基于光纖芯遠程交換技術(shù)的電力光網(wǎng)全流程智能運維評估

張源， 張凱， 原軍， 藥煒

(國網(wǎng)山西省電力公司太原供電公司,山西 太原 030012 )

0 引 言

光纖芯交換是光纖通信網(wǎng)絡(luò)通道參數(shù)測試、光鏈路切換、路由數(shù)據(jù)收集和通信質(zhì)量維護等工作的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)光纖芯交換模式是基于人工操作的，這種方式受到地理位置、人工操作效率低和操作工序復(fù)雜等因素的影響，不能夠滿足現(xiàn)階段大量光纖通信的要求。

目前針對光纖芯遠程交換的研究較少。文獻[1]提出了基于光纖遠程交換技術(shù)的電力光網(wǎng)故障搶修新策略;文獻[2]提出了基于光纖交換系統(tǒng)的電力光通信運維新模式;文獻[3]針對光纖芯遠程智能交換系統(tǒng)的電力運用進行了分析;文獻[4]針對電力通信系統(tǒng)中遠程光交換技術(shù)理論進行了研究;文獻[5 ]針對遠程仿真系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)智能交換的研究與應(yīng)用進行了分析;文獻[6]提出了基于預(yù)期損失模型的電力無線專網(wǎng)運行質(zhì)量量化評估方案;文獻[7]提出了一種基于FMECA的電力通信網(wǎng)運行風(fēng)險評估方法；文獻[8]提出了基于層次分析法的配電通信網(wǎng)運行風(fēng)險量化評估方法；文獻[9]提出了一種智能配用電通信網(wǎng)運行風(fēng)險綜合評估系統(tǒng)。以上文獻大多針對傳統(tǒng)通信網(wǎng)，而針對光纖芯遠程交換的評估仍然不足。

鑒于上述研究成果在光纖芯交換技術(shù)中并未涉及智能運維和評估的內(nèi)容，本文針對光纖芯遠程交換技術(shù)以及運維智能評估進行了分析，從而提升光纖芯交換技術(shù)運維評估水平。

1 光纖芯遠程交換方案

光纖芯遠程交換系統(tǒng)解決了光纖芯交換的人工操作問題，能夠通過計算機通信、測控技術(shù)和光傳輸原理，實現(xiàn)對光節(jié)點站交換設(shè)備和主站網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之間的實時通信和動態(tài)交換，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖芯遠程交換模塊結(jié)構(gòu)

本文所提出的光纖芯遠程交換系統(tǒng)包括對接設(shè)備、光測試設(shè)備、主控器、信號傳輸設(shè)備和控制中心等。光纖遠程對接設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)光纖芯的對接操作；光測試設(shè)備能夠測試光纖性能參數(shù)；主控制器用于控制光纖芯遠程對接設(shè)備進行光纖芯的自動對接，同時控制光測試設(shè)備，發(fā)出光纖性能參數(shù)測試的整體信號等；信號傳輸設(shè)備能夠接受主控器發(fā)出的信號，并進行信息傳輸；控制中心負責(zé)信號收發(fā)的傳輸中樞，實現(xiàn)信息監(jiān)測的控制。

故障監(jiān)測模塊用于傳輸信號過程中對出現(xiàn)的中斷和誤碼進行檢測，并且將數(shù)據(jù)傳送至控制中心。當(dāng)故障監(jiān)測設(shè)備檢測到業(yè)務(wù)傳輸過程中出現(xiàn)信號中斷和誤碼率較高的情況時，需要下達指令進行光纖運行情況檢測；如果出現(xiàn)異常則需要解除原有光纖通信連接關(guān)系，通過更改光纖跳接的位置，完成故障修復(fù)。流程如圖2所示。

圖2 光纖芯遠程交換流程

(1) 遠端主站需要通過通信單元發(fā)送遠程操作指令至處理器模塊。

(2) 通過處理器模塊對收到的信息和指令進行解析，獲取需要跳接的兩個纖芯接口，確定新模塊上的具體位置信息。

(3) 通過確定當(dāng)前位置纖芯接口模塊上各接口的連接狀態(tài)，判斷需要調(diào)節(jié)的兩個纖芯接口當(dāng)前是否已有光纖插入。如果沒有則不可以繼續(xù)進行操作，如果已經(jīng)至少有一個光纖已插入接頭則可以繼續(xù)操作。

(4) 接著對纖芯接口進行交換操作。通過本文所提的方法能夠?qū)崿F(xiàn)兩個纖芯接口的自動調(diào)節(jié)。

利用本文所提的光纖芯遠程交換方法，能夠避免光纜出現(xiàn)故障時檢修人員的現(xiàn)場光纖跳接操作，縮短了故障修復(fù)時間、降低了運維成本。另外，所提方法還能夠解決遠程光纖纖芯自動交換問題，提高光節(jié)點鏈路切換效率和光通道測試自動化水平，降低運維成本，實現(xiàn)光纜運維智能化。同時，在光纖遠程自動交換、性能監(jiān)測和故障處理方面，可以應(yīng)用于快速故障切除和故障修復(fù)等。

2 智能運維平臺

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電力光網(wǎng)絡(luò)智能運維平臺架構(gòu)如圖3所示。以故障信息系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、電力通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、設(shè)備檢修狀態(tài)系統(tǒng)和安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對光纖通信網(wǎng)絡(luò)的智能檢修平臺構(gòu)建。由于光纖通信網(wǎng)絡(luò)是與電力系統(tǒng)密切結(jié)合的，因此，需要對信息模型作進一步分析。

圖3 電力光網(wǎng)絡(luò)智能運維平臺架構(gòu)

在傳統(tǒng)電網(wǎng)的信息模型基礎(chǔ)上，針對通信網(wǎng)絡(luò)信息模型做進一步細分，得到設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模型、視頻環(huán)境信息模型、作業(yè)管理信息模型、設(shè)備評價信息模型以及通信網(wǎng)絡(luò)信息模型。這類信息模型是實現(xiàn)對光纖通信網(wǎng)絡(luò)全流程智能化運維的底層數(shù)據(jù)。利用信息模型得到運維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。首先需要確定通信線路與電力系統(tǒng)相連的變電站等信息，由于通信光纜需要檢修，因此需要得到光纜檢修日常運維數(shù)據(jù)，進而得到光纜缺陷信息。通過模型臺賬、氣象信息、遙信遙測遙控信息和其他信息綜合構(gòu)成了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

在運維具體操作過程中主要分為實時數(shù)據(jù)管理、實時預(yù)警、運行評估和系統(tǒng)分析。實施數(shù)據(jù)管理，主要針對光纖通信的運行數(shù)據(jù)以及檢修數(shù)據(jù)。實時預(yù)警主要針對光纖通信進行故障定位和異常信息定位。運行評估體系能夠通過鏈路、路由和光纖接口進行整體性能評估。系統(tǒng)分析需要對光纖通信的各類信息進行綜合處理，形成可視化展示平臺的應(yīng)用。

2.2 硬件架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖4所示，光纖通信系統(tǒng)通過云端進入測試環(huán)境系統(tǒng)。測試環(huán)境系統(tǒng)由主機和防火墻組成，能夠防止信息丟失和信息盜竊等。通過云端與一體化運維平臺主站相連，主站平臺設(shè)有Web服務(wù)器、接口服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等，能夠?qū)崿F(xiàn)運維平臺的操作服務(wù)和功能實現(xiàn)。通過以太網(wǎng)進行連接，實現(xiàn)與系統(tǒng)主站的通信關(guān)系。

圖4 一體化運維平臺硬件示意

2.3 運維平臺功能

光纖芯遠程交換系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞴夤?jié)點站中的主要資源進行遠程操控，實現(xiàn)對光纖資源使用情況的實時掌握，從而方便對光纖資源進一步調(diào)度，從運行和管理方面提升資源的使用效率。最終通過圖形化管理界面實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)資源的可視化、遠程化和智能化。運行人員還可以通過狀態(tài)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)實時查詢和統(tǒng)計分析，從而不斷提升光纖數(shù)據(jù)資源的完備性和一致性，保證通信系統(tǒng)的可靠運行。

通過部署在光纖主站網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的圖形窗口，可以分類別、分項目查看電網(wǎng)光纜分布的位置情況、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)光纖性能、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布以及負載情況，從而實現(xiàn)對光纖運行過程中的損耗、溫度和應(yīng)變進行全流程監(jiān)督。

由于數(shù)據(jù)獲取方式較為多樣，因此可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的維度進行可視化展示，通過不同的數(shù)據(jù)水平和數(shù)據(jù)方式切換數(shù)據(jù)格式，得到不同情況下的數(shù)據(jù)重要程度排序，可以查看相應(yīng)線路的光纖性能和承載業(yè)務(wù)等信息，實現(xiàn)對多個站點和融合站點的光纜信息動態(tài)查詢。

由于目前電力系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守和操作的方向較為明顯，因此光纜運維也逐漸呈現(xiàn)遠程化趨勢。

隨著電網(wǎng)智能化水平的提升，各項設(shè)備的運維也呈現(xiàn)智能化態(tài)勢：通過對光纜運維的水平提升實現(xiàn)光纜運維智能化；通過主站網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)查詢相關(guān)的光纜投產(chǎn)、運行和退役全壽命周期的信息，建立該光纜的信息檔案；通過數(shù)據(jù)庫對比分析光纜的溫度、應(yīng)變、運行時間以及功率損耗之間的關(guān)系，實現(xiàn)光纜全壽命周期的狀態(tài)預(yù)警、檢修預(yù)警等功能；通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化以及數(shù)據(jù)動態(tài)發(fā)展趨勢，實現(xiàn)多種方式的運維智能化水平。當(dāng)處于某種運行狀態(tài)時，光纜的數(shù)據(jù)，例如溫度和應(yīng)變等，可以實現(xiàn)實時推送和動態(tài)上傳，將光纜運維信息實現(xiàn)無人化上傳，從而推進光纜的運維智能水平的提升。

3 基于層次分析法的運行評估方法

3.1 評價指標(biāo)

將電力光網(wǎng)運行狀態(tài)評價A設(shè)為目標(biāo)層，節(jié)點業(yè)務(wù)評價B1、鏈路業(yè)務(wù)評價B2和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)評價B3作為準(zhǔn)則層，兩個節(jié)點指標(biāo)C1j(j=1,2)、兩個鏈路指標(biāo)C2j(j=1,2)和一個網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)C3j(j=1,2)作為B1、B2和B3的指標(biāo)層，構(gòu)建電力光網(wǎng)運行評價指標(biāo)體系，如圖5所示。

圖5 運行評價指標(biāo)

3.2 基于層次分析法的運維評估

具體的評價流程如下：

步驟1：采用改進AHP確定評價指標(biāo)的主觀權(quán)重Wj,1。

步驟2：采用熵權(quán)法確定各指標(biāo)客觀權(quán)重Wj,2。

步驟3：結(jié)合主客觀權(quán)重求出各指標(biāo)綜合權(quán)重值Wij。

步驟4：通過加權(quán)平均得到電力光網(wǎng)運行質(zhì)量綜合評價指數(shù)P(t)，通過綜合評價指數(shù)P(t)的大小反映和評價光網(wǎng)運行水平。

步驟1的具體計算流程如下：

(1) 構(gòu)建判斷矩陣。利用專家對節(jié)點業(yè)務(wù)、鏈路業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)評價結(jié)果構(gòu)建重要性量化和排序，得到判斷矩陣，具體方法如下。

根據(jù)專家咨詢結(jié)果得到n個指標(biāo)的重要性排序為x1≥x2≥…≥xn，對xi與xi+1進行比較，將其對應(yīng)的標(biāo)度值記為ti，然后按照指標(biāo)重要程度的傳遞性計算出判斷矩陣中的其他元素值，最后得到如下判斷矩陣。

(1)

(2) 層次總排序。計算各層綜合權(quán)重并排序[10]，依據(jù)表1進行計算。

表1 層次總排序

表1中:b1、b2、…、bn為B層對于A層的指標(biāo)權(quán)重系數(shù);C11、C12、…、Cmn為C層對于B層的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。通過一致性檢驗后可得到各個指標(biāo)的相對重要性。

步驟2的具體計算流程如下：

(1) 對于n×m維度評價指標(biāo)的問題，形成原始矩陣如下：

(2)

(3) 計算第j項指標(biāo)值的比重fij。

(3)

則第j項指標(biāo)值的信息熵為：

(4)

式中：k=1/lnm。

第j項指標(biāo)值的熵權(quán)值計算式如下：

(5)

式中:(1-Hj)為j項指標(biāo)的信息效用值。信息效用值越大，對評價的重要性越大，權(quán)重也越大。

本文所提綜合權(quán)重計算公式如式(6)所示。

(6)

最終通過加權(quán)平均得到綜合評價指數(shù)P(t)。

(7)

式中:Wj為第j指標(biāo)的綜合權(quán)重；yj為第j個指標(biāo)數(shù)值。

3.3 算例分析

根據(jù)專家打分，得到某光纖系統(tǒng)的判斷矩陣和主觀權(quán)重如表2～表5所示。

表2 判斷矩陣與指標(biāo)權(quán)重(1)

表3 判斷矩陣與指標(biāo)權(quán)重(2)B1C11C12 ωiC111.000.500.331C122.001.000.669表4 判斷矩陣與指標(biāo)權(quán)重(3)B2C21C22 ωiC211.001.330.505C220.751.000.495

表5 判斷矩陣與指標(biāo)權(quán)重(4)

利用熵權(quán)法得到客觀熵權(quán)和綜合權(quán)重如表6所示。

表6 指標(biāo)綜合權(quán)重計算結(jié)果

最終根據(jù)專家打分,將分值歸一化后乘以相應(yīng)的權(quán)重，得到總分值。

4 結(jié)束語

通過本文所提的新型運維模式可以實現(xiàn)對光纖通信中通常引發(fā)的光纜纖芯跳接等故障進行及時有效維護。通過智能化水平的提升，可以實現(xiàn)光路切換工作的有效和快速執(zhí)行。通過測試業(yè)務(wù)可以減少人工成本，同時在受地形所限地區(qū)業(yè)務(wù)，恢復(fù)時間方面也可以得到較大提升。因此，光纖芯遠程交換系統(tǒng)不僅能夠提升工作效率，而且還可以降低成本。在電網(wǎng)繼電保護系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)可靠性水平逐漸提升的同時，將相應(yīng)的業(yè)務(wù)承載于電力光通信網(wǎng)絡(luò)中，能夠提升電網(wǎng)保護和自動化運行水平，減少線路停電帶來的損失。

本文提出的基于層次分析法的運行評估方法能夠結(jié)合主觀權(quán)重和客觀權(quán)重對光纖運行狀態(tài)進行綜合評價，具有較強的可操作性和良好的評價效果，可以為光纖芯遠程交換運維提供相應(yīng)參考。