电力光纤通信线路故障监测装置的制作方法

本发明属于通信领域，具体涉及一种电力光纤通信线路表征、事件识别和故障定位的电力光纤通信线路故障监测装置。

背景技术：

电力光纤通信线路长度通常在数公里至数百公里之间，线路故障监测通常采用光时域反射仪。光时域反射仪采用光纤中的光学雷达原理，即光时域反射技术来识别和定位光纤线路上的故障。考虑到电力通信业务的重要性，为了避免光时域反射仪发出的强的信号光脉冲可能在光纤线路中引起非线性光学效应而导致通信误码率增加，在电力系统中，极少采用在线监测方案。另外，由于光时域反射仪采用直接探测方式，其探测的灵敏度低，抗光学干扰差，难以实现超长距离(200km)以上监测。此外，在变电站通信机房中，与周围其他变电站连接通信的光纤线路一般有数十条甚至上百条，对每条光纤线路健康状况的监测和管理，是电力系统通信运维的重要内容，因此非常有必要根据电力光纤线路的特点和通信管理的客观需求，开发相应的装置。对电力光纤线路进行高灵敏度探测可以采用相干光时域反射仪，它在光时域反射技术的基础上使用了相干探测技术和窄带滤波方法，利用相干探测技术通过探测光与本振光相干(外差)，将探测信号光的功率转移到相干中频信号上，于是通过对中频信号进行窄带滤波就可以抑制掉大部分带外噪声，从而提升测量的动态范围。

相干光时域反射仪中最为核心的工作是降低探测曲线上的衰落噪声，因为曲线上的衰落噪声直接影响对曲线上事件或故障的识别与定位精度。由于衰落噪声源于激光光源卓越的相干性，人们通常采用激光变频方式，利用不同激光频率下测量数据的平均快速地降低衰落噪声。南京大学的张旭苹等人提出了多频探测光时分复用相干光时域反射仪方案(发明专利名称：多频探测光时分复用相干光时域反射仪方法和装置，申请号：201110359921.3，通过时分和频分的方式极大地增加用于探测的激光频率样本，从而降低探测曲线的衰落噪声，但是激光频率是固定的，频率样本缺少变化。日本NTT公司的H.Izumita等人，提出了基于改变激光器驱动电流以增加探测光频率样本的方案(见论文：Izumita H,Koyamada Y,Furukawa S,Sankawa I.Stochastic amplitude fluctuation in coherent OTDR and a new technique for its reduction by stimulating synchronous optical frequency hopping.J.Lightw.Technol.1997；15:267-278.)，在每个探测脉冲周期都同步地改变激光频率，最终将衰落噪声降低到0.1dB以下，从而使识别和定位光纤线路上的事件或故障变得简单。但是，该方案在每个探测脉冲周期都同步改变激光器的驱动电流以使激光器的输出频率跳变，这将增加系统的测量时间，比如，从发指令改变激光器驱动电流到激光器稳定频率输出需要5ms时间，若系统测量结果是10万次测量结果(每次测量结果对应1个脉冲周期)的平均，那么，系统在激光器跳频过程中耗费的时间是500s。这在对电力光纤线路的巡检中，会严重影响对光纤线路巡检的效率。此外，目前光时域反射仪或相干光时域反射仪，不附带线路巡检功能，还需在其基础上做二次开发和集成。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种电力光纤通信线路故障监测装置，它采用相干探测方式提升探测灵敏度、对数检波与平均方式提升对探测信号的提取效率、基于脉冲计数的激光跳频方案来降低光时域反射曲线上的衰落噪声。

本发明实施例提出的电力光纤通信线路故障监测装置，包括：激光器、激光器驱动单元、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤放大器、声光调制器、声光调制器驱动、光纤环形器、光开关、扰偏器、平衡光电探测器、射频放大器、射频带通滤波器、对数检波器、信号发/收单元和处理器；所述激光器发出的激光经所述第一光纤耦合器分成两路，一路连接所述光纤放大器，另一路连接所述扰偏器；所述扰偏器的输出端连接所述第二光纤耦合器的某一输入端，从而将所述激光器产生的连续光用作本振光；所述光纤放大器的输出端连接所述声光调制器，所述声光调制器驱动驱动所述声光调制器使其将输入的连续光变成光脉冲输出，并使光脉冲的光频率相对于输入到所述声光调制器的连续光的频率发生某一固定的频率移动，其数值等于所述声光调制器的频移量；所述声光调制器的输出端连接所述光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口连接所述光开关的一输入端，所述光开关的输出端连接被测的电力光纤通信线路；光脉冲在被测的电力光纤通信线路中的背向瑞利散射信号光经所述光纤环形器的第二端口和第三端口进入所述第二光纤耦合器的另一输入端；背向瑞利散射信号光与本振光在所述第二光纤耦合器中混频，产生相干中频包络信号，并经所述平衡光电探测器将相干中频包络信号转换成对应的射频信号；所述射频放大器放大所述平衡光电探测器输出的射频信号，再经所述射频带通滤波器滤除带外噪声，以提升射频信号的信噪比；所述对数检波器将所述射频带通滤波器输出的射频信号转换成电压信号输出；所述信号发/收单元采集从所述对数检波器输出的电压信号，并按时序进行叠加，最后求平均，并将数据传送给所述处理器；所述处理器的数据接口分别与所述激光器驱动单元、所述信号发/收单元、所述光开关的通信控制接口相连，通过向所述光开关发送指令，使所述光开关将光路切换到被指定的光纤线路；并控制所述信号发/收单元中电脉冲的发送及对所述对数检波器输出电压信号的采集，当所述信号发/收单元发送的电脉冲个数每达到某一固定数值的整数倍时，所述信号发/收单元工作暂停某一固定时间，与此同时，所述处理器控制所述激光器驱动单元改变热敏电阻值使所述激光器的输出频率发生改变，所述信号发/收单元暂停时间结束后，继续工作，直到发送的电脉冲个数达到设定值时结束，所述处理器对所述信号发/收单元发送来的数据进行线性变换，并减去所述平衡光电探测器的平均噪声功率，得到光时域反射曲线，并根据光纤线路故障识别和定位算法从光时域反射曲线中识别和定位光纤线路故障；其中，所述处理器，还将被测光纤的距离信息转换成以电力光纤通信线路杆塔顺序编号的地理位置信息，并对电力光纤线路故障信息进行记录，所述电力光纤线路故障信息包括被测光纤线路名称、故障点近邻的两个杆塔编号和故障点与这两个杆塔中编号较低一个杆塔的距离。

本发明实施例中的电力光纤通信线路故障监测装置的运行过程如下：

1)所述处理器向所述光开关发送指令，使所述光开关将光路切换到被测的电力光纤通信线路。

2)所述处理器控制所述信号发/收单元中电脉冲的发送及对所述对数检波器输出电压信号的采集，当所述信号发/收单元发送的电脉冲个数每达到某一固定数值的整数倍时，信号发/收单元工作暂停某一固定时间，与此同时，所述处理器控制所述激光器驱动单元使所述激光器的输出频率发生改变，所述信号发/收单元暂停时间结束后，继续工作，直到发送的电脉冲个数达到设定值时结束。

3)所述处理器对所述信号发/收单元发送来的数据进行线性变换，并减去所述平衡光电探测器的平均噪声功率，得到光时域反射曲线，并根据光纤线路故障识别和定位算法从光时域反射曲线中识别和定位光纤线路故障。

4)所述处理器的程序软件将被测光纤的距离信息转换成以电力光纤通信线路杆塔顺序编号的地理位置信息。

5)所述处理器的程序软件记录电力光纤线路故障信息，内容包括被测光纤线路名称、故障点近邻的两个杆塔编号和故障点与这两个杆塔中编号较低一个杆塔的距离。

可选地，本发明实施例中的电力光纤通信线路故障监测装置，所述激光器选用驱动电流和热敏电阻可调的半导体激光器。

可选地，本发明实施例中的电力光纤通信线路故障监测装置，所述光纤环形器选用3个端口的光纤环形器。

可选地，本发明实施例中的电力光纤通信线路故障监测装置，所述第二光纤耦合器选用2×2的3dB光纤耦合器。

可选地，本发明实施例中的电力光纤通信线路故障监测装置，根据所述对数检波器输入射频信号的对数功率与输出电压的线性关系，所述处理器对所述信号发/收单元发送来的数据进行线性变换，将每个数据点的电压值转换成射频信号的对数功率值。

可选地，本发明实施例中的电力光纤通信线路故障监测装置，当所述信号发/收单元发送的电脉冲个数每达到1000的整数倍时，所述信号发/收单元工作暂停5毫秒。

可选地，本发明实施例中的光纤通信线路故障监测装置，所述处理器控制所述信号发/收单元和所述激光器驱动单元工作之前，先控制所述光开关，使所述光开关按设定的光纤线路顺序切换，所述处理器得到的测量数据按光纤线路名称保存，并转换成基于电力光纤通信线路杆塔编号的地理信息显示。

可选地，本发明实施例中的电力光纤通信线路故障监测装置，改变后的所述激光器的热敏电阻值是能保证所述激光器正常工作的热敏电阻范围内的某一随机值。

本发明实施例技术方案，具有如下优点：

本发明涉及的电力光纤通信线路故障监测装置，在相干光时域反射仪基础上增加了光纤线路巡线监测功能，引入对数检波器快速提取射频信号的功率，从而降低了系统硬件设计和开发的难度，采用改变激光器温敏电阻改变激光频率，对激光输出频率精度控制更加准确，激光频率稳定时间更短，特别是采用基于脉冲计数的激光跳频方案，在装置测量过程中，消耗在激光跳频调整的时间更短，若每1000个脉冲周期隔跳频一次，则激光跳频的时间消耗仅为每个脉冲周期都跳频方案的1/1000，但最终测量结果却几乎相同。本发明涉及的电力光纤通信线路故障监测装置结构紧凑、灵敏度高、测量时间消耗短，可支持在线监测，且能快速巡检变电站通信机房内所有的光纤通信线路，具备监测范围广、实时性高的特点。本发明采用以电力光纤通信线路杆塔顺序编号的地理信息表征方式，将被测光纤的距离信息转换成光纤实际所在位置处的杆塔序号和近邻距离的信息，从而方便对电力光纤线路中故障点位置的清晰描述，相对于采用地图的经纬度信息描述根据简单实用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种电力光纤通信线路故障监测装置的结构图；

图2为本发明涉及的激光器热敏电阻与激光器输出波长变化关系图；

图3为本发明涉及的对数检波器输入射频功率与输出电压关系图；

图4为本发明提出的一种电力光纤通信线路故障监测装置测得的光时域反射曲线；

图5为本发明被测光纤距离与电力光纤通信线路杆塔映射关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提供的一种电力光纤通信线路故障监测装置，其结构如图1所示，它包括：

激光器1，用来产生单频激光，用于监测装置所需的探测光和本振光，选用窄线宽半导体激光器，型号：RIO0175-3,厂商：美国REDFERN INTEGRATED OPTICS INC.公司。

激光器驱动单元1a，用来驱动激光器1，使其输出频率反生改变，选用RIO0175-3自带的驱动，可进行激光器电流调节和热敏电阻调节，激光器1的输出波长与热敏电阻的对应关系如图2所示。

第一光纤耦合器2a，用来分光，一路用于探测光，一路用于本振光，选用1×2类型，分光比90:10。

第二光纤耦合器2b，用于光学耦合与混频，将本振光与探测光信号耦合，并使二者混频产生中频包络，选用2×2类型，分光比50:50，即3dB光纤耦合器。

光纤放大器3，用来提升探测光的功率，选用恒功率放大输出类型，输出功率17.0dBm。

声光调制器4，用来将连续激光调制成光脉冲，选用英国Gooch&Housego公司生产的FSO2728-T-M040型号，输出光脉冲的光波频率相对于输入光上移40MHz。

声光调制器驱动4a，驱动声光调制器4使其对输入的连续光进行调制，选用FSO2728-T-M040型号配套的驱动。

光纤环形器5，用于光脉冲向被测光纤的定向发送，以及光脉冲在被测光纤中的背向瑞利散射光的定向传输。

光开关6，用于切换被测光纤。

扰偏器7，使输入其中的光的光学偏振态随机化，以降低相干探测过程中的偏振噪声，选用美国General Photonics Corporation生产的PSM-001型号。

平衡光电探测器8，用于光学相干探测，选用美国Thorlabs公司生产的PBD450C-AC型号。

射频放大器9，用于放大射频信号的功率。

射频带通滤波器10，用于对固定的某一中频信号进行滤波降噪。

对数检波器11，用于提取射频信号的功率，选用美国Mini-Circuits公司生产的ZX47-60LN+型号，对数检波器11输入射频信号功率与输出电压关系如图3所示。

信号发/收单元12，用于向声光调制器驱动4a发送电脉冲，进而使声光调制器4将输入其中的连续光调制成光脉冲输出。

处理器13，用于通信、控制和数据存取、处理、显示。

具体地，如图1所示，所述激光器1发出的激光经所述第一耦合器2a分成两路，一路连接所述光纤放大器3，另一路连接所述扰偏器7。

所述扰偏器7的输出端连接所述第二光纤耦合器2b的某一输入端，从而将所述激光器1产生的连续光用作本振光。

所述光纤放大器3的输出端连接所述声光调制器4，所述声光调制器驱动4a驱动所述声光调制器4将输入的连续光变成光脉冲输出，并使光脉冲的光频率相对于输入到声光调制器4的连续光的频率移动40MHz。

所述声光调制器4的输出端连接所述光纤环形器5的第一端口，所述光纤环形器5的第二端口连接光开关6的一输入端，所述光开关6的输出端连接被测的电力光纤通信线路，于是，声光调制器4输出的光脉冲经光纤环形器的第一端口和第二端口，再经过光开关6注入到被测的电力光纤通信线路。

光脉冲在被测的电力光纤通信线路中的背向瑞利散射信号光经所述光开关6返回，再经所述光纤环形器5的第二端口和第三端口进入所述第二光纤耦合器2b的另一输入端。

背向瑞利散射信号光与本振光在所述第二光纤耦合器2b中混频，产生频率为40MHz中频包络信号，并经所述平衡光电探测器8将该中频包络信号转换成频率为40MHz的射频信号。

所述射频放大器9放大所述平衡光电探测器8输出的射频信号，再经中心频率为40MHz、带宽为5MHz的所述射频带通滤波器10滤除带外噪声，以提升射频信号的信噪比。

所述对数检波器11将所述射频带通滤波器10输出的射频信号转换成电压信号输出。

所述信号发/收单元12采集从所述对数检波器11输出的电压信号，并按时序进行叠加，最后求平均，并将数据传送给所述处理器13。

所述处理器13的数据接口分别与所述激光器驱动单元1a、所述信号发/收单元12、所述光开关6的通信控制接口相连。

所述处理器13向所述激光器驱动单元1a发送指令改变所述激光器1的热敏电阻值，从而使所述激光器1的输出频率发生改变，如图3所示：

本发明涉及一种电力光纤通信线路故障监测装置运行过程如下：

1)所述处理器13向所述光开关6发送指令，使所述光开关6将光路切换到被制定的光纤线路；

2)所述处理器13控制所述信号发/收单元12中电脉冲的发送及对所述对数检波器11输出电压信号的采集，当所述信号发/收单元12发送的电脉冲个数每达到1000的整数倍时，信号发/收单元12工作暂停5ms，与此同时，所述处理器13控制所述激光器驱动单元1a随机改变热敏电阻值使所述激光器1的输出波长/频率发生改变，所述信号发/收单元12暂停时间结束后，继续工作，直到发送的电脉冲个数达到100000；

3)所述处理器13对所述信号发/收单元12发送来的数据按如图3所示的射频信号功率与电压转换关系进行线性变换，并减去所述平衡光电探测器8的平均噪声功率，得到光时域反射曲线，如图4所示，并根据光纤线路故障识别和定位算法从光时域反射曲线中识别和定位光纤线路故障；

4)所述处理器13的程序软件将被测光纤的距离信息转换成以电力光纤通信线路杆塔顺序编号的地理位置信息，该转换过程涉及的映射关系如图5所示。

5)所述处理器13的程序软件记录电力光纤线路故障信息，内容包括被测光纤线路名称、故障点近邻的两个杆塔编号和故障点与这两个杆塔中编号较低一个杆塔的距离，比如AB线、3#4#杆塔之间、距3#杆塔300米处。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。