一種電力光纖實時監測系統設計

范雨辰　郭才福　林毅俊　徐凌峰

摘 要： 提出了一種電力光纖實時監測系統。根據電力光纖環網的特點進行設計，結合OTDR技術和GPRS技術，實現對光纖的實時監測。當光纖有故障發生時，第一時間向工作人員發送報警短信，同時在網站地圖上顯示故障點位置。實驗證明，該系統能在20秒內完成對光纖故障點定位，發送報警短信，以及在地圖上顯示故障點位置等操作，具有較強的實用性。

關鍵詞： 光纖監測； 電力環網； OTDR； GPRS

中圖分類號：TN929.11 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）08-14-03

Design of real-time monitoring system for electric power optical fiber

Fan Yuchen1， Guo Caifu2， Lin Yijun2， Xu Lingfeng2

（1. School of Computer Science and Technology， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China；

2. Power supply Branch Company of State Grid Corporation of China in Wenling city of Zhejiang province）

Abstract： A real-time monitoring system for electric power optical fiber is realized. The system is designed according to the characteristics of electric power optical fiber ring network， combined with OTDR technology and GPRS technology， realizing real-time monitoring for optical fiber. When a fault occurs， the system will send an alarm message to the staff and display the location of the fault on the site map immediately. The experimental results show that the system can locate the fault， send messages and display the fault location on the map in 20 seconds. The system has a certain practicality.

Key words： optical fiber monitoring； electric power ring network； OTDR； GPRS

0 引言

在電力系統中，光纖網絡傳輸數據的可靠性是電力系統生產安全、正常運行的重要保障。由于光纖網絡線路的通信容量大，一旦發生故障，就會嚴重影響正常通信，因此障礙的修復必須爭分奪秒。

傳統的光纖維護方式是采用人工方式進行的。當傳輸系統收無光時，業務設備發出故障告警，工作人員到現場通過光時域反射儀（OTDR）等設備測量出故障點位置，再到相應地點進行維修[1]。這種方式耗時較長，并且比較被動。針對上述問題，本文設計了一套光纖實時監測系統，對光纖線路進行主動監測，當有故障發生時第一時間向工作人員發送報警短信，并在網站地圖上顯示故障點位置，方便工作人員查看。

1 系統總體設計

1.1 系統結構

系統主要由以下部分組成：主控模塊，光通信模塊，OTDR光纖測距模塊，光路切換模塊，以太網通信模塊，GPRS短信發送模塊和遠端Web服務器。系統結構框圖如圖1所示。主控模塊是整個系統的核心，控制并協調其他模塊的工作。光通信模塊負責在光纖中傳輸數據。OTDR光纖測距模塊對故障光纖進行測量并返回故障點信息。光路切換模塊使光路在光通信模塊和OTDR光纖測距模塊間進行切換。以太網通信模塊負責系統和遠端服務器的通信。GPRS短信發送模塊向工作人員發送報警短信。遠端Web服務器部署在總局機房，在服務器上搭建了整個系統的網站界面，結合webGIS技術，將電力光纖實際布線情況直觀地體現到網站地圖上，當某段光纖發生故障時，地圖上會顯示故障點位置。

1.2 監測實施方式設計

光纖實時監測系統按照監測實施方式的不同，可以分為OTDR輪詢監測，光功率監測和業務設備告警監測[2]。在監測實施方式上，本系統采用自身集成的光通信模塊，在光通信模塊上傳輸數據，通過檢測傳輸數據的誤碼率來判斷光纖狀況，實現對光纖線路的監測。當誤碼率到達閾值時說明光纖線路有故障產生，這種方法不需要光功率計等設備，也不需要從業務設備中接出告警信號，保證了系統的獨立性，降低了系統成本。

1.3 監測對象設計

光纖實時監測系統按照監測對象的不同，可以分為備纖監測和在線監測[2]。在監測對象上，為了節約成本，同時因為本系統所部署的光纖網絡有一條備纖，在有光纖富余的情況下，結合實際情況，本系統采用備纖監測，不需要對原有線路進行改造，也不需要額外增加波分復用器，濾光器等器件，避免了對業務設備信號傳輸產生影響，同時降低了系統成本，保證了系統的便捷性。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊包括ARM處理器和CPLD芯片。

⑴ ARM處理器選用ST公司的STM32F103RBT6，這是一款高性能的基于Cortex-M3內核的32位處理器[3]。在本系統中，ARM處理器主要完成以下工作：控制CPLD芯片通過光通信模塊在光纖中傳輸數據，檢測誤碼率；控制OTDR光纖測距模塊對光纖進行測量，并接收返回的光纖故障點信息；控制光路切換模塊切換光路；控制以太網通信模塊與遠端服務器通信；控制GPRS短信發送模塊給工作人員發送報警短信。

⑵ CPLD芯片選用ALTERA公司的MAX II系列EPM240T100C5N，它采用新的查表（LUT）體系，具有瞬態啟動、非易失性和易用性等優點[4]。該芯片的主時鐘為50MHz，通過對它進行分頻處理，能夠獲得不同波形脈沖信號，通過光通信模塊，使信號在光纖中傳輸。

2.2 光通信模塊

光通信模塊選用1×9引腳封裝TTL電平光收發一體模塊。該模塊有TX和RX兩個光接口。該模塊接口電平為標準TTL電平，能夠和CPLD輸出的TTL電平很好的兼容。其典型應用電路如圖2所示。ARM處理器將數據發送給CPLD，CPLD將接收到的數據進行編碼處理，發送給光模塊的TD+引腳，該信號經過光纖傳輸后到達另一端光模塊，CPLD從RD+引腳提取出信號后進行解碼處理，再將數據發送給ARM處理器，ARM處理器通過計算接收到的數據誤碼率來判斷光纖狀況。同時，該模塊還提供了收無光告警信號SD，當RX接口接收不到光時，該引腳電平會從高電平變為低電平，該信號也能作為光纖產生故障的依據。

2.3 光路切換模塊

光路切換模塊選用1×2機械式光開關。其原理圖如圖3所示。該光開關為2×5雙列直插引腳封裝，通過控制引腳1和引腳10的電平高低能使光路在1--2和1--3之間進行切換。在本系統中，備纖接圖3中的port1，光通信模塊接port2，OTDR光纖測距模塊接port3。正常情況下時，光路1--2導通，通過光通信模塊在光纖中傳輸數據。當產生故障告警時，光路切換至1--3這路，開啟OTDR對光纖線路進行測量。

2.4 GPRS短信發送模塊

GPRS短信發送模塊選用華為的EM310模塊，EM310是一款GSM/GPRS雙頻無線模塊，支持EGSM900和GSM1800雙頻，提供數據、語音、短信、傳真功能。其外圍電路如圖4所示，主要包括網絡指示燈電路、啟動電路、復位電路。網絡指示燈以不同的閃爍頻率來指示模塊的工作狀況：開機、注冊網絡、發送數據等。啟動電路和復位電路接ARM處理器的通用I/O口，ARM處理器給啟動端一個大于50ms的低電平可以啟動模塊，給復位端一個50ms的低電平即可使模塊復位[5]。本系統利用GPRS網絡短信作為報警方式，當所監測光纖段發生故障時，將故障點位置，故障點類型，故障發生基站等信息發送至指定工作人員手機。

2.5 以太網通信模塊

以太網通信模塊選用ENC28J60以太網控制器。其原理圖如圖5所示。該模塊通過8個引腳與外部電路相連，這8個引腳分別是：GND、RST、MISO、SCK、MOSI、INT、CS和V3.3。其中GND和V3.3用于給模塊供電，MISO/MOSI/SCK用于SPI通信，CS是片選信號，INT為中斷輸出引腳，RST為模塊復位信號。本系統通過ENC28J60以太網控制器和LWIP以太網協議棧實現與遠端服務器的通信。

3 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，以提高軟件的工作效率。系統軟件實現的功能包括：控制光模塊在光纖中傳輸數據，檢測數據傳輸誤碼率；控制OTDR測量光纖；控制EM310模塊發送短信；控制ENC28J60以太網控制器與遠端服務器通信等。系統總體流程圖如圖6所示。

[否][否][是][系統初始化][開始][誤碼率是否達到閾值？] [是][結束][光通信模塊傳輸數據][是否繼續監測？] [光路切換模塊切換光路][開啟OTDR測量光纖][向工作人員發送短信][網站地圖顯示故障點位置]

圖6 系統總體流程圖

系統工作流程示意圖如圖7所示，以在基站A和基站B分別部署一套設備為例，正常情況下，基站A設備的光路切換模塊置于光通信模塊一路，基站A將數據發送給基站B。當基站B設備的光通信模塊產生收無光報警，或主控模塊監測到傳輸數據誤碼率達到閾值時，說明光纖線路產生故障，基站B設備的主控模塊通過以太網向安裝在總局機房的服務器報警。服務器接到報警后，向基站A設備發送相關指令。基站A設備的主控模塊收到指令后，首先操作光路切換模塊，將光路從光模塊這路切換至OTDR這路，接著開啟OTDR對光纖線路進行測量。OTDR測量得到故障點距離，將故障信息返回給主控模塊，主控模塊對信息進行處理后，控制EM310模塊向工作人員發送報警短信，并將相關信息上報至服務器，服務器在地圖上顯示故障點位置。

4 結束語

本文設計了一套電力光纖實時監測系統，從系統總體設計，系統硬件設計，系統軟件設計等方面進行了闡述。該系統不需要對原有線路進行改造，也不需要從業務設備中接出告警信號，只需一根備纖，就能對光纖進行實時監測，保證了系統的獨立性和便捷性。當有故障發生時，系統第一時間向工作人員發送報警短信，并在網站地圖上顯示故障點位置，達到壓縮故障歷時，減輕維護人員工作負擔的目的。該系統采用備纖監測，適用于光纖資源比較豐富的通信網絡。對于如何在光纖資源緊張或沒有備纖的情況下使用該系統，仍然是將來需要研究的問題。

參考文獻：

[1] 趙泰.光纖在線監測系統在電力環網中的設計與實現[D].華北電力大

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[2] 姜子炎.湖北省網光纜線路自動監測系統[D].北京郵電大學，2009.

[3] 孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應

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[4] 陳曙光.基于EPM240T的CPLD開發板設計與實現[J].高等職業教

育（天津職業大學學報），2010.3：80-82

[5] 劉成巖，孫晶華.EM310無線模塊與PIC單片機的接口設計[J].單片

機與嵌入式系統應用，2011.9：46-48