區(qū)域電力通信網(wǎng)中光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探究

文/潘樹(shù)昌 潘飛 徐梁剛

通信光纜監(jiān)測(cè)智能化水平的不斷提升，可以有效增強(qiáng)光纜故障排除能力，從而保障電力通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文主要以區(qū)域電力通信網(wǎng)為研究對(duì)象，對(duì)光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，希望能夠?yàn)閰^(qū)域電力通信網(wǎng)光纜質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

在智能電網(wǎng)系統(tǒng)快速發(fā)展的形勢(shì)下，區(qū)域電網(wǎng)信息化的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系著電網(wǎng)運(yùn)行安全。在整個(gè)電力系統(tǒng)中，區(qū)域電網(wǎng)具有區(qū)域性特征。目前，國(guó)內(nèi)光纜線路的鋪設(shè)主要為架空方式。在這種方式下，外界因素很容易對(duì)電纜運(yùn)行造成影響，從而使光纜線路成為電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)也是電力系統(tǒng)中故障率最高的設(shè)施之一。傳統(tǒng)的電纜維護(hù)方式操作難度極大，因此，電力部門(mén)有必要利用先進(jìn)技術(shù)對(duì)光纜線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜線路故障發(fā)生率的有效控制。

一、光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

（一）整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力通信網(wǎng)絡(luò)中的光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等部分。其中，上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由客戶端和監(jiān)測(cè)中心共同組成，它與監(jiān)測(cè)站之間通過(guò)TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接。光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的基本原理如下。①監(jiān)測(cè)站可以針對(duì)整個(gè)光纜線路自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)光纖傳輸損耗變化情況的實(shí)時(shí)跟蹤。光纜智能監(jiān)控系統(tǒng)中配備的光功率監(jiān)測(cè)模塊可以對(duì)光纜線路光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)存在斷線等故障時(shí)，實(shí)際監(jiān)測(cè)的光功率小于設(shè)定閾值。此時(shí)，控制模塊會(huì)切換光纜線路并同時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。②在光纜線路中分布的數(shù)據(jù)采集器件可以對(duì)光纖運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并將其傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋到遠(yuǎn)端，以幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。③用戶在配備權(quán)限后即可查看切換信息和告警信息等。用戶通過(guò)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)站即可實(shí)現(xiàn)光纜的線路切換，并在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能的幫助下及時(shí)察覺(jué)光纜線路傳輸劣化等相關(guān)問(wèn)題，以有效控制光纜阻斷事故發(fā)生率。

（二）光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括光纜監(jiān)測(cè)、故障處理、運(yùn)行維護(hù)、告警處理、統(tǒng)計(jì)分析及資源管理等多個(gè)子模塊。其中，光纜監(jiān)測(cè)模塊具有周期監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)控和點(diǎn)名監(jiān)控等功能，用戶利用光纜監(jiān)測(cè)模塊可以進(jìn)行切換信息查詢、條件查詢和歷史告警信息查詢等。告警處理模塊可以實(shí)現(xiàn)告警信息設(shè)定、告警通知和處理等。同時(shí)，告警處理模塊與故障處理模塊聯(lián)系緊密，它們可以幫助用戶對(duì)故障進(jìn)行定位分析，并可實(shí)現(xiàn)過(guò)程信息記錄和故障恢復(fù)。資源管理模塊的主要作用是對(duì)設(shè)備、電路和線路等進(jìn)行管理，它是在客戶端和監(jiān)測(cè)中心通過(guò)TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行連接后實(shí)現(xiàn)信息交互的，服務(wù)器接收到客戶發(fā)送請(qǐng)求后即可提供相應(yīng)服務(wù)。統(tǒng)計(jì)分析模塊可以針對(duì)光纜及設(shè)備性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該模塊屬于光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心模塊。資源管理模塊為系統(tǒng)的維護(hù)模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、編輯和管理等功能。

（三）光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GIS功能設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GIS 功能框架如圖2 所示。光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GIS 的主要功能有數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、空間查詢與分析、數(shù)據(jù)編輯與處理、可視化表達(dá)與輸出等。

只有將地圖、文字報(bào)告、物化遙以及統(tǒng)計(jì)等相關(guān)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)后，才能夠構(gòu)建GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)可將各類(lèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式。輸入的信息類(lèi)型主要包括格柵數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)以及GPS測(cè)量數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包括空間和非空間兩種存儲(chǔ)形式，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)還具有數(shù)據(jù)的更新、查詢和檢索等功能。數(shù)據(jù)編輯主要包括圖形編輯和屬性編輯兩個(gè)部分。圖形編輯可以實(shí)現(xiàn)圖形的變換、拼接、投影變換和整飾；而屬性編輯則主要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，空間查詢與分析是GIS 的核心功能，可視化表達(dá)與輸出主要涉及人機(jī)交互層面。

二、局部系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)使用的是Windows操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)使用的是SQL Server 軟件，軟件開(kāi)發(fā)使用的是VB 語(yǔ)言，地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要使用的是Mapinfo Professional 12.0 平臺(tái)。

（一）光纜資源軟件系統(tǒng)

光纜資源管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、界面層和邏輯處理層三個(gè)部分。相應(yīng)地，光纜資源軟件系統(tǒng)模型包括資源管理客戶端、資源數(shù)據(jù)庫(kù)以及應(yīng)用服務(wù)器三個(gè)部分。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的主要作用是對(duì)資源管理系統(tǒng)中產(chǎn)生的個(gè)人信息進(jìn)行存儲(chǔ)。界面層可以為用戶提供各種功能界面。邏輯處理層主要用于邏輯業(yè)務(wù)的分析、資源統(tǒng)計(jì)調(diào)配等。值得一提的是，光纜資源軟件系統(tǒng)具有可調(diào)整性和維護(hù)便捷等特點(diǎn)。

（二）GIS 光纜監(jiān)測(cè)故障判斷與定位系統(tǒng)

1.GIS 光纜監(jiān)測(cè)故障位置判斷設(shè)計(jì)

在電纜光纖發(fā)生故障之后，系統(tǒng)可以快速監(jiān)測(cè)到光纖數(shù)據(jù)中斷狀態(tài)，同時(shí)可通過(guò)GIS 定位技術(shù)來(lái)快速獲取光纜故障點(diǎn)位置及其坐標(biāo)距離。系統(tǒng)還會(huì)將故障點(diǎn)定位信息實(shí)時(shí)切換到實(shí)際位置信息，該信息可以通過(guò)GIS 畫(huà)面來(lái)進(jìn)行顯示。技術(shù)人員根據(jù)定位信息即可快速判斷故障位置及可能的故障原因。在測(cè)試光纖故障之后，技術(shù)人員可以通過(guò)工程參考點(diǎn)信息準(zhǔn)確判斷光纖故障位置，同時(shí)結(jié)合光纖屬性以及故障點(diǎn)位置詳細(xì)計(jì)算出光纖故障點(diǎn)的距離。距離計(jì)算公式如下：

式（1）中，L為故障點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的距離，Of為光纖長(zhǎng)度，α 為光纖絞縮率。

從測(cè)量點(diǎn)開(kāi)始到光纖電纜沿線任意一個(gè)地標(biāo)點(diǎn)的距離可通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式（2）中，Lij為標(biāo)的點(diǎn)i與j之間的距離，Sij為標(biāo)的點(diǎn)i與j之間的直線距離，βij為光能曲率。

由此可知，兩標(biāo)的點(diǎn)的距離L計(jì)算公式為：

式（3）中，Rk為標(biāo)的點(diǎn)的樁點(diǎn)里程。

光纜長(zhǎng)度可通過(guò)式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式（4）中，Sxy為標(biāo)的點(diǎn)x與y之間的間距，βxy為光纜曲率，Lxy為光纜的實(shí)際長(zhǎng)度。

2.GIS 光纜故障智能監(jiān)測(cè)定位設(shè)計(jì)

OTDR（光時(shí)域反射儀）信息采集技術(shù)可以支撐光纜線路故障具體位置的研判。同時(shí)，故障點(diǎn)地理位置分析算法可實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)位及故障原因的詳細(xì)研判；利用標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，即可生成初步的故障診斷報(bào)告。技術(shù)人員可以故障報(bào)告為依據(jù)對(duì)故障原因進(jìn)行詳細(xì)分析，從而得到故障電纜數(shù)據(jù)、光纜故障位置信息及可能的故障原因等相關(guān)信息，進(jìn)而采取有針對(duì)性的故障排除措施。

區(qū)域電力通信網(wǎng)中的光纜故障智能檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理為：通過(guò)系統(tǒng)故障點(diǎn)與參考曲線來(lái)判斷損耗差值是否超過(guò)事件門(mén)限范圍，如果超過(guò)門(mén)限范圍，則會(huì)自動(dòng)觸發(fā)故障報(bào)警信號(hào)；隨后，技術(shù)人員可進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)，并通過(guò)地標(biāo)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)研判和故障信息確定。

三、結(jié)語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡(luò)中的光纜監(jiān)測(cè)手段，本文設(shè)計(jì)的光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取了智能化OTDR 監(jiān)測(cè)方式，同時(shí)利用GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)信息化和數(shù)字化。光纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度信息和經(jīng)緯度信息進(jìn)行快速、精準(zhǔn)報(bào)備，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜的持續(xù)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，從而有效避免電力通信網(wǎng)絡(luò)光纜在運(yùn)行過(guò)程中因切割斷裂、遷改等相關(guān)問(wèn)題導(dǎo)致故障位置無(wú)法精準(zhǔn)定位等，有效提升了光纜故障反應(yīng)速率，有利于壓縮搶修時(shí)間，從而充分保障光纜通信信息的穩(wěn)定與安全。