光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)在地區(qū)電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用

劉碩鈺 張 輝 劉 超 顧煒曦

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通供電分公司，江蘇 南通 226000）

截至2019年，南通市共鋪設(shè)光纜10 374.3 km，從光纜鋪設(shè)的規(guī)模來看，南通市光纜纖芯規(guī)模大，但是存在許多復(fù)雜因素，例如光纜絕緣老化、弧垂變化、金具腐蝕、自然災(zāi)害以及施工破壞等[1]，隨時可能出現(xiàn)光纜通信中斷的問題。因此，電力通信系統(tǒng)的光纜智能化監(jiān)測就要求在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步向智能、便捷方向發(fā)展，從而提高南通市光纜運維工作的效率。

1 光纜智能分配監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成和功能架構(gòu)

智能監(jiān)測管理系統(tǒng)主要包括通信光纖和線路資源管理系統(tǒng)，主要功能為實時檢測光纖主干線路的資源，并集成上述2個部分的實時數(shù)據(jù)智能化應(yīng)用運維。系統(tǒng)框架如圖1所示，虛線框中的防護(hù)系統(tǒng)、交換機(jī)、資源管理以及檢測系統(tǒng)服務(wù)器等均是通信光纖智能監(jiān)測的核心實施環(huán)節(jié)。工作人員能夠通過內(nèi)網(wǎng)、VPN等方式與系統(tǒng)服務(wù)器對接實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測、管理等功能，訪問終端主要包括PC客戶端和手機(jī)App。

圖1 主干光纜監(jiān)測管理系統(tǒng)框圖

監(jiān)測系統(tǒng)的框架功能主要分為光纖監(jiān)測和資源管理2個部分，2個部分彼此獨立且需要各自獨立部署，功能架構(gòu)如圖2所示。其中，光纖監(jiān)測部分主要包括3層架構(gòu)：設(shè)備、接口和前端；在北向接口實現(xiàn)與資源管理系統(tǒng)的對接；資源管理設(shè)備主要包括設(shè)備、數(shù)據(jù)、服務(wù)以及應(yīng)用4層主體架構(gòu)，通過4層架構(gòu)部署處理來自光纖監(jiān)測系統(tǒng)的信息，例如實時告警信息、線路資源信息、線路監(jiān)測信息以及線路測試信息等[2]。

圖2 監(jiān)測管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

1.2 光纖監(jiān)測系統(tǒng)

光纖監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，主體由OTDR站和光纖光源站組成。其中，OTDR站的主要構(gòu)成部件包括OTDR模塊、光開關(guān)以及光功率計等[3]，光源站以多端口光源為主，通過實時監(jiān)測光功率對線路進(jìn)行監(jiān)測，OTDR系統(tǒng)則主要對系統(tǒng)線路進(jìn)行實時測試，在線路故障或線路功能測試時觸發(fā)。

圖3 光纖監(jiān)測原理圖

1.3 線路資源管理系統(tǒng)

通信光纜線路監(jiān)測系統(tǒng)的核心模塊包括地圖管理、資源管理以及終端軟件管理等。針對線路故障的診斷支持離線和主流線上地圖定位，具備機(jī)房數(shù)據(jù)管理、光纜數(shù)據(jù)管理、光纜數(shù)據(jù)報表以及工程管理等功能，支持GPS定位數(shù)據(jù)的自動導(dǎo)入，包括gpx、kmz等格式的GPS數(shù)據(jù)文件。手機(jī)終端支持安卓系統(tǒng)，支持故障位置數(shù)據(jù)采集、故障點定位以及終端軟件導(dǎo)航。手機(jī)終端軟件能夠?qū)崟r調(diào)動光纜自動監(jiān)測設(shè)備的各項數(shù)據(jù)信息，包括線路的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、故障頂點信息，支持與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并能夠按需定位故障點[4]。

2 區(qū)域通信網(wǎng)光纜智能分配監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 光纜智能分配監(jiān)測軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 軟件系統(tǒng)圖設(shè)計

為了保證系統(tǒng)設(shè)計功能的有效性、穩(wěn)定性，在充分考量系統(tǒng)的功能需求及特征后，最終確定以Windows Server 2012作為監(jiān)測平臺的操作系統(tǒng)，并整合SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)監(jiān)測功能進(jìn)行系統(tǒng)性研發(fā)，以完成軟件功能設(shè)計和開發(fā)工作，在VB軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)、應(yīng)用系統(tǒng)。而該光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)的主要載體以IBM服務(wù)器為基礎(chǔ)開展各項工作。在服務(wù)器及工作站的基礎(chǔ)上建設(shè)客戶服務(wù)器，并將MapInfo Professional 12.0系統(tǒng)作為信息定位功能的支撐性平臺。在選擇核心工具開發(fā)的過程中，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)的實際工作環(huán)境，選擇使用MAPX5.0進(jìn)行工具設(shè)計。

2.1.2 光纜資源軟件系統(tǒng)設(shè)計

為了進(jìn)一步滿足實際監(jiān)測工作的需求，該研究將光纜管理系統(tǒng)劃分為3個層面，分別為數(shù)據(jù)存儲、界面管理以及邏輯處理。而光纜資源軟件系統(tǒng)的整體架構(gòu)也可以劃分為3個部分，分別為資源管理客戶端、資源數(shù)據(jù)庫以及應(yīng)用服務(wù)器[5]。該系統(tǒng)采用GIS信息地圖實現(xiàn)對光纜故障定位的功能。在對光纜通信信息進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控的同時，為了確保信息監(jiān)控的持續(xù)性和穩(wěn)定性，由數(shù)據(jù)存儲層支撐完成系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲作業(yè)。界面層輔助用戶操作系統(tǒng)功能。監(jiān)測系統(tǒng)的信息資源、統(tǒng)計調(diào)配工作均是通過系統(tǒng)邏輯層實現(xiàn)的。系統(tǒng)在實際運行過程中所具備的功能均能滿足實際的工作場景需要。另外，可以在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上對光纜系統(tǒng)系信息的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存取，根據(jù)實際監(jiān)測環(huán)境的變化需求，數(shù)據(jù)存儲會結(jié)合數(shù)據(jù)表的形式對相關(guān)的資源數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合存取，同時可以使信息展示更有條理、更清晰[6]。例如，用戶將光纜管理信息和系統(tǒng)日志上傳至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，邏輯層則處在整個系統(tǒng)的中間位置，該工作層重點是有效地對系統(tǒng)的各類業(yè)務(wù)進(jìn)行分析與處理。通過服務(wù)器的信息結(jié)構(gòu)對資源管理系統(tǒng)進(jìn)行功能拓展，工作人員可以根據(jù)實際需要外接相關(guān)功能模組，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的其他連帶功能。再由邏輯層對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、處理以及訪問等，經(jīng)過邏輯分析后，將最終的判定結(jié)果返還給客戶端。通過該方式不僅可以最大限度地保障光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全，還可以有效降低光纜監(jiān)測工作的復(fù)雜性[7]。該系統(tǒng)的功能均是通過界面層進(jìn)行呈現(xiàn)并與后臺內(nèi)容對接的。

2.2 GIS光纜監(jiān)測故障的判斷與定位

2.2.1 GIS光纜監(jiān)測故障位置的判斷

當(dāng)光纖發(fā)生故障后，系統(tǒng)首先偵測到光纖數(shù)據(jù)中斷，并在第一時間通過GIS定位技術(shù)獲取光纜故障點以及所處坐標(biāo)距離，故障光纖數(shù)據(jù)將被自動切換至路面實際位置信息并呈現(xiàn)在GIS畫面上。根據(jù)光纖故障定位信息可以判斷故障點位置以及可能的故障原因，在系統(tǒng)告警后可自動啟動OTDR，工作原理及測試模塊樣機(jī)如圖4、圖5所示。在實現(xiàn)光纖故障測試后，通過工程參考點信息判斷光纖故障點位置，故障點計算如圖6所示。

圖4 OTDR工作原理

圖5 OTDR測試模塊

圖6 計算故障點地理位置

根據(jù)光纖屬性以及故障點所處位置對光纖的故障位置進(jìn)行計算，如公式（1）所示。

式中：L為故障點到測標(biāo)點間的距離；Of為光纖長度；α為光纜絞縮率。

以隨機(jī)地標(biāo)點的形式，測標(biāo)點到沿線任意地標(biāo)點的距離如公式（2）所示。

式中：Lij為標(biāo)地點i至j的距離；Sij為標(biāo)地點i至j的路面距離；βij為光纜曲率。

地標(biāo)點到地標(biāo)點間的距離L如公式（3）所示。

式中：L為地標(biāo)點到地標(biāo)點間的距離為地標(biāo)點間的具體距離。

光纜的長度距離如公式（4）所示。

式中：Sxy為地標(biāo)點x至y的間距；βxy為光纜曲率；Lxy為光纜的具體長度。

在GIS技術(shù)測算基礎(chǔ)上明確距離故障點的路面間距S，并在GIS故障地圖上顯示。

2.2.2 GIS光纜故障智能監(jiān)測定位

在OTDR信息采集技術(shù)的支撐下，通過故障點的地理位置分析算法研判光纜的具體故障位置以及所處位置可能的故障原因，將故障點以及標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對比，并以該數(shù)據(jù)生成初步的研判報告供技術(shù)人員分析故障原因，采取積極的維修手段，所提供信息包括故障光纜的數(shù)據(jù)數(shù)組、光纜具體故障位置以及可能的事故原因[8]，故障分析流程如圖7所示。

圖7 光纜故障智能監(jiān)測分析流程

光纜故障智能檢測系統(tǒng)的工作流程就是判斷系統(tǒng)故障點與參考曲線事件的損耗差值是否超過事件門限值，如果超出門限值，就觸發(fā)故障報警，通過該故障監(jiān)測方法對故障點進(jìn)行定位。系統(tǒng)在地標(biāo)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上對故障點進(jìn)行研判；同時，工作人員根據(jù)GIS地圖上的具體位置確定故障的具體故障信息，光纜故障智能監(jiān)測機(jī)制如圖8所示。

圖8 光纜故障的智能監(jiān)測

3 超長程光纜在線監(jiān)測測試

3.1 測試環(huán)境

為了確定該系統(tǒng)的實效性，將在實驗室開展超長距離光纜故障監(jiān)測、報障試驗，該試驗共準(zhǔn)備4盤長距離光纖，每盤距離為100 km，每盤光纖的連接處通過活動接頭相連，使光纖長度達(dá)到400 km，測試的TX與RX端均設(shè)置了RFA、BA和PA，在距離RX端100 km處設(shè)置RGU，最終的測試體系如圖9所示。

圖9 光纜在線監(jiān)測方案結(jié)構(gòu)圖

3.2 測試內(nèi)容

在上述試驗測試流程中，核心測試環(huán)節(jié)如下：1） 啟動TX端的OTDR，從而確定OTDR測試最長的光纖距離。2） 通過RX端的OTDR來確定OTDR波長能否穿過RGU。3） 通過設(shè)置2個合波器構(gòu)成旁路器，以驗證旁路器是否可以避開RGU，從而對RGU之后的光纖進(jìn)行監(jiān)測。4） 在整條測試線路中人為設(shè)置短路點，確定當(dāng)線路中出現(xiàn)故障時系統(tǒng)是否能夠及時上報。5） 先后開啟RFA和BA，并以9 dBm、12 dBm、14 dBm、16 dBm和19 dBm的順序依次設(shè)置BA輸出的額定功率，確定當(dāng)啟動BA后OTDR能否正常工作。

3.3 測試結(jié)論

測試內(nèi)容中的（1）～（4）是在未開啟線路放大器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，說明整個測試狀態(tài)為離線狀態(tài)。在該基礎(chǔ)上可以得出以下推論：1） OTDR的測試有效距離能夠保證較長距離的光纖監(jiān)測。2） 在實驗室試驗過程中能夠通過2個合波器實現(xiàn)旁路器功能，穩(wěn)定繞過RGU設(shè)備。3）當(dāng)線路出現(xiàn)故障時，OTDR系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)判定故障信息并及時報備位置。

測試內(nèi)容中的（5）是開啟線路放大器之后的測試，還原了現(xiàn)實中的光纜通信環(huán)境。在開啟RFA后，OTDR監(jiān)測功能無法正常測試；當(dāng)關(guān)閉RFA、開啟BA并將輸出功率調(diào)試到9 dBm時，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常的監(jiān)測功能；當(dāng)功率調(diào)整至12 dBm和14 dBm時，系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確性下降；當(dāng)輸出功率調(diào)整至16 dBm和19 dBm時，系統(tǒng)的監(jiān)測功能失效。因此，可以得出以下推論：1） 在系統(tǒng)監(jiān)測過程中開啟BA會導(dǎo)致OTDR監(jiān)測失效。具體原因是BA自身的放大信號功率較高，會對OTDR監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生影響，最終干擾OTDR監(jiān)測系統(tǒng)的正常監(jiān)測功能。2） 該問題的針對性解決辦法如下，由于現(xiàn)實監(jiān)測光纜線路普遍距離較長，并且RFA和RGU均是線路中必不可少的裝置，這將有一定概率導(dǎo)致OTDR監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)實光纜對接后受放大器干擾失去正常的監(jiān)測功能，因此，需要根據(jù)該弊端重新調(diào)整該試驗的在線監(jiān)測系統(tǒng)的方案。在試驗過程中，需要將在線監(jiān)測方案轉(zhuǎn)為離線監(jiān)測與業(yè)務(wù)光纖同一路由的空余光纖，2處光纖在同一個光纜中，在空余光纖報障后，業(yè)務(wù)光纖也可能存在故障，從而實現(xiàn)故障監(jiān)測的目的，或者在監(jiān)測線路中只有BA和PA的線路，且BA功率維持在14 dBm，也不會影響OTDR系統(tǒng)的正常監(jiān)測功能。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的光纜檢測手段相比，該研究提出了智能化程度更高的OTDR監(jiān)測方式，采用GIS等技術(shù)實現(xiàn)了光纜監(jiān)測信息化、數(shù)字化創(chuàng)新，能夠快速、準(zhǔn)確地報備光纜長度和經(jīng)緯度信息，并實現(xiàn)光纜的持續(xù)監(jiān)測與故障預(yù)警功能，避免了傳統(tǒng)光纜監(jiān)測工作中因光纜切割斷裂、遷改等原因而出現(xiàn)無法精準(zhǔn)定位故障位置的問題，極大地提高了光纜故障反應(yīng)速率，縮短了搶修時間，減少了人工移動測定故障點的工作量，保障了光纜通信信息的安全性和穩(wěn)定性。

該研究在完善光纜智能監(jiān)測技術(shù)的同時，依然存在一定的迭代升級空間，后續(xù)還可以在系統(tǒng)中增加將故障信息直接報送至維修人員手機(jī)軟件的功能，讓維修人員能夠在第一時間獲取故障信息，確定故障的具體位置及故障原因，進(jìn)一步提高維護(hù)部門的反應(yīng)速度和管網(wǎng)安全運行的能力。