電力通信光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用

作者簡介：楊國旗（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)通信。

摘? 要：電力通信光纜作為電力通信網(wǎng)的基礎，是保障電力通信業(yè)務穩(wěn)定運行不可缺少的重要資源。目前，由于缺乏在線的光纜監(jiān)測手段，運維人員無法直接獲取光纜纖芯運行狀態(tài)，在發(fā)生光纜或纖芯中斷后，需赴現(xiàn)場通過儀器儀表測試進行故障定位，無法在故障發(fā)生后快速定位故障點，在故障排查過程中需耗費大量時間和人力。光纜在線監(jiān)測管理系統(tǒng)集光纜在線監(jiān)測、告警、故障分析、定位于一體，結合地理信息系統(tǒng)，為光纜網(wǎng)絡的安全高效運行提供保障。

關鍵詞：光纜? 在線監(jiān)測? 故障定位? 儀器儀表測試

中圖分類號：TM73;TP274

Abstract： As the foundation of the electric power telecommunication net， the power communication optical cable is an indispensable important resource to ensure the stable operation of power communication business. At present， due to the lack of the online monitoring mean of optical cables， operation and maintenance staff can not directly obtain the operation status of the fiber core of optical cables. After the interruption of the optical cable or the fiber core， they need to go to the site to locate the fault by the instrument and meter test. They can not quickly locate the fault point after the fault occurs， which requires a lot of time and manpower in the troubleshooting process. The online monitoring management system of optical cables integrates the online monitoring， alarm， fault analysis and positioning of optical cables， and it provides a guarantee for the safe and efficient operation of the optical cable network in combination with the geographic information system.

Key Words： Optical cable; Online monitoring; Fault location; Instrument and meter test

光纖通信在電力系統(tǒng)中的應用越來越來廣泛，通信光纜承載的業(yè)務種類和數(shù)量也在急速增長。同時，由于光纜故障、性能劣化及故障點查找延遲而造成的各種損失和維護成本也在不斷地增加，如何實時有效地監(jiān)測通信光纜，并且在光纜出現(xiàn)問題時能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并且找到故障點成為了光纜運維的重中之重。因此建立一套實時的光纜監(jiān)測管理系統(tǒng)，對電力通信網(wǎng)安全運行具有重大意義。在光纜監(jiān)測的管理平臺中可隨時查看光纜的狀態(tài)信息，定位故障所在地點，并且有故障回放等功能，通過對光纜在線監(jiān)測設備的安裝規(guī)劃、設計進行驗證，保障光纜監(jiān)測的規(guī)劃與設計的準確性與科學性，能夠為管理和運維人員提供一個遠程監(jiān)控平臺，極大地提高技術隊伍的運維效率[1]。

1 光纜在線監(jiān)測必要性分析

傳統(tǒng)的光纜維護管理模式中故障查找困難，故障處理時間長，影響了電力通信網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。需要新的維護方式實時監(jiān)測光纜狀態(tài)，動態(tài)地觀察光纜線路傳輸性能的劣化情況，及時發(fā)現(xiàn)和預報光纜隱患，從而增強通信系統(tǒng)的可靠性，降低光纜阻斷的發(fā)生率，縮短光纜的故障歷時，保證電力通信業(yè)務的穩(wěn)定傳輸。光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅僅是用自動替代人工，它更是維護水平和維護理念的升華，它能為排除故障和隱患提供科學的依據(jù)和手段，從而達到減少故障次數(shù)、縮短故障時間、提高光纜網(wǎng)絡的整體可靠性。

1.1? 縮短查找故障時間

光纜在線監(jiān)測管理系統(tǒng)可隨時監(jiān)控光纜的狀態(tài)信息，并且管理平臺的地圖上可以隨時查看故障的發(fā)生地點，回放功能可有效地還原故障發(fā)生的情況，為運維人員分析、處理故障提供有效支撐，從而快速定位故障點、降低故障響應時間，提高光纜故障處理的效率。

1.2 管理理念的轉(zhuǎn)變

光纜監(jiān)測管理平臺采用數(shù)量級更小的布里淵散射原理，使用光源在末端發(fā)射激光，收集散射后光頻率的改變信息，傳入光波分析器中。從管理理念上實現(xiàn)了由“經(jīng)驗型”向“實踐驗證型”轉(zhuǎn)變。在監(jiān)測站點和通道的規(guī)劃與設計方面，改變了僅由具有豐富經(jīng)驗的光纜運維人員完成的現(xiàn)狀，采用時間檢驗的方法；在故障排查方面，將在實際環(huán)境中的故障信息轉(zhuǎn)變成虛擬地圖環(huán)境故障信息，大大減少了故障的排查時間，并能夠隨時監(jiān)測站點信息，彌補了在實際操作中的由于時間過長而無法確定故障發(fā)生的原因和時間[2。

1.3 管理水平的提升

光纜在線監(jiān)測管理系統(tǒng)可有效模擬站點設備監(jiān)測的光纜情況，在站點經(jīng)緯度導入地圖中后，即可查看設備站點的狀態(tài)，達到隨時可遠距離監(jiān)控光纜，也可以根據(jù)站點錄入運維人員信息通知故障所在地，從而提高了光纜故障修復的效率。手動測試所得到波形信息，可模擬實際光纜的狀態(tài)，遠距離分析故障。在光纜監(jiān)測的情況下，管理的方式由原來的通信業(yè)務中斷上報、決策者逐級下發(fā)任務、運維人員現(xiàn)場查找故障原因轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)測中心一步到位地判斷故障情況，可以有效減少光纜故障處理過程中耗費的人力、物力等，并能夠有效提高故障排除的效率。

1.4 效能與成本的節(jié)約

通過對通信光纜網(wǎng)絡監(jiān)測管理技術的改造升級，由通信光纜狀態(tài)無法感知、故障無法定位改造為光纜網(wǎng)絡狀態(tài)可知、可預警、可告警、故障自動定位，可對重要光纜線路實現(xiàn)集中監(jiān)控管理，可監(jiān)視光纜線路性能狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)光纜網(wǎng)絡存在隱患和故障，提高通信業(yè)務運行的質(zhì)量和效率，增強通信網(wǎng)絡運行的可靠性和安全性，降低光纜網(wǎng)絡故障對電力生產(chǎn)造成的損失。與人力巡檢光纜相比大大降低人力成本，提高了監(jiān)測頻率，大幅縮短故障光纜處理時間，節(jié)約成本，安全可靠。

2 光纜在線監(jiān)測設計方案

2.1? 設計目標

光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效降低光纜運維成本，進一步地完善光纜運維方式，提供更多、更全面、更先進的技術支撐手段，簡化光纜運維工作，提高工作效率，從而持續(xù)改善通信部門的運維管理水平，同時實現(xiàn)光纜資源精細化管理、光纜狀態(tài)在線監(jiān)測與故障定位的應用支撐。具體設計目標如下。

（1）建立光纜資源全體系模型，實現(xiàn)電力通信網(wǎng)光纜網(wǎng)絡中復雜網(wǎng)絡結構的路由描述、光纜監(jiān)測邏輯描述，實現(xiàn)電力通信網(wǎng)光纜網(wǎng)絡資源信息的全方位管理。

（2）實現(xiàn)光纜監(jiān)測管理功能，通過光纜在線設備周期任務管理，實現(xiàn)光纜狀態(tài)自動監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)光纜存在的隱患和故障，實現(xiàn)光纜狀態(tài)的在線監(jiān)測及統(tǒng)計分析。

（3）實現(xiàn)光纜故障原因分析、故障點GIS定位，減少光纜運維人員對光纜故障判斷的工作量和判斷失誤，降低運維管理工作對工作人員業(yè)務能力的要求，有效提高光纜網(wǎng)絡的運行效率和利用率。

2.2? 總體部署

系統(tǒng)的總體結構是由網(wǎng)管監(jiān)測中心、監(jiān)測變電站點和電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)3個部分組成的，網(wǎng)管監(jiān)測中心可以監(jiān)測管理多個監(jiān)測變電站點，能夠?qū)崿F(xiàn)分散量測、集中管理的模式[3]。各個站點通過電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)進行傳輸聯(lián)通，同時又相對獨立；當傳輸中斷時，不同的監(jiān)測站點可根據(jù)配置的數(shù)據(jù)獨立完成測試任務。監(jiān)測系統(tǒng)的總體組成與相互關系如圖1所示。

2.3? 工作原理

光纜在線監(jiān)測設備使用WDM將多種光波耦合到一條光纖線路上，對光纖整體的傳輸性能不會產(chǎn)生任何影響，末端設有光源來增強光波的波形，服務器端設置有全局的可視化頁面，實時監(jiān)測站點和站點之間的光纜情況。在光纜ODF架上完成光纖端口的匹配，然后測試端口連通性管理、性能監(jiān)控管理、位置信息管理和斷點查找管理，如果出現(xiàn)光纜故障，則會提示告警信息。通過對多個監(jiān)測模塊進行組合構成一整套的在線監(jiān)測設備，所有的監(jiān)測設備安裝于各變電站，從而完成各站點間互聯(lián)的光纜的監(jiān)測，形成一個依托于變電站光纜網(wǎng)絡實際狀況的拓撲形態(tài)監(jiān)測網(wǎng)。變電站內(nèi)的在線監(jiān)測設備核心主要是光功率告警監(jiān)測部分和OTDR測試部分。光功率告警部分接收實際光功率，同時根據(jù)光纜線路長度、光纜類型動態(tài)地分析光纜性能狀態(tài)；OTDR測試部分是通過將光短脈沖發(fā)送到光纖中，由于連接器、熔接、彎曲以及斷層等不連續(xù)性因素，光纖中會發(fā)生光散射，OTDR 隨即會檢測和分析散射的信號，按特定的時間間隔測量信號強度，并將信號強度用于表示事件特性[4]。

為了實現(xiàn)光功率告警和ODTR的時域反射測試這兩個功能，還需要分光器、光開關模塊、波分復用器等多個模塊的組合功能。在線監(jiān)測裝置通過告警監(jiān)測部分實時根據(jù)光纜中的實際性能數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應信號，并將其傳回后臺系統(tǒng)進行統(tǒng)計分析。在變電站內(nèi)，監(jiān)測裝置主要實現(xiàn)以下的功能。

（1）實時地對監(jiān)測中的光纜進行光功率及時域反射測試，快速及時地了解到光纜線路中出現(xiàn)的故障及劣化情況，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析光纜故障情況，如纖芯斷裂、出現(xiàn)小角度的彎折、光纜老化性能衰減等，并判斷光纜故障位置信息。

（2）根據(jù)測試數(shù)據(jù)匯總收集光纜線路故障時出現(xiàn)的各種告警和數(shù)據(jù)分析信息，通過變電站內(nèi)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)將信息上傳至光纜在線監(jiān)測中心網(wǎng)管。在故障處理完成前可設置上報告警頻次和時間間隔，當故障消除之后，在線監(jiān)測裝置將當前測試數(shù)據(jù)和保存的故障期數(shù)據(jù)一同返回監(jiān)測中心，供后臺進行分析研判。

（3）可設置小周期、短時域的站內(nèi)光纜線路全測試，將測試數(shù)據(jù)返傳至在線監(jiān)測網(wǎng)管中心。后臺系統(tǒng)通過對多條測試數(shù)據(jù)進行跟蹤統(tǒng)計即可匯總出逐條光纜的線路損耗、接頭損耗、彎曲損耗及光纜線路損耗隨時間變化情況，并生成以時間為橫軸，光纜功率損耗為縱軸的曲線圖，該曲線圖是光纜隱患排查及分析的重要參考依據(jù)。

2.4? 監(jiān)測流程

光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)運用了ODTR的光波監(jiān)測原理，采用在線業(yè)務監(jiān)測與備用纖監(jiān)測相結合的形式設計，選取備用纖其中的一芯用來作為在線監(jiān)測。通過在站端安裝光纜監(jiān)測系統(tǒng)設備實現(xiàn)站點間各光纜的實時在線監(jiān)測，在線監(jiān)測業(yè)務的工作流程如圖2所示。

在線監(jiān)測系統(tǒng)通過各站點監(jiān)測設備實時監(jiān)測各變電站間光纜狀態(tài)信息，同時，采用虛擬化技術搭建一套與實際情況相符合的地圖工具，把現(xiàn)實光纜監(jiān)測的設備和數(shù)據(jù)配置到光纜監(jiān)測的管理系統(tǒng)中，通過每臺設備的經(jīng)緯度錄入，可查看光纜監(jiān)測的路徑和基本信息，同時可用測試隨時查看光纜監(jiān)測的距離，驗證設備實際測試的距離[5]。

3? 光纜在線監(jiān)測管理系統(tǒng)的應用

3.1? 變電站間互聯(lián)光纜的實時監(jiān)測

將光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)中的光波解析器裝設在電力通信網(wǎng)的各終端站點，連接數(shù)據(jù)通信網(wǎng)設備實現(xiàn)上聯(lián)互通，同時連接互聯(lián)站點光纜的ODF，如果光纜距離過遠，可在末端安裝光源，采用反射的原理來增強光信號，光源可以持續(xù)發(fā)光，極大地補充了設備在掃描其他通道的光信號時的空缺，如此設備可實時收到每個通道的光波信息，達到可以實時監(jiān)測每個站點的目標。當監(jiān)測光纜出現(xiàn)故障或性能劣化時，終端監(jiān)測界面將自動上報告警，并通過告警實時查看監(jiān)測光纜的狀態(tài)信息。監(jiān)測頁面如圖3所示。

3.2? 對光纜故障位置進行物理定位

光纜故障發(fā)生后，通過在光纜在線監(jiān)測管理系統(tǒng)查看故障的發(fā)生地點，并可以使用測試功能，查看光纜測試波形的規(guī)律，同時可查看故障發(fā)生的回放記錄，以便運維人員制訂解決方案。添加的地圖展示頁面，通過在設備管理上導入的站點經(jīng)緯度信息，可直接在地圖上看到光纜故障點，可隨時定位維護地點并且可查詢維護人員的信息和電話，減少了中間因未知故障位置地址而造成時間和人力成本的浪費。光纜實際地圖定位信息如圖4所示。

3.2? 動態(tài)掌握光纜網(wǎng)絡信息

電力通信光纜因其特殊性在主干線路上多以架空形式敷設，在運行中存在的隱患主要是光纜拉伸致接頭盒內(nèi)熔接點斷裂；光纜過電網(wǎng)基塔時因風力影響與塔體發(fā)生摩擦破損，纖芯中斷；光纜在接頭盒位置熔接后盤余綁扎? ? ?不牢固，后期松動等原因造成彎曲半徑過小[6]。這些存在的隱患都有著隨時性、突發(fā)性的特點，并且故障發(fā)生后難以發(fā)現(xiàn)故障點，運維難度較大。在每年的電力通信網(wǎng)光纜巡檢工作中可隨時查看每條監(jiān)測光纜的性能狀態(tài)，通過快速掃描模式查看光纜的長度、接頭損耗、總損耗及測試曲線事件點信息。同時對照光纜拓撲圖解析光纜位置信息，由此可實時監(jiān)控整個光纜網(wǎng)絡的運行狀況。

4? 結語

電力通信網(wǎng)作為電網(wǎng)發(fā)展的重要基礎設施，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，提高電網(wǎng)企業(yè)信息化水平等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，缺乏電力通信光纜的監(jiān)測手段，光纜運維人員無法直接獲取光纜纖芯運行狀態(tài)，光纜受市政建設、外力破外以及惡劣天氣影響中斷情況較為頻繁，在發(fā)生光纜中斷或纖芯中斷后，運維人員常用排障手段是在光纜網(wǎng)絡臨時接入光纜測試儀器儀表，通過測算確定故障點范圍，安排檢修人員赴現(xiàn)場做進一步的故障定位，故障清除后拆除儀器儀表。該排障手段無法在故障發(fā)生后快速定位故障點，同時，業(yè)務路由迂回設計的工作難度也增大。因此，有必要對通信光纜網(wǎng)絡運維監(jiān)控技術進行升級改造，整體提升光纜網(wǎng)絡狀態(tài)的可知可控能力。光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設和實施推廣，能夠全方位地提高電力通信網(wǎng)絡運行保障水平，確保電網(wǎng)的安全運行，促進安全、可靠、可持續(xù)的電力供應，可產(chǎn)生良好的企業(yè)效益。

參考文獻

[1]何勇君，李偉.光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].移動通信，2021，45（2）：95-99.

[2]余希娟，常仲科，張慧峰，等.電力光纜網(wǎng)多通路OTDR在線監(jiān)測及故障定位技術分析[J].中國新通信，2021，23（12）：38-39.

[3]張俊杰，姚飛，陳平.基于OTDR的光纜實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].桂林航天工業(yè)學院學報，2021，26（2）：141-144.

[4]王志陽.光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)在電力通信系統(tǒng)中的應用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2022，12（3）：144-145.

[5]陳翔玲.南昌市“天網(wǎng)”高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用[D].南昌：南昌大學，2022.

[6]任偉.基于光纖傳感技術的光纜安全在線監(jiān)測關鍵技術研究[D].北京：北京郵電大學，2021.