光纖芯交換機(jī)器人在變電站中的應(yīng)用

趙晨宇，陳 寧，袁 成，潘征宇，尚 瑨

(國網(wǎng)上海市電力公司超高壓分公司, 上海 200063)

傳統(tǒng)的通信管理系統(tǒng)無法實現(xiàn)對子站之間光通信故障類型的判斷，如果通信發(fā)生故障，需要改變已有數(shù)據(jù)鏈路的鏈接形式，通常需要檢修人員到現(xiàn)場跳纖才能完成[1]，增加了運維人員的工作量，效率低下且容易出錯。在變電站中，對光纖的管理也存在很大局限性，如何在現(xiàn)有靜態(tài)管理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)動態(tài)管理是亟需解決的問題，如故障前后的衰耗值、因季節(jié)或者氣候而改變的衰耗值等。因此，傳統(tǒng)變電站的智能光網(wǎng)絡(luò)仍然存在局限性[2]，無法實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的自動切換和動態(tài)管理。

針對這些問題，本文提出一種新型的光纖芯交換機(jī)器人，可應(yīng)用于各個變電站，實現(xiàn)光纖芯的自動交換及對光纖的智能管理，在發(fā)生故障時，可實現(xiàn)自動跳纖，大大節(jié)省光纖網(wǎng)絡(luò)運維的人力和物力[3]，提高變電站通信管理的智能化水平。

1 光纖芯交換機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖芯交換機(jī)器人應(yīng)用于整個光交換系統(tǒng)中，而整個光交換系統(tǒng)包含主站和子站兩部分。主站主要作為控制系統(tǒng)對光纖下達(dá)命令、確認(rèn)告警信息，同時對光纜進(jìn)行維護(hù)、資源管理等工作。子站則根據(jù)中心站下達(dá)的命令進(jìn)行光纖芯的交換、接入、維護(hù)等工作[4]。整個系統(tǒng)通過硬件與軟件的相輔相成，可實時收集和采集各種數(shù)據(jù)，即當(dāng)光纖發(fā)生故障時，主站通過下發(fā)命令使光纖芯交換機(jī)器人可靠動作完成備用芯與正常芯的交換，并可實現(xiàn)對纖芯光功率變化值的監(jiān)測和上報[5]。

子站的組成框圖如圖1所示。子站的核心部分是中央處理器和光纖芯交換模塊。對光纖芯交換的控制及數(shù)據(jù)的查看則是在通信接口模塊上完成，除此之外，通信接口模塊作為媒介，還可實現(xiàn)與主站端的數(shù)據(jù)實時下傳和上傳功能。數(shù)據(jù)交換完成后，由測試模塊完成對光纖芯的測試并將最終測試結(jié)果上傳到主站中并實時保存。

主站的組成框圖如圖2所示。主站的核心組成部分包含主站端服務(wù)器、操作平臺和主站端通信接口模塊，主站的通信接口模塊通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和n個子站端的通信模塊連接，如此實現(xiàn)與子站的數(shù)據(jù)交換功能，完成光纖芯的切換，另外，子站的通信數(shù)據(jù)也可及時地完成存儲。

圖1 子站組成框圖

圖2 主站組成框圖

各個子站的光纖芯交換機(jī)器人根據(jù)主站的命令進(jìn)行換芯操作。該光纖芯交換機(jī)器人的內(nèi)部核心組成部分包含可移動的機(jī)械手臂，通過在XYZ軸方向驅(qū)動絲桿移動，由三維伺服系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)推動實現(xiàn)精確定位，對光纖芯進(jìn)行拔插，從而實現(xiàn)光纖的自動交換。光纖芯交換機(jī)器人內(nèi)部的機(jī)械圖如圖3所示。

圖3 光纖芯交換機(jī)器人內(nèi)部的機(jī)械圖

2 光纖芯交換原理

光纖芯交換機(jī)器人內(nèi)部設(shè)備的原理圖如圖4所示。交換板的交換孔共有8行4列并進(jìn)行矩陣[6]排列，交換孔的兩側(cè)分別與繩路光纖連接器和線路光纖連接器相連接。

圖4 光纖芯交換內(nèi)部設(shè)備的原理圖

以下通過實例解釋關(guān)于光纖交換的具體原理。以A02和A05兩個交換孔為例，A02和A05在交換之前是作為獨立的交換孔存在的，現(xiàn)外部光纖線路需通過這兩個交換孔實現(xiàn)外部交換。如圖4所示，A02和A05分別位于第2行和第5行，其交換需要以目標(biāo)交換孔為媒介，假設(shè)目標(biāo)交換孔為圖中所標(biāo)注的11h和11g，其分別位于第2行第4列和第5行第4列，此時則分別通過第一、第二驅(qū)動電機(jī)52、53和第一、第二絲桿54、55的驅(qū)動，使第一裝置51與原先和A02相連的線路光纖連接器32移動到交換孔11g處，將原先與A05相連的線路光纖連接器35移動到交換孔11h處，之后再由第一裝置51分別將光纖連接器32、35插入到交換孔11g和11h處。之后，分別通過第三、第四驅(qū)動電機(jī)62、63和第三、第四絲桿64、65的驅(qū)動，使第二裝置61操作繩路光纖2d，將2d的一端4g插入到交換孔11g中，將2d的另一端4h插入到交換孔11h中，如此線路光纖連接器32便與繩路光纖連接器的4g相接，線路光纖連接器35便與繩路光纖連接器的4h相接，而4h和4g又通過繩路光纖2d相連。此時11g、11h、4h、4g的狀態(tài)都由原先的閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎加脿顟B(tài)。最終A02和A05通過上述方式實現(xiàn)了光學(xué)連通，從而實現(xiàn)了光纖交換。

通過此原理，可實現(xiàn)本子站間的光纖交換，同時也可實現(xiàn)本站與另一個子站的光纖交換，即如果需要光纖交換，只需要后臺機(jī)發(fā)送命令，全交換設(shè)備將需要實現(xiàn)光交換的交換孔，通過目標(biāo)交換孔和繩路光纖的間接連接，實現(xiàn)兩根外部線路的全光纖交換。通過這樣的方式，不需要檢修人員去現(xiàn)場完成光纖操作，從而大大節(jié)省了運維人員的人力[6]。

3 光纖芯交換方式

對于通道發(fā)生故障的情況，不必立即派維修人員檢修，此時變電站中心站可通過短暫封閉環(huán)網(wǎng)，使故障的節(jié)點通過本站或子站的其他光纖連接[7]，從而使變電站的光纖通信正常運行。

環(huán)網(wǎng)封閉有如下兩種方式：當(dāng)故障發(fā)生在兩個子站之間時，若存在冗余光纖，則由中心站下發(fā)命令，進(jìn)行兩個子站之間的同纜倒換；如果在兩個子站間沒有冗余光纖，則需要另外的變電站通過間接連接完成異纜倒換。通過這兩種方式可實現(xiàn)故障的快速恢復(fù)。

變電站間正常情況下的通信方式如圖5所示。假設(shè)變電站A、變電站B、變電站C和變電站D之間存在光纖通信，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方向見圖6。如果變電站A和變電站B之間的光纖通信無法正常接收，即發(fā)生了通道故障，則中心站可以向變電站C下發(fā)指令，使變電站A和變電站B的數(shù)據(jù)通過變電站C進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)變電站光纖通信的間接連接，此時故障情況下的通信方式如圖7所示，變電站發(fā)生故障后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方向如圖8所示。

圖5 變電站間正常情況下的通信方式

圖6 變電站正常情況下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方向

圖7 變電站故障情況下的通信方式

圖8 變電站故障情況下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方向

需要說明的是，在采取補救措施時，網(wǎng)絡(luò)中會出現(xiàn)同纜環(huán)。嚴(yán)格來講，在網(wǎng)絡(luò)長久規(guī)劃中，同纜環(huán)是不允許存在的，這是因為同纜環(huán)的抗風(fēng)險能力較低。由于急救措施僅是暫時采取的一種故障修復(fù)措施，后期還將有維修人員去現(xiàn)場進(jìn)行檢修，因此同纜環(huán)的存在對網(wǎng)絡(luò)性能的影響并不大。

在變電站中，因通信故障導(dǎo)致子站丟失的后果是非常嚴(yán)重的，導(dǎo)致的損失至少包括用電用戶因電力故障導(dǎo)致的生產(chǎn)損失，以及因用戶在電力故障過程中未實際使用電能而造成的電網(wǎng)公司的運營損失[8]。實際運行中，用電用戶因為電力故障造成的生產(chǎn)損失可能也會由電網(wǎng)公司來承擔(dān)，因此本文中提供的技術(shù)可以顯著地減少電網(wǎng)公司因電力故障造成的損失，提高變電站的抗風(fēng)險能力。

4 應(yīng)用實例

將光纖芯交換機(jī)器人應(yīng)用到實際變電站中[8]，其換芯過程可分為同纜倒換和異纜倒換。實際應(yīng)用在A、B、C這3個變電站，如果A與B站的光纜由第1芯換到第2芯，則為同纜交換，如圖9所示。異纜倒換則是原來A與B站的光纜相接，現(xiàn)由A到C站再到B站，即光纜經(jīng)過迂回連接到B站。異纜倒換如圖10所示。

圖9 同纜倒換

圖10 異纜倒換

光纖芯交換機(jī)器人可實現(xiàn)站點統(tǒng)計分析。通過站點統(tǒng)計分析模塊可以直觀地展示接入網(wǎng)管平臺的通信站點情況和運行狀態(tài)，包括站點總數(shù)、正常站點數(shù)、通信異常站點數(shù)、繩路故障數(shù)、線路故障數(shù)等；通過光纜統(tǒng)計分析模塊可以對接入平臺的所有光纜和纖芯進(jìn)行統(tǒng)計和分析，包括所有光纜、每條光纜包含的纖芯、纖芯衰耗值、光纜類型等。光纖芯交換機(jī)器人具備自動巡檢功能，可以按照設(shè)定的周期自動測試空閑纖芯的衰耗數(shù)據(jù)，并生成衰耗曲線，根據(jù)衰耗曲線走勢輔助判斷光纖故障和壽命情況。光纖芯交換機(jī)器人終端設(shè)備內(nèi)置光源和光功率計，可以通過系統(tǒng)設(shè)置巡檢時間、巡檢周期和波長，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)置時間點時，系統(tǒng)會自動下發(fā)指令對配置光纜的每一芯進(jìn)行測試，并可以生成測試巡檢報告。

光纖芯交換機(jī)器人的應(yīng)用能夠極大地節(jié)約用于光纜測試和連接的人力物力成本。以一個擁有150個光節(jié)點的中型地區(qū)局為例(保守計算)，其光纜約300條，纖芯約4 000芯，以現(xiàn)有的運維模式需要配置4個專業(yè)人員、2輛車子，按人均工資3 000/月計4個專業(yè)人員加2個駕駛員年工資支出為21.6萬元。車輛每天行駛200 km，油耗加過路費加車輛維修折舊等平均每千米費用合計為2.0元，年行駛5萬km計10萬元費用。兩者合計年費用31.6萬元。4人班組以月22個工作日計算每工作日需測試?yán)w芯182芯，跑5個站點，工作量為滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)。通過該技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，該項測試工作由主站端服務(wù)器協(xié)同子站端交換系統(tǒng)完成，還能做到日測、周測、月測，所測數(shù)據(jù)由服務(wù)器保存和自動更新。4人兩車班組可投入新光纜的敷設(shè)和光纜搶修工作，節(jié)省人力物力，降低工作出錯率，更有利于光纜網(wǎng)絡(luò)資料部分的合理化管理和實時數(shù)據(jù)管理。

5 結(jié)語

光纖芯交換機(jī)器人在變電站的應(yīng)用，實現(xiàn)了光纖的智能管理和遠(yuǎn)程實時自動化在線檢測，當(dāng)發(fā)生故障時，可實現(xiàn)光纖芯的遠(yuǎn)程自動切換，極大地改善了人工換芯費時、費力的弊端，不需要運維人員到現(xiàn)場，不僅節(jié)約了運維人員的人力，也提高了變電站的日常維護(hù)效率和調(diào)整實效性。另外，本設(shè)備涉及的架構(gòu)簡單、開發(fā)容易，便于推廣，如果能在變電站中廣泛應(yīng)用，可將變電站中通信系統(tǒng)的整體性能提升到新的水平。