余希娟 常仲科 張慧峰 馬紅霞 薛亮

【摘要】? ? 本文詳細分析多通路OTDR實時在線監(jiān)測技術(shù)和基于電網(wǎng)GIS應用的光纜故障定位技術(shù)，通過利用該技術(shù)可以構(gòu)建電力光纜網(wǎng)多通路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)，提高電力企業(yè)電力光纜網(wǎng)的運行穩(wěn)定性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】? ? 電力光纜網(wǎng)? ? 多通路? ? 在線監(jiān)測? ? 故障定位

引言：

電力光纜網(wǎng)一般采用OPGW光纜通過光傳輸設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)，承載著調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、通信數(shù)據(jù)網(wǎng)和信息內(nèi)網(wǎng)等數(shù)據(jù)信息的傳輸，在保障電網(wǎng)企業(yè)安全生產(chǎn)的重要設(shè)施。然而電力光纜網(wǎng)在運行的過程中，會受到外在因素或者內(nèi)在因素的影響，導致光纜網(wǎng)出現(xiàn)運行故障，如暴力施工導致的光纜外力破壞、自然條件因素導致的光纜斷裂等，故研究電力光纜網(wǎng)多通路OTDR在線監(jiān)測及故障定位技術(shù)具有重要的工程實際應用價值。

一、電力光纜網(wǎng)多通路OTDR在線監(jiān)測技術(shù)概述

1.1 電力光纜網(wǎng)的監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

隨著電力企業(yè)運營業(yè)務量的增加，如果出現(xiàn)光纜中斷情況，則會帶來較大的安全運行風險，并且早期建成的運行時間較長的光纜，出現(xiàn)故障的概率更大，一旦出現(xiàn)故障，將帶來較大的經(jīng)濟損失，故有必要對電力光纜網(wǎng)加強監(jiān)測。在早期的電纜網(wǎng)維護中，主要是采用折彎法等物理方式進行故障排查，但這種故障排查方式容易對光纖造成損傷，并且維護的工作量也相對較大。

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前OTDR測試儀已經(jīng)在光纜維護中得到了廣泛應用[1]，這種測試儀是采用光時域反射的原理制作而成，在測試的過程中不會對光纜造成損傷，但依然做不到對光纜網(wǎng)的實時在線監(jiān)測，故這種方法依然難以滿足現(xiàn)代電力光纜網(wǎng)的運行維護需求。

1.2 應用多通路OTDR監(jiān)測技術(shù)的必要性

由于單個OTDR模塊在使用的過程中只能夠?qū)σ宦防w芯進行監(jiān)測，如果需要對多個通路進行監(jiān)測，由于在實際中不能采用多個OTDR模塊，故需要采用多通路OTDR監(jiān)測技術(shù)。如果采用光開關(guān)對待監(jiān)測的線路進行切換，則切換時間難以把握，切換時間過長，則對發(fā)現(xiàn)故障的靈敏度不夠，實際應用效果大大折扣[2]。如果切換時間過短，則會導致設(shè)備的使用壽命降低。而采用多通路OTDR監(jiān)測技術(shù)，裝置自身的模塊具備同時與多個監(jiān)測通路同時通信的能力，這樣就可以實現(xiàn)對光纜纖芯的實時在線監(jiān)測。

二、多通路OTDR實時在線監(jiān)測技術(shù)分析

2.1 光纜網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)

在電力企業(yè)的光纜網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)中，采用了計算機控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，并且和地理信息系統(tǒng)相互結(jié)合，使得光纜網(wǎng)能夠在地理圖上通過圖形的方式加以顯示。在電力企業(yè)光纜網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)過程中，對于軟件系統(tǒng)的開發(fā)，可以采用模塊化的軟件設(shè)計思想，并采用Linux操作系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具有較高的運行效率。通過將光纜網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)中的功能進行模塊化封裝，當某個功能無法正常使用時，排查故障的速度也較快[3]。在光纜網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計方面，可以采用插件結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于提高光纜網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。同時，在硬件系統(tǒng)中設(shè)置看門狗電路，保證光纜網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠復位。在光纜網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)中，利用多通路OTDR實時在線監(jiān)測技術(shù)，可以實時監(jiān)測光纜中的光功率情況，當光纜網(wǎng)中出現(xiàn)異常情況時，可以上送相應的告警信息。

在光纜網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成上，主要包括了監(jiān)測裝置、監(jiān)測服務器以及工作站等，監(jiān)測裝置所采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒掌髦羞M行分析和處理，并將結(jié)果通過工作站展示在光纜網(wǎng)運維人員面前，實現(xiàn)對光纜網(wǎng)的實時在線監(jiān)測。其中監(jiān)測裝置占用重要地位，包括了光測試模塊、光路切換功能模塊、微處理器、光功率檢測功能模塊、內(nèi)存單元、光耦合功能模塊等。同時監(jiān)測裝置應采用雙電源的設(shè)計理念，保證當監(jiān)測裝置其中一路電源故障或者失電時，依然能夠?qū)饫|網(wǎng)進行監(jiān)視。

2.2 光纜監(jiān)測技術(shù)方案

在光纜的監(jiān)測技術(shù)方案方面，主要包括對備用纖芯和工作纖芯進行監(jiān)測的方案，在對光纜中的備用纖芯進行監(jiān)測的方案中，由于光纜一旦出現(xiàn)故障，一般是整個光纜出現(xiàn)了斷裂或者損壞，很少情況下會出現(xiàn)單根光纖斷裂[4]。并且對備用纖芯進行實時監(jiān)測，也不會對正常的通信業(yè)務產(chǎn)生任何影響，故這種光纜監(jiān)測方案的性價比相對較高。另外，由于備用纖芯上沒有業(yè)務數(shù)據(jù)，故測試光的波長可以和正常業(yè)務光波長一致，互不干擾。

在測試波長的選擇上，由于1310nm和1550nm在實際中的應用較多，故可以加以采用。同時由于波長為1625nm的信號對光纜中的信號較為靈敏，即使出現(xiàn)了微小的變化，也能夠準確感知，故也可以采用1625nm波長。在監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面，也較為簡單清晰。

另一種是對工作纖芯進行監(jiān)測的方案，下圖1為工作纖芯的監(jiān)測方案原理圖。

在圖1中工作纖芯的監(jiān)測方案中，所采用的測試光在波長上應保證和正常工作光的波長具有一定的差異，這樣就不會干擾光纜中正常的業(yè)務數(shù)據(jù)。在光纜中，兩種光通過FCM頭端耦合，以合波的方式進行傳輸，到達目的地之后，再通過FCM末端濾波，將測試光加以濾除，正常業(yè)務光依然可以通過。但由于FCM頭端耦合和FCM末端濾波同時接入了兩種類型的光，故在具體的安裝實施過程中，需要斷開正常的光通道業(yè)務，對電力生產(chǎn)具有一定的影響。這兩種監(jiān)測技術(shù)方案，都可以對光纜網(wǎng)實現(xiàn)多通路OTDR實時在線監(jiān)測。

三、基于電網(wǎng)GIS應用的光纜故障定位技術(shù)分析

隨著電力光纜網(wǎng)運維工作量的增大，需要采用更為先進的技術(shù)，快速定位光纜具體的故障位置，降低光纜的故障排查時間。當告警監(jiān)測模塊采集到光纜網(wǎng)中的光功率出現(xiàn)異常情況時，此時裝置會通過調(diào)用OTDR模塊測算與光纜故障點之間的距離，實現(xiàn)對光纜的故障定位。

3.1 光纜故障定位系統(tǒng)的開發(fā)原則

在光纜故障定位系統(tǒng)中的OTDR模塊中，需要采用軟件控制算法，對故障光纜的距離進行可靠的計算。在基于電網(wǎng)GIS應用的光纜故障定位系統(tǒng)開發(fā)中，可以采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計思想，通過采用地圖數(shù)字化技術(shù)，在地圖上顯示出光纜的故障類型和具體的故障點[5]。同時，將軟件系統(tǒng)分為不同的功能模塊，包括光纜監(jiān)測模塊、光纜拓撲模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、曲線分析模塊、故障處理模塊和報表功能模塊等。各個功能模塊分別承擔著不同的任務，可以根據(jù)用戶的實際需要調(diào)用。

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計也是光纜故障定位系統(tǒng)開發(fā)過程中的重要內(nèi)容，對于故障定位控制算法的計算性能具有直接的影響，應強化對標識碼的辨識。此外由于光纜故障的類型較多，為了提高對光纜故障的應急響應速度，可以建立光纜故障的應急預案庫。當檢測到光纜出現(xiàn)了某種類型的故障之后，生產(chǎn)匹配出相應的應急處理措施，并進行輔助決策。

3.2 光纜故障定位系統(tǒng)的算法

在故障定位算法的選擇上，可以采用小波變換技術(shù)和反向傳播算法。由于采用OTDR只能對各個測試點的光信號衰減值進行測量，依然需要對OTDR曲線采用算法進行分析才能夠定位光纜的具體故障位置，此時就可以利用小波變換算法。利用小波變換算法，從頻域的角度，可以將實際的OTDR曲線分解為若干個組成成分，包括尖峰部分、突變部分、噪聲部分等。

通過小波算法和反向傳播算法的處理，可以將OTDR曲線中的突變信號部分增強，并抑制曲線中的噪聲部分，以獲取到關(guān)鍵故障信息點，實現(xiàn)對光纜故障點的定位。反向傳播算法在應用的過程中，能夠很好地與光纜的拓撲模型相互結(jié)合，分別在前向傳播和后向傳播階段進行訓練，調(diào)整權(quán)重系數(shù)。一般當光纜網(wǎng)出現(xiàn)故障之后，機房中的光端機會發(fā)出相關(guān)的無光告警信息，同時觸發(fā)測試模塊進行光路測試，得出測試結(jié)果。

四、結(jié)束語

隨著電力企業(yè)光纜網(wǎng)的規(guī)模不斷變大，結(jié)構(gòu)也更為復雜，對電力光纜網(wǎng)的運行狀況在線監(jiān)測具有較強的必要性。采用本文所述的多通路OTDR實時在線監(jiān)測技術(shù)和基于電網(wǎng)GIS應用的光纜故障定位技術(shù)，可以快速對光纜故障點進行定位，從而縮短光纜網(wǎng)的故障時間，在實際中具有較高的推廣應用價值。

參? 考? 文? 獻

[1] 徐略紅， 鄭鈞議， 伍順有，等. 基于GIS系統(tǒng)的電力光纜網(wǎng)多通路在線監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)[J]. 電子世界， 2019， No.560（02）：184-186.

[2] 王甜甜， 楊鴻珍， 吳杰，等. 智能光配系統(tǒng)中基于光纜價值量的最少OTDR全覆蓋搜索策略研究[J]. 電力信息化， 2020， 018（005）：52-57.

[3] 張浩， 張煜. 通信光纜的在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用[J]. 通訊世界， 2018， 341（10）：45-46.

[4] 徐略紅， 黃華平， 龐龍，等. 淺析電力光纜網(wǎng)多通路在線監(jiān)測與故障定位關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國新通信， 2019， 021（005）：51-54.

[5] 張曉龍， 宮賀， 余晶晶，等. 基于光纖網(wǎng)的光纜線路故障告警技術(shù)研究[J]. 智能電網(wǎng)：漢斯， 2018， 008（001）：P.87-95.