電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

祁利剛，李志偉

(國網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070)

1 概述

國內(nèi)電力系統(tǒng)的光纖通信經(jīng)過近二十年的發(fā)展，已成為電力系統(tǒng)內(nèi)通信的最重要手段。隨著光線路覆蓋率的逐年提高，人工維護(hù)模式面臨較多問題:無法建立對光纜通道的不間斷監(jiān)測，未形成持續(xù)的光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)管理庫，無法有效監(jiān)控光纜、連接器件、材料的劣化、老化過程;人工維護(hù)周期長、耗時多、排障時間長，缺乏對光纜各項維護(hù)數(shù)據(jù)的有效分析。在光纜數(shù)量、密度和復(fù)雜程度提高，承載業(yè)務(wù)越來越豐富，對實時性和可靠性要求越來越高的情況下，這些維護(hù)問題日益突出。

以持續(xù)光功率監(jiān)測技術(shù)、光時域反射儀(OTDR)遠(yuǎn)程自動測試、嵌入式操作系統(tǒng)軟件技術(shù)為主體的電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)集光纜監(jiān)測、告警、故障分析于一體，及時發(fā)現(xiàn)光纜線路劣化、老化及中斷等故障數(shù)據(jù)，減少障礙歷時，變被動維護(hù)為主動維護(hù)，從而實現(xiàn)光纖物理網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控和維護(hù)管理，為電力系統(tǒng)通信光纜網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運行提供保障［1］。

2 系統(tǒng)的組成

電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可分為兩層，即集中監(jiān)測與管理層(主站)、遠(yuǎn)程監(jiān)測單元層(子站)。

集中監(jiān)測與管理層(主站)由服務(wù)器、操作員站、工程師站、通信管理機(jī)、GPS 時鐘、短信服務(wù)器、打印機(jī)等構(gòu)成，主要實現(xiàn)對光纜網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、記錄其狀況和分析對比，光纜狀態(tài)評估，告警等信息發(fā)布，實現(xiàn)對光纜網(wǎng)絡(luò)資源的管理功能。

遠(yuǎn)程監(jiān)測單元層(子站)主要由遠(yuǎn)程電力光纜故障定位與管理單元組成，主要完成對光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，通過網(wǎng)絡(luò)上傳信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)光纜異常時，自動判斷和分析故障信息，通過OTDR 進(jìn)行故障定位并及時匯報;增配光保護(hù)單元模塊，可對在用光通道提供保護(hù)功能;配備監(jiān)視等設(shè)備，可實現(xiàn)就地監(jiān)視和管理功能;主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)測單元RTU、集成監(jiān)測單元CTU、測試單元TU 等。

電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程電力光纜故障定位與管理單元RTU、CTU、TU 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置要求，由光功率監(jiān)測模塊(OPM)、光開關(guān)模塊(OSW)、光時域反射儀模塊(OTDR)、主控模塊(MCU)、電源模塊(PWU)、光保護(hù)模塊(OASM)等插件配置而成的不同硬件組合。主站層與遠(yuǎn)程子站層通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換。

3 系統(tǒng)的工作原理及故障定位方式選擇

3.1 工作原理

監(jiān)測子站的光功率監(jiān)測模塊的采集單元對被測光纖的光功率進(jìn)行監(jiān)測采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳報到光功率控制單元，光功率控制單元對監(jiān)測的光功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將超過告警門限的光功率數(shù)據(jù)及時傳報給監(jiān)測中心，監(jiān)測中心對各個光功率控制單元傳報的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計，對發(fā)生超門限值的光功率變化進(jìn)行告警、統(tǒng)計、判斷出發(fā)生故障的光纜段，自動快速地啟動監(jiān)測站的光時域反射測試儀和光開關(guān)對故障光纜段進(jìn)行測試，測試后所得的曲線數(shù)據(jù)上傳監(jiān)測中心，監(jiān)測中心將監(jiān)測曲線與參考曲線進(jìn)行分析比較，確定故障點的位置、類型和告警級別，可采用多種方式告警。

3.2 故障定位方式選擇

電力光纖傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多以環(huán)形或鏈形的方式實現(xiàn)，針對電力系統(tǒng)光纖傳輸網(wǎng)的主要特點，目前常用的電力光纜故障定位方式有3 種:備纖監(jiān)測、在線監(jiān)測和跨段監(jiān)測。

3.2.1 備纖監(jiān)測方式

備纖與其他工作光纖都在同1 根光纜中，因此備纖的性能基本上可以反映整根光纜包括工作光纖的性能。由于對在線光纖的監(jiān)測需要在變電站添加波分復(fù)用器，增加了投資，所以通過對備纖的監(jiān)測，來實現(xiàn)對整根光纜(包括工作光纖和備用光纖)的監(jiān)測，就是一種非常好的方案，當(dāng)投資有限時就可以采用這種方式［2］。備纖監(jiān)測的原理示意如圖2所示。

圖2 備纖監(jiān)測原理示意

3.2.2 在線監(jiān)測方式

在線監(jiān)測方式利用的是波分復(fù)用的原理，將測試波同工作波復(fù)合到一起，利用光纖傳輸復(fù)合波來進(jìn)行測試。在線監(jiān)測因為需要復(fù)用與解復(fù)用，因此，在變電站里需要添加相應(yīng)的合波與分波設(shè)備。

3.2.3 跨段監(jiān)測方式

當(dāng)系統(tǒng)中所要測試的光纖線路比較短，OTDR的動態(tài)范圍可以達(dá)到測試多個變電站多連接的光纖時，為了對光纖段進(jìn)行連續(xù)測試，需要使用跨段測試的方法。這種跨段測試的方法是對在線光纖進(jìn)行測試的最基本的測試方法，其他的測試方法都是建立在這種測試原理基礎(chǔ)之上的?？缍螠y試的方法主要是利用了波分復(fù)用的原理，通過對光波的合波、分波等一系列過程完成相應(yīng)的測試功能［3］。綜合考慮以上3 種監(jiān)測方式的優(yōu)缺點和實施成本，最終選取備纖監(jiān)測的方式進(jìn)行電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)的設(shè)計。

4 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及功能

4.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

a.持續(xù)光功率監(jiān)測:在由光源、光功率監(jiān)測模塊構(gòu)成的監(jiān)測通道上，通過建立一個小型的單片機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)循環(huán)測試、精確AD 轉(zhuǎn)換、量程控制、對多點的監(jiān)測路數(shù)控制，檢查結(jié)果通過規(guī)約向嵌入式系統(tǒng)上報;

b.嵌入式操作系統(tǒng)采用Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持實時系統(tǒng)的一系列特征包括多任務(wù)、中斷支持、任務(wù)搶占式調(diào)度和循環(huán)調(diào)度。采用微內(nèi)核設(shè)計使Linux 縮減系統(tǒng)開銷并可加速對外部事件的反應(yīng)。

c.利用Windows 操作平臺、Oracle 數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上開發(fā)系統(tǒng)管理軟件，建立各類功能管理模塊;采用特定算法建立曲線分析、事件分析模型。

4.2 系統(tǒng)的功能

a.系統(tǒng)提供多種測試功能和多樣測試功能組合，可根據(jù)不同需要設(shè)置測試周期和測試參數(shù);

b.系統(tǒng)提供芯線每日測試記錄、多種日志查詢等多項完整的歷史數(shù)據(jù)，可查詢并以報表形式打印和保存;

c.當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)故障點距離后，能夠根據(jù)光纜路由上的節(jié)點(如人孔)距離及光纜繞線余長，利用特定的算法，準(zhǔn)確定位出故障點，為故障搶修提供最直接最準(zhǔn)確的信息;

d.系統(tǒng)提供WEB 查詢功能，可通過瀏覽器的方式查詢監(jiān)測系統(tǒng)的最新數(shù)據(jù);

e.系統(tǒng)可提供對光纜、光交接箱、光分線盒、光接頭盒等設(shè)備信息的編輯查詢等功能，并能自動生成光設(shè)備的展開圖、光纜網(wǎng)絡(luò)圖、路由圖及熔接圖;

f.系統(tǒng)提供完整的即時故障告警方式，并可彈性配置，系統(tǒng)可在極短時間內(nèi)即時反映故障信息并第一時間采用短信、Email 和現(xiàn)場聲光等多種告警方式及時通知相關(guān)人員通知相關(guān)維護(hù)人員;

g.系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，擴(kuò)容時也不會影響原有系統(tǒng)的監(jiān)測功能。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用及效果

5.1 應(yīng)用情況

目前河北檢修公司負(fù)責(zé)維護(hù)的500 kV 線路OPGW 光纜28 條，線路長度2 360 km，日常光纜運行維護(hù)主要通過定期對光纜的外觀進(jìn)行運行巡視、專業(yè)巡檢，每年對各條線路光纜備用纖芯定期進(jìn)行一次光纖衰耗參數(shù)性能測試。如果光纜故障發(fā)生在2 次巡檢測試中間，維護(hù)人員就不能立即獲得光纜故障情況，只有在設(shè)備光路中斷的情況下造成業(yè)務(wù)中斷，才能去現(xiàn)場判斷故障點。

電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)的在線監(jiān)測裝置對OPGW 光纜的備用纖芯進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦光纜發(fā)生衰耗增大、斷芯等故障時，儀器都會產(chǎn)生告警，通信人員收到告警后能夠及時對發(fā)生問題的纖芯進(jìn)行故障點定位，并及時安排人員對光纜斷點進(jìn)行修復(fù)，避免光纜的破損情況進(jìn)一步擴(kuò)大，縮短由于光纜故障所引起通信中斷的時間，從而提高光纜的運行率，保證通信網(wǎng)安全可靠運行。

電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)由監(jiān)控中心、遠(yuǎn)端光纖測試單元RTU 和輔助測試光源、光功率計等組成。綜合考慮工程和技術(shù)方面的需要，選擇一段36 芯OPGW 光纜作為監(jiān)測對象，根據(jù)所選線路各站點的分布情況，監(jiān)控中心設(shè)在檢修公司通信監(jiān)控中心，監(jiān)控中心與遠(yuǎn)端RTU 間通過電力專用以太網(wǎng)連接;根據(jù)光纜線路各網(wǎng)段的光纜光芯的實際使用狀況，試驗網(wǎng)的監(jiān)測方式采用備纖監(jiān)測方案，以有效減低試驗成本，OTDR 的測量波長選用1 550 nm。試驗點選擇光纜線路上相鄰的3 個站點A 站、B 站和C 站(A 站為保北站、B 站為清苑站、C 站為石北站)，B 站距A 站55 km、距C 站95 km，兩站均處于OTDR 的有效精度測量范圍內(nèi)，是典型的鏈路監(jiān)測，試驗成本較低。

在B 站－A 站、B 站－C 站間利用光纜線路的備用纖芯，建立一條光功率監(jiān)測鏈路，實時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，持續(xù)監(jiān)測線路光功率變化。采用波長為1 550 nm 的OTDR 建立B 站－A 站、B 站－C 站的測量監(jiān)測鏈路，通過嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)OTDR 測試管理、周期測試、點名測試的等內(nèi)容。由監(jiān)控中心建立OTDR 采集數(shù)據(jù)曲線分析程序、事件分析模型，建立故障的甄別和故障定位方法;同時監(jiān)測中心還要建立系統(tǒng)管理、局站管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼?shù)據(jù)接口等專項模塊，實現(xiàn)智能化管理要求。

在B 站配置有OTDR 模塊的光纜自動監(jiān)測設(shè)備(RTU)，對光纜中的被監(jiān)測光芯進(jìn)行實時監(jiān)測，并記錄其監(jiān)測狀況并分析對比。當(dāng)由于線路性能變化而引起RTU 內(nèi)光功率監(jiān)測電路發(fā)生門限告警時，將自動觸發(fā)OTDR 進(jìn)行線路測試，并及時匯報給控制中心，以判斷和分析故障信息，作出準(zhǔn)確的故障定位;控制中心將測試結(jié)果以短信等方式在第一時間內(nèi)提供給維護(hù)部門，從而大大縮短故障恢復(fù)時間。電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)原理圖如圖3所示。B 站安裝的電力光纜故障定位與管理裝置如圖4所示。

圖3 電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)原理

圖4 B 站電力光纜故障定位與管理裝置

通過對被監(jiān)測光芯進(jìn)行實時監(jiān)測和周期測試在監(jiān)控中心的監(jiān)控主機(jī)上得到測量數(shù)據(jù)，光芯的測試曲線如圖5所示，光芯的測試數(shù)據(jù)如圖6所示，測量數(shù)據(jù)與工程原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比照，可以對線路自建設(shè)投運后的光纜情況作出分析，得出光纜劣化和老化的數(shù)據(jù)，為后續(xù)維護(hù)預(yù)判創(chuàng)造了條件。目前，電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于500 kV 北清線、清保線OPGW 光纜。

圖5 光芯的測試曲線

圖6 光芯的測試數(shù)據(jù)

5.2 應(yīng)用效果

通過河北省南部電網(wǎng)500 kV 變電站的試點建設(shè)，電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)的應(yīng)用取得了如下效果:

a.光纜維護(hù)單位能夠?qū)崿F(xiàn)對光纜線路狀態(tài)的實時監(jiān)控，隨時掌握網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境的狀況;

b.通過試點網(wǎng)的建設(shè)，及時掌握目前光纜線路的真實數(shù)據(jù)，對線路投運后的光纜線路質(zhì)量進(jìn)行評估，及時跟蹤光纜線路的劣化和老化數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，并可做到防患于未然;

c.及時反饋傳輸光纜故障及故障點，能盡量縮短維修故障的時間，以降低故障產(chǎn)生的負(fù)面影響，并可為維護(hù)單位提供有效的工作指導(dǎo)，通過對基層監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、整理、分析，為500 kV 線路的電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)建設(shè)積累經(jīng)驗，為全線路的推廣創(chuàng)造了條件。

6 結(jié)束語

電力光纜故障定位與管理系統(tǒng)是在河北省南部電網(wǎng)中首次應(yīng)用，通過本系統(tǒng)對電力光纜進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦光纜性能指標(biāo)(衰減、色散)下降或者光纜單芯中斷，系統(tǒng)都會產(chǎn)生告警信息，對于狀態(tài)檢修工作和故障預(yù)先判斷提供了有利的技術(shù)支持。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，目前電力系統(tǒng)的各類業(yè)務(wù)都是通過OPGW 光纜承載的，對于承載較重要業(yè)務(wù)的光纜安裝本系統(tǒng)可以實時掌握運行光纜的狀態(tài)，避免一些可控故障的發(fā)生。

［1］吳聰華.光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2004(6):24-26.

［2］趙子巖，劉建明，張凱穗.電力系統(tǒng)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)通信，2003，24(2):1-4，12.

［3］張娟娟.淺談光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)在供電企業(yè)的應(yīng)用［J］.貴州電力技術(shù)，2010，13(9):52-54.