智能电表抗干扰功能系统设计

O TD R/B O TD R光测试模块是智能电表抗干扰监测站的核心, 该模块由项目组自主研发设计, OTDR测试卡的成功研发将能改变我国需要从国外进口测试卡的尴尬局面, 解决接口单一、成本昂贵的问题, 并且对电力安全起到了至关重要的作用。

OTDR具有和雷达相似的工作原理。在智能电表抗干扰系统的一端, OTDR发射光脉冲到智能电表抗干扰系统内, 然后在端口重复不断的接收从每个点上返回来的信息, 由于光脉冲在传输过程中, 遇到连接器、断点、接合点等事件而发生了散射和反射, 一部分散射和反射的值就会返回至OTDR中。将这些值以轨迹曲线的形式描绘出来, 便是整个智能电表抗干扰段内信号强弱的展现。

1 智能电表抗干扰功能分析

1.1 抗干扰指标设计分析

光发送端采用OKI OL5206N-120/P20脉冲型激光二级管, 波长1550nm, 输出功率120MW, 光接收端采用NEC公司的NR8300FP光探测器, NR8300FP为InGaAS雪崩型光电管, 接收波长为1310nm、1550nm, 响应度为0.9 4A/W, 倍增因子M=40, 反向偏置电压为70V, 温度控制采用温度传感器芯片LM335, 采集光探测器的温度, 控制风扇的转动。

如果使用1310nm的测试波, 智能电表抗干扰衰耗约为0.4db/km, 能测试40/0.4=100km。通常, 被测的智能电表抗干扰长度不会超过30km, 即使采用光开关级联的方式, 整个路经由的长度也不会超过100km。因此, 使用40dB动态范围的OTDR卡对智能电表抗干扰系统进行测试是合适的。

1.2 抗干扰断点设计

OTD R是光时域反射仪 (O ptical Time Domain Reflectometry) 的英文缩写。它在各种光通信网络的智能电表抗干扰状态测试中得到广泛应用, 通过测试得到的反射值和回波损耗计算智能电表抗干扰传输系统中的智能电表抗干扰距离、智能电表抗干扰衰减、接头损耗、链路损耗、智能电表抗干扰断点等。OTDR设备正是利用这两种反射去测量并计算智能电表抗干扰传输的反射系数和损耗。

2 智能电表抗干扰散射分析

2.1 瑞利 (Rayleigh) 散射

智能电表抗干扰介质的主要成分是二氧化硅, 二氧化硅的密度会随着环境等变化产生微观变化, 同时, 智能电表抗干扰效果是有区分的, 由于这些成分浓度的不均匀导致智能电表抗干扰系统中存在一些区域, 这些区域的折射率分布不均, 正是这些不均匀分布导致了光的散射, 这就是瑞利散射。如果智能电表抗干扰发生了中断, 则中断点之后的所有采样点的背向散射光功率消失为零。因此, 我们可以根据反射光功率的值, 判断智能电表抗干扰断点位置。

2.2 菲涅尔 (Fresnel) 反射

光在智能电表抗干扰系统内传输时, 如果遇到智能电表抗干扰系统的物理缺陷处、断裂面或两种不同介质的分界面, 就会发生反射和折射现象。菲涅尔反射的强弱与通过的光功率成正比, 一般情况下, 菲涅尔反射光功率比瑞利背向散射光功率大得多。

在对智能电表抗干扰进行测试时, OTDR卡发出的光脉冲遇到连接点或物理缺陷点, 就会产生菲涅尔反射。由于菲涅尔反射光功率比较高, 因此, 在描绘出的后向散射曲线图上, 它是一个明显的凸起。

3 抗干扰光功率检测设计

光功率监测是指通过对智能电表抗干扰端入射光的光功率不断进行监测, 当发现光功率异常时启动OTDR测试的一种触发测试方式。具体方法可以和不同的测试手段相结合。以下介绍两种方案。

3.1 光源+光功率计 (OPM)

此方案需要占用测试智能电表抗干扰系统资源, 一根用于承载光源发出的测试光, 一根用于测试光功率。在被测智能电表抗干扰线路的一端, 利用光源向智能电表抗干扰发射功率稳定的测试光, 在另一端使用光功率计接收并对光功率进行分析。如果光功率异常, 则产生告警并通知OTDR启动测试。由于智能电表抗干扰发生了中断, 承载光源的备纤也会中断, 光功率模块必然检测到异常, 继而触发测试;如果智能电表抗干扰出现其他衰耗, 同样备纤上的光功率会受到影响。因此, 该方案基本上能够实现对智能电表抗干扰故障的实时监测。但是, 使用此方案时, 系统需要添加光源、光功率计等硬件, 并且会占用两条空闲智能电表抗干扰系统通道。

3.2 分光器+光功率计 (OPM)

此方案取消了光源的添设, 也不占用空闲备纤, 而是在传输业务智能电表抗干扰上增加了一个分光器, 分光器是将智能电表抗干扰系统中的业务信号光分出3%送至光功率数据采集单元, 由光功率计监测被分出的这3%的光信号的变化情况。如果智能电表抗干扰系统出现故障, 该3%的光信号也会出现异常。因此, 系统启动OTDR对相关智能电表抗干扰系统功能进行测试。使用此方案时, 系统需要配置光功率模块, 不过它已经集成在分光器中。同时, 该方案可以节省备纤的使用。

摘要：智能电表抗干扰故障自动监测及预警系统由监测中心和监测站两大部分构成。监测站的设计思路是:建立一体化监测站平台, 硬件集成OSW、OPM、OTDR、WDM等模块, 集光功率监测和OTDR测试于一体。嵌入式智能电表抗干扰故障分析平台将基本平台和功能模块集成一体, 主要包括:主控制模块 (MCU) 、电源模块 (PWU) 、光测试模块 (OTDR/BOTDR) 、光切换模块 (OSW) 、光功率监测模块 (OPM) 、光源模块 (OLS) 、光耦合模块 (FCM) 、波分复用模块 (WDM) 、光滤波器模块 (FILTER) 等, 所有模块前端用螺钉锁紧, 后端采用气密式针孔插接、利用上下导轨定位的固定方式, 有效的抗冲击和震动, 提高系统的可靠性和安全性。

关键词：智能电表,抗干扰,控制模块

参考文献

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