為限定一種限制條件時(shí)兩種切換路徑的示意圖。如圖6(a)所示，用示波器測(cè)得此時(shí)的切換時(shí)間為17.2 ms，此時(shí)的切換時(shí)間即為在限定隔離度參數(shù)時(shí)最優(yōu)路徑下的切換時(shí)間指標(biāo)。對(duì)路徑長(zhǎng)度進(jìn)行限定，將切換時(shí)間的上限限定為10 ms后，如圖6(b)所示，切換路徑在保證10 ms切換完成的前提下沿通道隔離度盡量大的路徑進(jìn)行切換，此時(shí)在切換過(guò)程中最低的通道隔離度為43 dB，同時(shí)也是在限定切換時(shí)間參數(shù)時(shí)的最優(yōu)路徑下的隔離度指標(biāo)。

圖6 限定一種限制條件時(shí)的兩種切換路徑示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的電力系統(tǒng)中MEMS光開(kāi)關(guān)切換路徑優(yōu)化控制的方法，可以在系統(tǒng)對(duì)MEMS光開(kāi)關(guān)進(jìn)行完整掃描后得到其精確的光信號(hào)通道功率等高圖，通過(guò)該功率等高圖，系統(tǒng)可以很容易對(duì)MEMS光開(kāi)關(guān)的切換路徑進(jìn)行優(yōu)化控制，可以在平衡控制通道切換時(shí)間的前提下使入射光沿相對(duì)通道隔離度最高的最佳路徑進(jìn)行切換控制，同時(shí)也可以在保證切換時(shí)間的前提下，將MEMS光開(kāi)關(guān)在切換時(shí)對(duì)其他通道的影響降到最低，并且即使在通道環(huán)境非常復(fù)雜的情況下也不受影響。