电力系统中MEMS光开关切换路径优化控制的方法

阮 峻，杜浩滔，朱志俊，孙 豪

(南方电网超高压输电公司 昆明局，昆明 650217)

0 引 言

在电力系统中，特别是高压电力场合，一般常会使用光控晶闸管控制电力电路的工作，光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘状态。在目前光控光信号的光纤传输线路中，为了保障传输光纤的工作状态，开始越来越多地使用在线光时域反射仪(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)对传输光纤进行监控，同时使用微镜反射型微机电系统(Micro-Electromechanical System，MEMS)光开关控制OTDR在监控光纤和故障备用光纤之间进行切换[1-2]。MEMS光开关通道间的切换一般都是采用直接切换的方式，即采用通道到通道距离最短的直线切换方式[3-4],这种切换方式是存在弊端的，当切换路径上存在其他通道时，可能会导致通道间的串扰，严重情况甚至可能因为光控信号通道内过大的光信号导致OTDR通道的接收模块产生错误或者失效，所以在光通道的切换过程中，应尽量避免切换路径经过其他通道[5-6]。

目前已有的解决方案是通过MEMS光开关需要切换的通道坐标以及通道夹角和距离计算得到多个hitless非命中点，并遍历筛选出所需的hitless点，该方法在一定程度上避免了对其他通道的干扰，但缺点在于,当通道环境较为复杂时，采用这种方式计算hitless点耗时长，甚至会出现无法计算出所需hitless点的情况[7-8]。针对这种情况，本文提出了一种电力系统中MEMS光开关切换路径优化控制的方法。

1 系统结构及工作原理

微镜反射型MEMS光开关切换路径的优化控制系统结构如图1所示。该系统由光源、校准、MEMS光开关、多路光功率计和主控模块组成。

图1 微镜反射型MEMS光开关切换路径的优化控制系统结构

光源模块由激光器及其驱动电路构成，驱动电路受主控模块控制以调整激光器的输出光波长和光功率，同时驱动电路还需要使激光器的工作温度和驱动电流保持稳定，从而使光源模块的输出光波长和光功率稳定不变，以保证测试结果的稳定和可靠。

校准模块将未经过MEMS光开关模块的光信号数据采集后传输至主控模块，用以作为经过MEMS光开关模块光信号的校准信号。

MEMS光开关模块可由1×N型或N×N型MEMS光开关及其驱动电路构成，主控模块通过驱动电路控制MEMS光开关进行通道切换，驱动电路的设计保证其可迅速准确地响应主控模块的控制命令并对MEMS光开关进行精确地切换路径控制。

多路光功率计模块接收MEMS光开关模块的多路光信号并对其进行精确采样，将其功率信息快速传输至主控模块以便进行处理。

主控模块是系统的大脑部位，不仅要控制光源模块光信号的输出光波长和光功率，读取多路光功率计模块的实时接收数据，还要实时进行数据的处理分析并对MEMS光开关模块的切换路径进行控制及优化。

2 MEMS光开关数据分析

微镜反射型MEMS光开关切换路径的优化控制系统在优化控制前，首先要对当前MEMS光开关进行数据分析工作。主控模块在光源模块的输出光信号稳定后，将光源模块的输出与MEMS光开关的公共端相连，控制MEMS光开关模块对当前MEMS光开关进行一次完整的精细扫描，根据MEMS光开关结构和通道数的不同，这个过程一般需要持续1～3 min。扫描后即可得到数量与光开关通道数目相同的多幅单路通道光信号功率等高图。单路功率等高图描述的是单一通道在MEMS光开关完整遍历微镜的有效控制电压范围内所有电压点后接收到的光信号功率强度的分布。图2所示为微镜反射型1×16路MEMS光开关16路通道中一路通道的光信号功率等高图。该图为在公共端输入光信号稳定不变的前提下，微镜在遍历所有有效电压点后得到的光信号功率等高图。由图可知，图中有一个呈椭圆形的峰，一般认为该峰的最高值处对应的控制电压坐标即为此路通道的最优输出点。

图2 微镜反射型1×16路MEMS光开关单路通道光信号功率等高图

将此1×16路MEMS光开关16路通道的功率等高图进行合成，每一个点均取16组数据中相应坐标点数据最大值作为最终合成数据，可以得到如图3所示的微镜反射型1×16路MEMS光开关光信号合成功率等高图。该等高图综合了各路通道对应控制电压坐标点的最高值数据，能够比较直观地反映MEMS光开关内部各路通道间的性能和状态，包括各通道间的隔离度和串扰等参数指标。由图可知，当光开关需要进行通道切换时，如果仅仅是直线切换，那么当所需切换的两个通道之间有其他通道，或切换路径经过其他通道隔离度偏小的区域时，在切换过程中就很容易对其他通道造成影响；而如果仅仅通过计算hitless点，计算量不仅大，而且冗余计算多，在左上部通道密集的情况下，甚至可能会出现无法计算的情况。所以在电力系统中，为了防止光控信号在光开关切换时对其他通道造成影响，就必须对光开关的切换路径进行细致精确地优化控制。

图3 微镜反射型1×16路MEMS光开关光信号合成功率等高图

3 MEMS光开关路径优化控制

如图3所示，我们可以较直观地理解如何通过算法对光开关的切换路径进行优化控制。对于光开关来说，切换时间是一项重要的指标，而当加入在切换过程中不会对其他通道产生影响这个限制条件后，对于如何平衡切换时间和切换时通道间串扰这两者的关系，就是光开关切换路径优化控制的关键。切换时间正比于通道切换时切换路径的长度和通道间的隔离度，反比于通道切换时与其余通道的隔离度。通常情况下，路径长度与通道隔离度是相互制约的，当限定了路径长度且要求尽量短时，切换通道时就可能无法沿着通道间隔离度最高的路径进行切换，而当限定了切换时的通道隔离度且要求隔离度数值尽量大时，路径长度就无法保证可以沿着两点间的最短路径进行切换。图4所示为忽略一种限制条件时两种切换路径的示意图，随机选取两个不相邻的通道进行切换，黑色路径为只考虑路径长度情况时的切换路径，由于两点之间直线最短，所以路径长度最短的情况即为直线连接两个通道，切换时间为7.3 ms；红色路径为只考虑通道隔离度情况时的切换路径，此时的切换路径沿着相对于其他所有通道隔离度最高的路径进行切换，由图可知，此时的路径长度明显长于黑色的路径长度，切换时间为33.7 ms。

图4 忽略一种限制条件时的两种切换路径示意图

将通道切换过程中其他各个通道的接收光功率进行叠加得到总的接收光功率值，可以较直观地分析除需要进行切换的通道以外的其他通道受到切换过程影响的情况。图5所示为两种切换路径情况下其他各个通道的总接收光功率。

图5(a)所示为路径长度最短情况下切换路径时其他各个通道的总接收光功率，由图可知，由于切换路径为直线，没有避开其上的两个通道，虽然其路径长度较短，但这两个通道在切换过程中受到了入射光的影响；图5(b)所示为通道隔离度最高情况下切换路径时其他各个通道的总接收光功率，由图可知，由于切换路径是沿着通道隔离度最高的路线进行切换，所以在切换过程中对其他通道并没有任何影响，但其切换的路径长度相对较长。

图5 两种切换路径情况下其他各个通道的总接收光功率

在中间路径Pi-1～Pi上的最大功率为maxPi，则切换时间最短的最优路径为

式中，CT为指定的隔离度。同理，我们也可以得到在指定切换时间下隔离度最高的最优路径。在上述微镜反射型1×16路MEMS光开关的实验中，对通道隔离度进行限定，将通道隔离度的上限限定为50 dB后，在对其他通道隔离度≥50 dB的路径中选取路径长度最短的切换路径，图6所示为限定一种限制条件时两种切换路径的示意图。如图6(a)所示，用示波器测得此时的切换时间为17.2 ms，此时的切换时间即为在限定隔离度参数时最优路径下的切换时间指标。对路径长度进行限定，将切换时间的上限限定为10 ms后，如图6(b)所示，切换路径在保证10 ms切换完成的前提下沿通道隔离度尽量大的路径进行切换，此时在切换过程中最低的通道隔离度为43 dB，同时也是在限定切换时间参数时的最优路径下的隔离度指标。

图6 限定一种限制条件时的两种切换路径示意图

4 结束语

本文提出的电力系统中MEMS光开关切换路径优化控制的方法，可以在系统对MEMS光开关进行完整扫描后得到其精确的光信号通道功率等高图，通过该功率等高图，系统可以很容易对MEMS光开关的切换路径进行优化控制，可以在平衡控制通道切换时间的前提下使入射光沿相对通道隔离度最高的最佳路径进行切换控制，同时也可以在保证切换时间的前提下，将MEMS光开关在切换时对其他通道的影响降到最低，并且即使在通道环境非常复杂的情况下也不受影响。