電力通信傳輸故障排查實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

趙衍恒，李榮凱，王文明，安豐彩，張 凱

（國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司 ，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

電力通信技術(shù)作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，是其運行的關(guān)鍵技術(shù)［1］，通信系統(tǒng)的性能對整個電網(wǎng)的運營產(chǎn)生直接的影響［2-4］。 在“十三五”規(guī)劃綱要中明確指出要加強智能電網(wǎng)建設(shè)， 提高電網(wǎng)與發(fā)電側(cè)、需求側(cè)交互響應(yīng)能力［5-7］。 電力通信為整個電力系統(tǒng)提供安全、可靠的通信系統(tǒng)和通信方式，確保整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定、有效的運行［8-9］，在電力生產(chǎn)階段，電力通信可管理電力生產(chǎn)， 確保整個系統(tǒng)的集中管理和統(tǒng)一調(diào)度；在電力輸送階段，電力通信可降低電能輸送線損率，提高通信質(zhì)量，降低發(fā)電成本［10］。 對于電力通信專業(yè)學(xué)生和電力系統(tǒng)通信運維崗位員工教學(xué)培訓(xùn)而言， 熟悉電力通信系統(tǒng)工作流程原理與故障排查方法， 深入研究電力通信故障產(chǎn)生的原因及維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)健運行非常重要［11-12］。 我國電力通信行業(yè)的培訓(xùn)針對通信運維人員的實操環(huán)境和實訓(xùn)設(shè)施相對較少， 現(xiàn)場作業(yè)人員對智能電網(wǎng)中通信系統(tǒng)的整體概念模糊，不了解通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的來源、傳輸方式、 傳輸過程及故障產(chǎn)生和排查方法的現(xiàn)狀明顯［13-14］，因此，亟需提升電力通信運維人員綜合素質(zhì)和實操技能水平， 特別是電力通信系統(tǒng)故障排查能力。

目前電力通信傳輸專業(yè)的實訓(xùn)環(huán)境主要使用現(xiàn)場實際在用設(shè)備搭建，雖然能很好地還原現(xiàn)場、模擬真實環(huán)境，但是實際設(shè)備搭建環(huán)境費用昂貴，培訓(xùn)成本過高，同時對于復(fù)雜故障模擬困難，難以同時開展大范圍的培訓(xùn)以滿足通信運維人員的需求［15］。 為滿足科研、職工培訓(xùn)需求，解決無高層次技能人員實訓(xùn)環(huán)境、無故障排查作業(yè)實訓(xùn)項目的弊端，本文基于電力通信數(shù)據(jù)傳輸原理［16-17］、故障告警產(chǎn)生原理［18-19］及電力通信系統(tǒng)現(xiàn)場故障排查工作流程， 設(shè)計實現(xiàn)了電力通信傳輸故障排查作業(yè)實訓(xùn)系統(tǒng)。 通過收集整理電力行業(yè)通信傳輸系統(tǒng)中各種故障案例信息，將案例信息進(jìn)行分級，形成故障信息庫，根據(jù)實際的工作場所建立一個實訓(xùn)作業(yè)環(huán)境場景， 對故障庫中信息進(jìn)行現(xiàn)場還原， 通過模擬現(xiàn)場案例和典型故障處理培訓(xùn)，切實提高通信運維人員技能水平，滿足未來智能電網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)［20］對通信運維人員的技能需求。

1 實訓(xùn)系統(tǒng)的整體設(shè)計

電力通信傳輸故障排查作業(yè)實訓(xùn)系統(tǒng)由“三庫”“兩中心”和“一平臺”組成，分別是：模型庫、算法庫、故障信息庫、數(shù)據(jù)中心、計算中心和故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電力通信傳輸故障排查作業(yè)實訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 “三庫”模塊設(shè)計

“三庫”模塊，包括建立模型庫、算法庫和故障信息庫， 為故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺及計算中心模塊提供所需的模型、算法、接口和故障信息。

1）模型庫，包括機房、電力通信電源、電力通信設(shè)備（SDH 設(shè)備、PCM 設(shè)備）及常用板卡、儀器儀表（OTDR、2M 誤碼儀）、 數(shù)字配線架、 光纖配線架、光纖、光纜、雙絞線、電源線、2M 線、光模塊、法蘭、光衰等的數(shù)字仿真模型及VR 仿真模型定義。 除此之外，可實現(xiàn)用戶根據(jù)自己需要自動添加模型功能。

2）算法庫，為電力通信傳輸系統(tǒng)故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺及計算中心提供算法及接口， 包括模型對象的移動、縮放、旋轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸過程中的信號復(fù)用、解復(fù)用，故障排查過程的正確性驗證算法等，并被故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺和計算中心調(diào)用。

3）故障信息庫，收集整理了我國電力行業(yè)通信傳輸系統(tǒng)中的各種故障信息，形成故障信息庫，并通過電力通信傳輸至故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺， 包括光纜線路故障、SDH 設(shè)備故障、SDH 網(wǎng)管業(yè)務(wù)配置故障、通信系統(tǒng)輔助設(shè)備故障的產(chǎn)生時間、地點、原因、關(guān)聯(lián)設(shè)備和解決流程等信息。其中，SDH 設(shè)備故障主要為電源故障和SDH 設(shè)備板卡故障， 而SDH 設(shè)備板卡故障包括2M 業(yè)務(wù)接口板、2M 業(yè)務(wù)處理板、以太網(wǎng)接口板、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)處理板、時鐘交叉板、主控板故障等。 該故障信息庫被電力通信傳輸系統(tǒng)故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺及計算中心調(diào)用。

1.2 數(shù)據(jù)中心及計算中心模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)中心模塊， 接收并存儲客戶端上傳的模型配置參數(shù)、搭建模擬環(huán)境的配置參數(shù)、故障配置信息及故障排除過程參數(shù)信息。

計算中心模塊，被配置為調(diào)用算法庫中組幀、數(shù)據(jù)解析、故障生成、故障排除等算法，以及數(shù)據(jù)中心模塊中的數(shù)據(jù)傳輸模式、配置參數(shù)等，進(jìn)行通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組幀及解析計算、 通信故障事件的生成及排除計算，然后通過模擬通信設(shè)備底層數(shù)據(jù)傳輸模式，將模擬計算結(jié)果傳輸至故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺。

計算中心模塊通過模擬實際SDH 設(shè)備的通信數(shù)據(jù)傳輸方式， 依據(jù)國際統(tǒng)一ITU-T G.707 標(biāo)準(zhǔn)的幀結(jié)構(gòu)組幀方式對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)組幀， 從而實現(xiàn)對通信設(shè)備故障的底層解析，方便培訓(xùn)人員從底層的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)幀對通信設(shè)備故障原理進(jìn)行理解，從而達(dá)到更直接對通信故障進(jìn)行分析排查的作用。

1.3 故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺設(shè)計

故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺從數(shù)據(jù)中心模塊獲取配置信息，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中模型，搭建通信設(shè)備模擬實訓(xùn)操作環(huán)境， 調(diào)用算法庫中算法對模擬實訓(xùn)操作環(huán)境進(jìn)行編輯和調(diào)整， 將生成的環(huán)境信息和參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)中心模塊；配置模擬實訓(xùn)操作環(huán)境中故障信息，生成VR 操作環(huán)境，進(jìn)行故障排查作業(yè)。

故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺建立模擬實訓(xùn)操作環(huán)境，根據(jù)用戶需求可實現(xiàn)動態(tài)配置，模型庫中已經(jīng)建好實訓(xùn)環(huán)境所需各個實物的模型， 如機房、空調(diào)、燈、各種工具、多種類型通信設(shè)備機柜、主流廠家通信設(shè)備機架、主流廠家設(shè)備板卡、光纖、數(shù)字配線架、光纖配線架、法蘭等等，在故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺的人機交互界面中， 為用戶提供模塊選擇接口， 用戶可根據(jù)自己的需要搭建自己定制化的實訓(xùn)環(huán)境。

2 故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺功能設(shè)計

故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺功能設(shè)計， 包括配置操作模塊、VR 操作模塊、安全模塊、通信模塊和考核模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

1）配置操作模塊，為調(diào)用數(shù)據(jù)庫中模型，搭建通信設(shè)備模擬實訓(xùn)操作環(huán)境， 配置模擬實訓(xùn)操作環(huán)境中出現(xiàn)的故障信息， 進(jìn)行業(yè)務(wù)配置故障排查和告警查詢操作，包括設(shè)置模塊和展示模塊。 其中，設(shè)置模塊，被配置為調(diào)用模型庫中模型信息，搭建通信設(shè)備操作環(huán)境；調(diào)用故障庫中故障信息，配置實訓(xùn)操作環(huán)境中出現(xiàn)的故障信息，進(jìn)行業(yè)務(wù)配置故障排查。展示模塊，被配置為搭建通信設(shè)備拓?fù)洵h(huán)網(wǎng)，對通信設(shè)備模擬實訓(xùn)操作環(huán)境的光纖連接、2M 業(yè)務(wù)、 以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、時鐘和保護(hù)進(jìn)行業(yè)務(wù)配置，并對已配置好的業(yè)務(wù)添加故障信息，查詢故障告警信息，通過告警信息定位故障點。

2）VR 操作模塊，被配置為讀取配置操作模塊配置的實訓(xùn)作業(yè)環(huán)境和故障信息，生成VR 操作環(huán)境，對機房巡視、板卡類、光纖類故障進(jìn)行排查作業(yè)。

3）安全模塊，被配置為系統(tǒng)運行、通信傳輸及系統(tǒng)拷貝提供安全防護(hù)。

4）通信模塊，被配置為實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫建立模塊、數(shù)據(jù)中心模塊、 計算中心模塊與故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺之間通信連接， 將故障排查作業(yè)結(jié)果發(fā)送至客戶端。

5）考核模塊，被配置為通過預(yù)置故障類型和排除故障考核指標(biāo)，對培訓(xùn)學(xué)員排除故障結(jié)果進(jìn)行考核。

圖2 故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺的結(jié)構(gòu)框圖

3 電力通信傳輸故障排查作業(yè)實訓(xùn)方法

3.1 故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺作業(yè)環(huán)境搭建

故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺建立一個實訓(xùn)作業(yè)環(huán)境場景，對故障庫中信息進(jìn)行現(xiàn)場還原，模擬現(xiàn)場案例和典型故障處理，切實提高通信運維人員技能水平，滿足未來智能電網(wǎng)對通信運維人員的技能需求如圖3 所示。 故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺對模擬實訓(xùn)操作環(huán)境進(jìn)行編輯和調(diào)整的過程為：

圖3 電力通信傳輸故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺框圖

1）建立模型庫、算法庫和故障庫。

2）通過數(shù)據(jù)中心模塊存儲所配置的模型參數(shù)、搭建模擬環(huán)境的參數(shù)、 故障信息及故障排除過程參數(shù)信息。

3）故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺調(diào)用數(shù)據(jù)庫中模型，根據(jù)配置參數(shù)，搭建通信設(shè)備模擬實訓(xùn)操作環(huán)境，調(diào)用算法庫中算法對模擬實訓(xùn)操作環(huán)境進(jìn)行編輯和調(diào)整，將生成的環(huán)境信息和參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)中心模塊；配置模擬實訓(xùn)操作環(huán)境中故障信息， 生成VR 操作環(huán)境，進(jìn)行故障排查作業(yè)。

對模擬實訓(xùn)操作環(huán)境進(jìn)行編輯和調(diào)整的步驟包括：

1）搭建機房環(huán)境。根據(jù)所模擬現(xiàn)場的實際環(huán)境，布置機柜、空調(diào)、工具箱等機房內(nèi)環(huán)境和設(shè)備。

2）組建設(shè)備。 首先根據(jù)機架型號，組建設(shè)備網(wǎng)元，然后在設(shè)備網(wǎng)元的相應(yīng)槽位上添加相應(yīng)板卡。添加過程中調(diào)用算法庫中的槽位驗證算法， 檢查板卡添加是否合理。

3）將設(shè)備添加到機柜中的確定位置。

4）設(shè)備光纖連接。根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)元的連接情況，進(jìn)行設(shè)備之間的連纖， 將兩個設(shè)備上線路板的光模塊接口通過光纖連接。

5）調(diào)用算法庫中的整機檢查算法，檢查實訓(xùn)環(huán)境搭建的合理性， 如果存在不合理的地方， 及時調(diào)整。

3.2 電力通信傳輸故障排查實訓(xùn)實現(xiàn)方法

計算中心模塊調(diào)用算法庫中組幀、數(shù)據(jù)解析、故障生成和故障排除算法， 以及數(shù)據(jù)中心模塊中的數(shù)據(jù)傳輸模式和配置參數(shù)信息， 模擬通信設(shè)備底層數(shù)據(jù)傳輸模式，對通信設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)組幀，生成通信設(shè)備故障事件，對通信設(shè)備故障進(jìn)行解析，排查通信故障。

4 結(jié)束語

電力通信傳輸故障排查作業(yè)實訓(xùn)系統(tǒng)建立模型庫、算法庫和故障庫，通過數(shù)據(jù)中心存儲配置參數(shù)，通過故障排查作業(yè)實訓(xùn)平臺搭建一個仿真實訓(xùn)作業(yè)環(huán)境場景，通過模擬實際SDH 設(shè)備的通信數(shù)據(jù)傳輸方式，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)組幀，實現(xiàn)對通信設(shè)備故障的底層解析，將故障信息進(jìn)行現(xiàn)場還原，模擬現(xiàn)場案例和典型故障處理， 方便培訓(xùn)人員從底層的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)幀對通信設(shè)備故障原理進(jìn)行理解。 電力通信傳輸故障排查作業(yè)實訓(xùn)系統(tǒng)一方面節(jié)約了培訓(xùn)成本，減少對硬件真實設(shè)備的建設(shè)投入，另一方面切實提高通信運維作業(yè)人員實際操作水平， 擴(kuò)大電力通信運維人員培訓(xùn)量， 打破硬件設(shè)備對故障排查作業(yè)培訓(xùn)的限制，更直接對通信故障進(jìn)行分析排查，便于處理復(fù)雜故障作業(yè)前的模擬演練。