電力光纜網(wǎng)多通路OTDR在線監(jiān)測(cè)及故障定位技術(shù)分析

余希娟 常仲科 張慧峰 馬紅霞 薛亮

【摘要】? ? 本文詳細(xì)分析多通路OTDR實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和基于電網(wǎng)GIS應(yīng)用的光纜故障定位技術(shù)，通過(guò)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(cè)與故障定位系統(tǒng)，提高電力企業(yè)電力光纜網(wǎng)的運(yùn)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(cè)? ? 故障定位

引言：

電力光纜網(wǎng)一般采用OPGW光纜通過(guò)光傳輸設(shè)備進(jìn)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(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)受到外在因素或者內(nèi)在因素的影響，導(dǎo)致光纜網(wǎng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，如暴力施工導(dǎo)致的光纜外力破壞、自然條件因素導(dǎo)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(cè)及故障定位技術(shù)具有重要的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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

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

隨著電力企業(yè)運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)量的增加，如果出現(xiàn)光纜中斷情況，則會(huì)帶來(lái)較大的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，并且早期建成的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的光纜，出現(xiàn)故障的概率更大，一旦出現(xiàn)故障，將帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失，故有必要對(duì)電力光纜網(wǎng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。在早期的電纜網(wǎng)維護(hù)中，主要是采用折彎法等物理方式進(jìn)行故障排查，但這種故障排查方式容易對(duì)光纖造成損傷，并且維護(hù)的工作量也相對(duì)較大。

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前OTDR測(cè)試儀已經(jīng)在光纜維護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用[1]，這種測(cè)試儀是采用光時(shí)域反射的原理制作而成，在測(cè)試的過(guò)程中不會(huì)對(duì)光纜造成損傷，但依然做不到對(duì)光纜網(wǎng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，故這種方法依然難以滿足現(xiàn)代電力光纜網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)需求。

1.2 應(yīng)用多通路OTDR監(jiān)測(cè)技術(shù)的必要性

由于單個(gè)OTDR模塊在使用的過(guò)程中只能夠?qū)σ宦防w芯進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果需要對(duì)多個(gè)通路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于在實(shí)際中不能采用多個(gè)OTDR模塊，故需要采用多通路OTDR監(jiān)測(cè)技術(shù)。如果采用光開關(guān)對(duì)待監(jiān)測(cè)的線路進(jìn)行切換，則切換時(shí)間難以把握，切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則對(duì)發(fā)現(xiàn)故障的靈敏度不夠，實(shí)際應(yīng)用效果大大折扣[2]。如果切換時(shí)間過(guò)短，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命降低。而采用多通路OTDR監(jiān)測(cè)技術(shù)，裝置自身的模塊具備同時(shí)與多個(gè)監(jiān)測(cè)通路同時(shí)通信的能力，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜纖芯的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

二、多通路OTDR實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

2.1 光纜網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在電力企業(yè)的光纜網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)圖形的方式加以顯示。在電力企業(yè)光纜網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，對(duì)于軟件系統(tǒng)的開發(fā)，可以采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，并采用Linux操作系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行效率。通過(guò)將光纜網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的功能進(jìn)行模塊化封裝，當(dāng)某個(gè)功能無(wú)法正常使用時(shí)，排查故障的速度也較快[3]。在光纜網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，可以采用插件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于提高光纜網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，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(cè)系統(tǒng)能夠復(fù)位。在光纜網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，利用多通路OTDR實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纜中的光功率情況，當(dāng)光纜網(wǎng)中出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以上送相應(yīng)的告警信息。

在光纜網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成上，主要包括了監(jiān)測(cè)裝置、監(jiān)測(cè)服務(wù)器以及工作站等，監(jiān)測(cè)裝置所采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒?wù)器中進(jìn)行分析和處理，并將結(jié)果通過(guò)工作站展示在光纜網(wǎng)運(yùn)維人員面前，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜網(wǎng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。其中監(jiān)測(cè)裝置占用重要地位，包括了光測(cè)試模塊、光路切換功能模塊、微處理器、光功率檢測(cè)功能模塊、內(nèi)存單元、光耦合功能模塊等。同時(shí)監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)采用雙電源的設(shè)計(jì)理念，保證當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置其中一路電源故障或者失電時(shí)，依然能夠?qū)饫|網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視。

2.2 光纜監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

在光纜的監(jiān)測(cè)技術(shù)方案方面，主要包括對(duì)備用纖芯和工作纖芯進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方案，在對(duì)光纜中的備用纖芯進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方案中，由于光纜一旦出現(xiàn)故障，一般是整個(gè)光纜出現(xiàn)了斷裂或者損壞，很少情況下會(huì)出現(xiàn)單根光纖斷裂[4]。并且對(duì)備用纖芯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也不會(huì)對(duì)正常的通信業(yè)務(wù)產(chǎn)生任何影響，故這種光纜監(jiān)測(cè)方案的性價(jià)比相對(duì)較高。另外，由于備用纖芯上沒(méi)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，故測(cè)試光的波長(zhǎng)可以和正常業(yè)務(wù)光波長(zhǎng)一致，互不干擾。

在測(cè)試波長(zhǎng)的選擇上，由于1310nm和1550nm在實(shí)際中的應(yīng)用較多，故可以加以采用。同時(shí)由于波長(zhǎng)為1625nm的信號(hào)對(duì)光纜中的信號(hào)較為靈敏，即使出現(xiàn)了微小的變化，也能夠準(zhǔn)確感知，故也可以采用1625nm波長(zhǎng)。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面，也較為簡(jiǎn)單清晰。

另一種是對(duì)工作纖芯進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方案，下圖1為工作纖芯的監(jiān)測(cè)方案原理圖。

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

三、基于電網(wǎng)GIS應(yīng)用的光纜故障定位技術(shù)分析

隨著電力光纜網(wǎng)運(yùn)維工作量的增大，需要采用更為先進(jìn)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(shí)間。當(dāng)告警監(jiān)測(cè)模塊采集到光纜網(wǎng)中的光功率出現(xiàn)異常情況時(shí)，此時(shí)裝置會(huì)通過(guò)調(diào)用OTDR模塊測(cè)算與光纜故障點(diǎn)之間的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)故障光纜的距離進(jìn)行可靠的計(jì)算。在基于電網(wǎng)GIS應(yīng)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(jì)思想，通過(guò)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(diǎn)[5]。同時(shí)，將軟件系統(tǒng)分為不同的功能模塊，包括光纜監(jiān)測(cè)模塊、光纜拓?fù)淠K、數(shù)據(jù)管理模塊、曲線分析模塊、故障處理模塊和報(bào)表功能模塊等。各個(gè)功能模塊分別承擔(dān)著不同的任務(wù)，可以根據(jù)用戶的實(shí)際需要調(diào)用。

數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)也是光纜故障定位系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的重要內(nèi)容，對(duì)于故障定位控制算法的計(jì)算性能具有直接的影響，應(yīng)強(qiáng)化對(duì)標(biāo)識(shí)碼的辨識(shí)。此外由于光纜故障的類型較多，為了提高對(duì)光纜故障的應(yīng)急響應(yīng)速度，可以建立光纜故障的應(yīng)急預(yù)案庫(kù)。當(dāng)檢測(cè)到光纜出現(xiàn)了某種類型的故障之后，生產(chǎn)匹配出相應(yīng)的應(yīng)急處理措施，并進(jìn)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(duì)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的光信號(hào)衰減值進(jìn)行測(cè)量，依然需要對(duì)OTDR曲線采用算法進(jìn)行分析才能夠定位光纜的具體故障位置，此時(shí)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(shí)際的OTDR曲線分解為若干個(gè)組成成分，包括尖峰部分、突變部分、噪聲部分等。

通過(guò)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(hào)部分增強(qiáng)，并抑制曲線中的噪聲部分，以獲取到關(guān)鍵故障信息點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜故障點(diǎn)的定位。反向傳播算法在應(yīng)用的過(guò)程中，能夠很好地與光纜的拓?fù)淠Ｐ拖嗷ソY(jié)合，分別在前向傳播和后向傳播階段進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)整權(quán)重系數(shù)。一般當(dāng)光纜網(wǎng)出現(xiàn)故障之后，機(jī)房中的光端機(jī)會(huì)發(fā)出相關(guān)的無(wú)光告警信息，同時(shí)觸發(fā)測(cè)試模塊進(jìn)行光路測(cè)試，得出測(cè)試結(jié)果。

四、結(jié)束語(yǔ)

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(fù)雜，對(duì)電力光纜網(wǎng)的運(yùn)行狀況在線監(jiān)測(cè)具有較強(qiáng)的必要性。采用本文所述的多通路OTDR實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和基于電網(wǎng)GIS應(yīng)用的光纜故障定位技術(shù)，可以快速對(duì)光纜故障點(diǎn)進(jìn)行定位，從而縮短光纜網(wǎng)的故障時(shí)間，在實(shí)際中具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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