區域電網光纜線路智能監測系統的數據傳輸技術研究

何書毅+吳春吉+龍致遠+黃孫新

摘 要： 以區域電網光纜線路智能監測系統為研究對象，對其數據傳輸技術進行研究。采用數據庫技術、計算機技術、GIS技術、網絡通信技術、OTDR測試技術，對電網光纜線路智能監測系統的組成及功能、系統結構設計、系統關鍵模塊OTDR光纜智能監測的實現、GIS光纜監測故障位置的判斷、GIS光纜故障智能監測定位進行研究，系統通過對數據庫存儲的光纜線路地標信息的使用，經OTDR測試，可直接將故障信息顯示在地標信息上，提供準確直觀可視化故障信息給維護人員，使運維成本得到進一步降低，避免通信中斷造成系統癱瘓引起的損失，這為今后應用區域電網光纜線路智能監測系統數據傳輸技術提供參考。

關鍵詞： 光纜； 智能監測系統； 傳輸技術； OTDR

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）13?0118?04

Abstract： The optical fiber line intelligent monitoring system of regional power grid is taken as the research object， and its data transmission technology is studied. The database technology， computer technology， GIS technology， network communication technology and OTDR test technology are used to study the composition and functions of the optical fiber line intelligent monitoring system， system structure design， OTDR optical fiber intelligent monitoring implementation of the system key module， fault location judgment of GIS optical fiber monitoring， and location of GIS optical fiber fault intelligent monitoring. The system using the optical cable line landmark information stored in database is tested with OTDR to display the landmark information of the fault location directly， provide the accurate and intuitive visual fault information to the maintenance staff， reduce the maintenance cost further， and avoid the loss of system breakdown caused by communication interruption， which provides a reference for the future application of the optical fiber line intelligent monitoring system of regional power grid.

Keywords： optical cable； intelligent monitoring system； transmission technology； OTDR

0 引 言

區域電網實質上屬于一種區域電力的市場模式，其特點是以區域性的電力系統為基礎[1]。保障電力系統生產安全和高效運行的是光纖傳輸網絡[2?5]。隨著數據通信量的不斷增長，光纜通信是信息傳輸的主要媒介，其具有越來越重要的作用，但因光纖具有較大的容量，在發生故障時，中斷時間較長，會導致無法彌補的損失[6?9]。 要做到電力系統安全穩定，就要在光纜線路的傳輸性能正常運行到突然出現下降時進行預警[10]。智能在線監測是電力體系光纜線路的發展趨勢。

目前，隨著智能電網的快速發展與普及，區域電網光纜通信智能檢測傳輸數據技術變得日益重要。在電力系統引入各種通信技術、設備、系統的過程中，不斷有新問題出現，因而電力通信系統的光纜通信智能檢測管理就需要更進一步的智能化和便捷化[11]。光纜智能監測系統的主要技術有四類，分別為光功率實時監測、自動控制、光時域反射和數據庫等技術[12]。本文以區域電網光纜線路智能監測系統為研究對象，對其數據傳輸技術進行研究。

1 光纜通信的基本原理

光纜通信的載波為激光，傳輸媒質為光導纖維，通過光纖進行信息傳輸。光纜通信系統由四部分組成，分別為光發射機、光中繼器、光纜、光接收機。光纜通信的傳輸原理實質是信息經過光發射機處理后，轉換成電信號，然后經過電光轉化和調制，將電信號轉化為光信號，波長經波分復用技術進行調整，最后進入光纜傳送，若進行長距離傳輸，則使用中繼器放大信號，然后繼續進行傳輸。傳輸到接收端時后，光信號經光接收機的電光轉換，變為電信號，在放大和解調后，輸出原信號，圖1為光纖通信系統圖。

2 光纜智能監測系統總體設計

2.1 系統的組成及功能

光纖智能監測系統由總監測中心GMC、區域監測中心LMC、監測終端MT、監測站MS、光功率監測模塊OPM等組成。系統包含五種主要的技術，分別為數據庫技術、計算機技術、GIS技術、網絡通信技術、OTDR測試技術，這五種技術是測試傳輸線路光纖的專用技術。該系統可實時監測光纖網絡的狀況，完成對光纖的自動測試，光纖細微變化也被隨時記錄，通過與資源系統進行結合，可實現對光纖故障點、原因的快速確定，使得故障歷時得到大幅縮短，圖2為光纜智能監測系統的組成。

2.2 光纜智能監測系統的功能

光纜智能監測系統監控用來監測光纖損耗狀況，以智能在線監測方式、自動方式進行光纖狀況的測試，可快速、方便構成OSI，具有友好的計算機網絡人機界面，支持漢字，容易安裝。按規定周期，LMC將被監測光纜線路運行狀況的數據文件傳報給GMC；在光纜線路中，當被監測光纖有障礙產生時，LMC對故障點位置可迅速、準確的進行確認，從而壓縮障礙歷時，對搶修進行配合。

光纖要實現全面的智能在線網絡監測，則必須要實現4個功能，即實時監測功能、光纖路由及地標管理功能、檢測狀態檢查功能、檢測數據管理功能，同時還需要有領先的數據庫管理文件等技術，圖3為光纜智能監測系統的功能。

2.3 光纜智能監測系統結構設計

光纜智能監測系統結構采用三層體系結構，分別為應用層、中間層、數據層。體系結構將數據存儲、圖形和數據結果展示、應用處理合理分開。空間數據庫管理進行系統圖形數據的引擎處理，Web GIS服務器進行Web數據的發布處理，業務應用服務器進行業務數據的處理。通過三層結構，數據庫服務器上的一部分數據處理工作和計算工作，可轉移到應用服務器上進行處理，這樣數據庫服務器處理壓力就得到大幅的減輕。從而使數據庫服務只管理數據存儲。系統采用GIS平臺顯示圖形和處理數據，GIS處理圖形的功能非常強大。系統負荷分配均勻，數據與圖形處理能力較高，圖4為光纜智能監測系統體系結構。

2.4 光纜智能監測系統軟件結構設計

光纜智能監測系統軟件由三部分組成，分別為光纜數據采集層、界面層、邏輯處理層。采集系統實時運行信息、光纜實時數據，主要由數據采集層進行；各種功能界面由界面層提供給用戶；處理邏輯業務由邏輯處理層進行，這樣，系統的GIS管理、資源管理、故障管理等主要業務功能就得到實現。在不同操作平臺上軟件系統都可以運行，具有跨平臺性和可移植性。

圖5為光纜智能監測系統軟件結構設計，系統功能組由三部分組成，即系統支撐管理功能組、外部接口功能組、網絡管理功能組。各功能組又包含許多功能模塊，各模塊間通過松耦合進行組織，可部署在不同硬件環境下。系統各模塊分在線運行和離線仿真兩種狀態，系統運行后，各模塊均為在線運行狀態。在離線狀態下，系統再現網絡故障，通過對故障影響業務進行分析，積累維護經驗。

2.5 系統關鍵模塊OTDR光纜智能監測的實現

光纜纖芯的智能在線監測、統計分析可通過光纖外置OTDR實現，并且可自動生成定檢結果報表，可對單根光纖、完整光纜鏈路特征進行評估，為故障點定位工作提供了方便，光纖通信傳輸質量也得到了提高。系統通過對數據庫存儲的光纜線路地標信息的使用，經OTDR測試，可直接將故障位置顯示在地標信息上，提供準確直觀可視化故障信息給維護人員。

圖6為OTDR模塊的工作原理，由圖6可知，通過USB線，OTDR模塊與PC進行連接，程序指令通過USB線纜，從PC機傳輸給OTDR單元，OTDR單元進行數據采集。在OTDR 測試回路中，脈沖發生器產生脈沖，然后驅動LD，進而生成光脈沖，通過方向耦合器后，進入到待測光纜，然后產生反射光，進入雪崩二極管，再轉換成電脈沖，經反復傳送、收集、放大處理后，再在顯示器 CRT上顯示波形，圖7為OTDR測試模塊。

3 GIS光纜監測故障的判斷與定位

3.1 GIS光纜監測故障位置的判斷

當光纖故障被監測到后，通過GIS定位技術轉換光纜路由圖和距離，獲得光纖故障位置的智能判斷，故障纖長將被自動轉換為路面實際位置，在GIS畫面上呈現出來。根據光纜故障智能監測系統可判斷光纜故障的位置，在系統告警同時啟動OTDR，在進行故障光纖測試后，對比參考曲線，結合工程參考點信息，進而輸出光纖故障位置。

圖8為計算故障點地理位置示意圖。

根據光纖所在光纜屬性和故障纖長，對光纖故障點在光纜的位置進行計算，計算公式為：

式中：故障點與測試地標點a間的光纜長度用表示；故障點與測試裝置a間的光纖長度用表示；光纜絞縮率用表示。

根據地標位置分段敷設方式，起始地標點到路徑上任意地標點光纜長度為：

式中：地標點與地標點之間的光纜長度用表示；地標點與地標點的路面距離用表示；地標點0與地標點的光纜長度用表示。

光纜長度轉換為地面距離的公式如下：

式中：地標點與地標點的路面距離用表示；光纜長度用表示；光纜彎曲率用表示。通過GIS技術計算出路面相距的光纜故障點地標信息，并展現在GIS地圖上。

3.2 GIS光纜故障智能監測定位

以OTDR采集數據為基礎，采用故障點地理位置分析算法判斷光纜事件，將事件點與標準曲線進行比較，判斷是否超出事件門限范圍，同時生成對應報告。分析光纜事件，給出每段光纜測試的數據數組，光纜事件點位置、事件類型可自動分析出，圖9為故障分析流程。

光纜故障智能監測分析流程表明，系統通過事件點和參考曲線事件損耗差值是否超過事件門限值進行對比，如果超過就進行告警。通過這種光纜故障智能監測分析，從而發現光纜故障，并對故障位置進行定位。系統通過對地標技術的運用，對故障點實際位置進行判斷，同時自動在GIS地圖上將故障點位置標出，圖10為光纜故障的智能監測。

4 結 語

本文以區域電網光纜線路智能監測系統為研究對象，對其數據傳輸技術進行研究。系統通過對數據庫存儲的光纜線路地標信息的使用，經OTDR測試，可直接將故障位置顯示在地標信息上，提供準確直觀可視化故障信息給維護人員，運維成本得到進一步的降低，避免通信中斷造成系統癱瘓引起的損失，為今后區域電網光纜線路智能監測系統數據傳輸技術的應用提供了參考。

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