電力光纜故障定位與管理系統的設計與應用

祁利剛，李志偉

(國網河北省電力公司檢修分公司，石家莊 050070)

1 概述

國內電力系統的光纖通信經過近二十年的發展，已成為電力系統內通信的最重要手段。隨著光線路覆蓋率的逐年提高，人工維護模式面臨較多問題:無法建立對光纜通道的不間斷監測，未形成持續的光纜監測數據管理庫，無法有效監控光纜、連接器件、材料的劣化、老化過程;人工維護周期長、耗時多、排障時間長，缺乏對光纜各項維護數據的有效分析。在光纜數量、密度和復雜程度提高，承載業務越來越豐富，對實時性和可靠性要求越來越高的情況下，這些維護問題日益突出。

以持續光功率監測技術、光時域反射儀(OTDR)遠程自動測試、嵌入式操作系統軟件技術為主體的電力光纜故障定位與管理系統集光纜監測、告警、故障分析于一體，及時發現光纜線路劣化、老化及中斷等故障數據，減少障礙歷時，變被動維護為主動維護，從而實現光纖物理網絡的智能監控和維護管理，為電力系統通信光纜網絡的安全穩定運行提供保障［1］。

2 系統的組成

電力光纜故障定位與管理系統在結構上可分為兩層，即集中監測與管理層(主站)、遠程監測單元層(子站)。

集中監測與管理層(主站)由服務器、操作員站、工程師站、通信管理機、GPS 時鐘、短信服務器、打印機等構成，主要實現對光纜網絡監測數據的存儲、記錄其狀況和分析對比，光纜狀態評估，告警等信息發布，實現對光纜網絡資源的管理功能。

遠程監測單元層(子站)主要由遠程電力光纜故障定位與管理單元組成，主要完成對光纜監測數據采集及預處理，通過網絡上傳信息，當發現光纜異常時，自動判斷和分析故障信息，通過OTDR 進行故障定位并及時匯報;增配光保護單元模塊，可對在用光通道提供保護功能;配備監視等設備，可實現就地監視和管理功能;主要包括遠程監測單元RTU、集成監測單元CTU、測試單元TU 等。

電力光纜故障定位與管理系統結構示意見圖1。

圖1 電力光纜故障定位與管理系統結構

遠程電力光纜故障定位與管理單元RTU、CTU、TU 根據網絡配置要求，由光功率監測模塊(OPM)、光開關模塊(OSW)、光時域反射儀模塊(OTDR)、主控模塊(MCU)、電源模塊(PWU)、光保護模塊(OASM)等插件配置而成的不同硬件組合。主站層與遠程子站層通過網絡進行數據和信息交換。

3 系統的工作原理及故障定位方式選擇

3.1 工作原理

監測子站的光功率監測模塊的采集單元對被測光纖的光功率進行監測采集，并將采集的數據傳報到光功率控制單元，光功率控制單元對監測的光功率數據進行分析，將超過告警門限的光功率數據及時傳報給監測中心，監測中心對各個光功率控制單元傳報的數據進行分析、統計，對發生超門限值的光功率變化進行告警、統計、判斷出發生故障的光纜段，自動快速地啟動監測站的光時域反射測試儀和光開關對故障光纜段進行測試，測試后所得的曲線數據上傳監測中心，監測中心將監測曲線與參考曲線進行分析比較，確定故障點的位置、類型和告警級別，可采用多種方式告警。

3.2 故障定位方式選擇

電力光纖傳輸網的網絡拓撲結構多以環形或鏈形的方式實現，針對電力系統光纖傳輸網的主要特點，目前常用的電力光纜故障定位方式有3 種:備纖監測、在線監測和跨段監測。

3.2.1 備纖監測方式

備纖與其他工作光纖都在同1 根光纜中，因此備纖的性能基本上可以反映整根光纜包括工作光纖的性能。由于對在線光纖的監測需要在變電站添加波分復用器，增加了投資，所以通過對備纖的監測，來實現對整根光纜(包括工作光纖和備用光纖)的監測，就是一種非常好的方案，當投資有限時就可以采用這種方式［2］。備纖監測的原理示意如圖2所示。

圖2 備纖監測原理示意

3.2.2 在線監測方式

在線監測方式利用的是波分復用的原理，將測試波同工作波復合到一起，利用光纖傳輸復合波來進行測試。在線監測因為需要復用與解復用，因此，在變電站里需要添加相應的合波與分波設備。

3.2.3 跨段監測方式

當系統中所要測試的光纖線路比較短，OTDR的動態范圍可以達到測試多個變電站多連接的光纖時，為了對光纖段進行連續測試，需要使用跨段測試的方法。這種跨段測試的方法是對在線光纖進行測試的最基本的測試方法，其他的測試方法都是建立在這種測試原理基礎之上的。跨段測試的方法主要是利用了波分復用的原理，通過對光波的合波、分波等一系列過程完成相應的測試功能［3］。綜合考慮以上3 種監測方式的優缺點和實施成本，最終選取備纖監測的方式進行電力光纜故障定位與管理系統的設計。

4 系統的關鍵技術及功能

4.1 系統關鍵技術

a.持續光功率監測:在由光源、光功率監測模塊構成的監測通道上，通過建立一個小型的單片機系統，實現循環測試、精確AD 轉換、量程控制、對多點的監測路數控制，檢查結果通過規約向嵌入式系統上報;

b.嵌入式操作系統采用Linux 操作系統內核，支持實時系統的一系列特征包括多任務、中斷支持、任務搶占式調度和循環調度。采用微內核設計使Linux 縮減系統開銷并可加速對外部事件的反應。

c.利用Windows 操作平臺、Oracle 數據庫基礎上開發系統管理軟件，建立各類功能管理模塊;采用特定算法建立曲線分析、事件分析模型。

4.2 系統的功能

a.系統提供多種測試功能和多樣測試功能組合，可根據不同需要設置測試周期和測試參數;

b.系統提供芯線每日測試記錄、多種日志查詢等多項完整的歷史數據，可查詢并以報表形式打印和保存;

c.當系統確認故障點距離后，能夠根據光纜路由上的節點(如人孔)距離及光纜繞線余長，利用特定的算法，準確定位出故障點，為故障搶修提供最直接最準確的信息;

d.系統提供WEB 查詢功能，可通過瀏覽器的方式查詢監測系統的最新數據;

e.系統可提供對光纜、光交接箱、光分線盒、光接頭盒等設備信息的編輯查詢等功能，并能自動生成光設備的展開圖、光纜網絡圖、路由圖及熔接圖;

f.系統提供完整的即時故障告警方式，并可彈性配置，系統可在極短時間內即時反映故障信息并第一時間采用短信、Email 和現場聲光等多種告警方式及時通知相關人員通知相關維護人員;

g.系統采用模塊化設計，擴容時也不會影響原有系統的監測功能。

5 系統的應用及效果

5.1 應用情況

目前河北檢修公司負責維護的500 kV 線路OPGW 光纜28 條，線路長度2 360 km，日常光纜運行維護主要通過定期對光纜的外觀進行運行巡視、專業巡檢，每年對各條線路光纜備用纖芯定期進行一次光纖衰耗參數性能測試。如果光纜故障發生在2 次巡檢測試中間，維護人員就不能立即獲得光纜故障情況，只有在設備光路中斷的情況下造成業務中斷，才能去現場判斷故障點。

電力光纜故障定位與管理系統的在線監測裝置對OPGW 光纜的備用纖芯進行實時監測，一旦光纜發生衰耗增大、斷芯等故障時，儀器都會產生告警，通信人員收到告警后能夠及時對發生問題的纖芯進行故障點定位，并及時安排人員對光纜斷點進行修復，避免光纜的破損情況進一步擴大，縮短由于光纜故障所引起通信中斷的時間，從而提高光纜的運行率，保證通信網安全可靠運行。

電力光纜故障定位與管理系統由監控中心、遠端光纖測試單元RTU 和輔助測試光源、光功率計等組成。綜合考慮工程和技術方面的需要，選擇一段36 芯OPGW 光纜作為監測對象，根據所選線路各站點的分布情況，監控中心設在檢修公司通信監控中心，監控中心與遠端RTU 間通過電力專用以太網連接;根據光纜線路各網段的光纜光芯的實際使用狀況，試驗網的監測方式采用備纖監測方案，以有效減低試驗成本，OTDR 的測量波長選用1 550 nm。試驗點選擇光纜線路上相鄰的3 個站點A 站、B 站和C 站(A 站為保北站、B 站為清苑站、C 站為石北站)，B 站距A 站55 km、距C 站95 km，兩站均處于OTDR 的有效精度測量范圍內，是典型的鏈路監測，試驗成本較低。

在B 站－A 站、B 站－C 站間利用光纜線路的備用纖芯，建立一條光功率監測鏈路，實時采集監測數據，持續監測線路光功率變化。采用波長為1 550 nm 的OTDR 建立B 站－A 站、B 站－C 站的測量監測鏈路，通過嵌入式系統實現OTDR 測試管理、周期測試、點名測試的等內容。由監控中心建立OTDR 采集數據曲線分析程序、事件分析模型，建立故障的甄別和故障定位方法;同時監測中心還要建立系統管理、局站管理、網絡拓撲管理、數據接口等專項模塊，實現智能化管理要求。

在B 站配置有OTDR 模塊的光纜自動監測設備(RTU)，對光纜中的被監測光芯進行實時監測，并記錄其監測狀況并分析對比。當由于線路性能變化而引起RTU 內光功率監測電路發生門限告警時，將自動觸發OTDR 進行線路測試，并及時匯報給控制中心，以判斷和分析故障信息，作出準確的故障定位;控制中心將測試結果以短信等方式在第一時間內提供給維護部門，從而大大縮短故障恢復時間。電力光纜故障定位與管理系統原理圖如圖3所示。B 站安裝的電力光纜故障定位與管理裝置如圖4所示。

圖3 電力光纜故障定位與管理系統原理

圖4 B 站電力光纜故障定位與管理裝置

通過對被監測光芯進行實時監測和周期測試在監控中心的監控主機上得到測量數據，光芯的測試曲線如圖5所示，光芯的測試數據如圖6所示，測量數據與工程原始數據進行比照，可以對線路自建設投運后的光纜情況作出分析，得出光纜劣化和老化的數據，為后續維護預判創造了條件。目前，電力光纜故障定位與管理系統已成功應用于500 kV 北清線、清保線OPGW 光纜。

圖5 光芯的測試曲線

圖6 光芯的測試數據

5.2 應用效果

通過河北省南部電網500 kV 變電站的試點建設，電力光纜故障定位與管理系統的應用取得了如下效果:

a.光纜維護單位能夠實現對光纜線路狀態的實時監控，隨時掌握網絡運行環境的狀況;

b.通過試點網的建設，及時掌握目前光纜線路的真實數據，對線路投運后的光纜線路質量進行評估，及時跟蹤光纜線路的劣化和老化數據，及時發現故障隱患，并可做到防患于未然;

c.及時反饋傳輸光纜故障及故障點，能盡量縮短維修故障的時間，以降低故障產生的負面影響，并可為維護單位提供有效的工作指導，通過對基層監測數據的采集、整理、分析，為500 kV 線路的電力光纜故障定位與管理系統建設積累經驗，為全線路的推廣創造了條件。

6 結束語

電力光纜故障定位與管理系統是在河北省南部電網中首次應用，通過本系統對電力光纜進行實時監測，一旦光纜性能指標(衰減、色散)下降或者光纜單芯中斷，系統都會產生告警信息，對于狀態檢修工作和故障預先判斷提供了有利的技術支持。隨著光纖通信技術的發展，目前電力系統的各類業務都是通過OPGW 光纜承載的，對于承載較重要業務的光纜安裝本系統可以實時掌握運行光纜的狀態，避免一些可控故障的發生。

［1］吳聰華.光纜在線監測系統［J］.光纖與電纜及其應用技術，2004(6):24-26.

［2］趙子巖，劉建明，張凱穗.電力系統光纖傳輸網絡在線監測系統［J］.電力系統通信，2003，24(2):1-4，12.

［3］張娟娟.淺談光纜在線監測系統在供電企業的應用［J］.貴州電力技術，2010，13(9):52-54.