三維圖形技術在電網通信光纜監測系統中的應用

國網江蘇省電力有限公司南通市通州區供電分公司 張偉建 韓 佳

通信技術的迅猛發展，在我國各大領域匯中得到了廣泛的應用，通信技術不僅傳輸穩定、存儲容量大、不易被腐蝕，且遠距離傳輸也具有較強優勢。但光纜易損壞的問題會導致電網通信質量和效率下降，通過控制程控光開關、光時域反射儀可實現光纜的損壞測試，根據光纜長度、反射損耗、平均損耗、分布位置等可準確監測到光纜出現故障的位置，為電力部門對光纜的維護提供支持。

可視化技術是利用各種能刺激人體視神經的方法對數據和信息進行表達，同時所具備的交互方式較為豐富，可幫助使用者更加形象和直觀的掌握、查看數據與信息。與傳統的圖標、文字等信息數據表達方式相比較，三維圖形可視化技術具備色彩、明暗、形態、位移、體積等豐富的表達方式，可充分表達出信息數據的海量內容。三維圖形可視化技術在科學技術方面應用時間較早，利用可視化技術的圖表和圖形等表達方式將計算機數據和科學測量數據直觀和形象的展現出來，使用戶可輕易理解和發展計算機數據與科學測量數據間存在的密切聯系。

在電網通信領域中也擁有大量計算數據、測量數據、試驗數據等，傳統監測技術在電力數據表達方面存在較大問題，極大影響了電網通信工作的質量和效率。因此在電網通信領域中可視化技術具有較大發展潛力，應用可視化技術可實時顯示地圖、圖形、監測數據等，且可自動生成信息統計圖形和圖表的數據模型等，在數據處理和分析方面具有較強能力，可極大提高電力工作的質量和效率[1]。

1 三維圖形技術在監測系統中的應用

1.1 電網通信光纜監測系統框架

監測系統需具備程控光開關、光時域反射儀、計算機三個硬件設備。在監測系統中，計算機主要作用就是控制程控光開關和光時域反射儀，并將監測系統收集的數據通過分析和處理過后生成數據表。計算機是通過對光時域反射儀的連接和程控光開關的端口進行控制，控制光時域反射儀的運作狀態、標記點位置、參數等。計算機對信息數據進行采集，將生成的三維數據圖表展示給有關部門[2]。電網通信光纜監測系統整體設計框架包括軟件系統設計和硬件系統設計。軟件系統主要控制光時域反射儀和程控光開關，硬件系統主要有程控光開關的選型、管理故障測量選型等。

1.2 硬件系統設計

監測系統工作原理。電網通信光纜正常運作過程中，當光纖折射率發生細微變化時會出現瑞利散射現象，若光纖出現斷裂或發生故障時，光纖折射率會出現菲尼爾反射現象。根據監測系統工作原理，能以監測系統收集到的菲尼爾反射的強弱情況定位電網通信管理出現故障的位置[3]。光時域反射儀主要是通過二極管發出光脈沖信號，耦合器將光脈沖信號引入電網通信光纜中。若監測系統出現菲尼爾反射或瑞利散射現象時，發射光會通過耦合器進入二極管中，APD 將發射管轉化為脈沖信號，經過濾波、放大等處理過程轉化成為數字信號，最后利用數字平均等方法加強數據信號信噪比，由監測系統向使用者直觀展示出數字波形和結果。

光纜故障測量。光時域反射儀主要是測量電網通信光纜中的損耗曲線和物理特性，其中包括光纖衰減系數、光纖長度、光纖接頭損耗等。光時域反射儀在具備精準、便捷等優點的同時，也可與地理信息平臺和監控技術有機結合，使電網通信光纜監測系統正好完整，實現監測系統的預警、故障監測、報警、故障分析、故障管理、線路維護、線路管理、故障管理等功能。電網通信光纜監測系統可及時發現光纖存在的故障和隱患，制定預防措施和方案，極大降低了光纖出現故障的概率，為電力企業提高光纖維護力度具有積極作用。監測系統中三維圖形可視技術的應用可在提高光纖穩定、安全、高效的工作同時，也可有效避免光纖管理、維護、監測工作不到位出現的損失[4]。

1.3 軟件系統設計

1.3.1 程控光開關控制

程控光開關可實現電網通信光纜的自動換接光源、多路光監控、光器件調試和安裝等。程控光開關可對光時域反射儀進行控制，實現監測系統的點名測試和周期測試。

周期測試：在監測系統周期測試過程中需正確連接監測設備線路，首先，打開監測設備的開關進入正常運行模式，當程控光開關在第一通道時監測設備會顯示數字“1”；其次，利用計算機設備發出信號指令，計算機發出的指令具有周期性的特定，指令內容為“1、2、3、4”循環輪詢，可自動切換監測設備在通道中的位置，當監測設備在接收到指令并執行指令后會顯示所在位置的通信數字；最后，可利用計算機發送復位指令，對監測設備進行復位操作，當監測設備復位、光通道關閉后監測設備會顯示數字“0”。

點名測試：監測系統的點名測試與周期測試工作內容基本相同。首先需要間監測設備接通電源，若程控光開關在第一通道位置時監測設備會顯示數字“1”。可通過計算機發出信號控制程控光開關切光換通道以及程控光開關復位操作，當設備復位后光通過會關閉。

1.3.2 光時域反射儀控制

手動測試流程：在進行光時域反射儀手動控制測試過程中，需手動設置測試量程、測試波長等參數，然后對光時域反射儀展開測試并記錄相關數據；自動測試流程：在光時域反射儀自動控制測試過程中，光時域反射儀可自動設置測試量程、測試波長等各項參數，然后監測設備會根據測試結果自動生成軌跡曲線；自動分析測試流程：在手動測試和自動測試完成后，可根據生成的結果對收集的數據和信息進行分析和處理，然后可得到測試事件點的詳細過程和信息。

2 三維圖形關鍵技術問題

2.1 手動測試與自動測試的選擇

與手動測試相比自動測試的操作較為簡便，測試設備可根據光時域反射儀的型號、特性、運行狀態自動設置測試量程、測試波長等各項參數。在測試靈活和測試精度方面，自動測試要比手動測試差，因此在光時域反射儀實際測試過程中，需根據情況選擇測試方式。如，在測試過程中已明確光纖長度、但測試波長等各項參數有具體要求情況下，手動測試可測量出更精準的結果；如對測試量程、測試波長等各項參數沒有要求時可使用自動測試。當光纖長度無法確定且對測試波長各項參數有具體要求時，可使用自動測試對測試量程進行設置，然后使用手動測試對其他流程開展測試。

2.2 故障點精準定位

電網通信光纜光纖長度。在電網通信光纜施工時，需要預留光纜以備后續遷移或斷纜熔接使用。因此測試使用的光纖長度會比實際距離遠，實際路由與測試路由兩者存在差距。根據路由存在差距的問題，若光纖實際長度用L、測試光纖長度用L1、預留光纜長度用L2、光纜敷設長度用L3表示，可通過公式計算光纜實際光纖長度：L=[(L1-L2)/(1+P)-L3](1+a)，式中光纜彎曲率為a，光纜絞縮率為P。

故障點位置。在實際光纖長度計算完成后，需

與收集到故障點地理信息相結合，以此來得出更加準確的光纜故障點具體坐標。為準確定位電網通信光纜故障點位置，需借助地理信息系統，其可對電網通信光纜位置信息進行詳細顯示，如光纜實際坐標、地理信息關系、數據形態等的信息。

2.3 三維圖形可視化

在電網通信光纜監測系統中應用三維可視化技術，可使監測結果更加直觀和形象的展現在使用者面前。目前較常用三維圖形軟件有OpenGL，該軟件可搭建三維模型，是一款開放式繪制圖形的軟件，包括圖像增強、紋理映射、三維建模等功能。對于光纖的監測，利用其對圖形進行繪制、材質設置、三維變換、光照設置等。使用OpenGL 軟件可對光纜進行建模，然后對收集到的數據進行處理和分析，可根據繪制出的模型對管理合理布置，規范光纜監測空間和區域。根據收集到的各項信息可在計算機上顯示三維模型，通過鍵盤和鼠標可實現人機交互操作，使用者可觀看到三維模型的局部信息和全局信息，在監測系統的規劃和設計方面可提供更多幫助。

3 結語

電網通信監測系統主要由計算機、程控光開關、光時域反射儀組成，在監測系統中應用光時域反射儀可實現光纖故障位置的精準定位；而應用OpenGL 軟件可使用戶直觀和形象地觀看到光纖故障具體位置，為光纜的維護和保養提供更多幫助。程控光開關可提高光纜監測工作的可靠性和有效性，在降低光纜維護成本、提高設備維護質量、降低維護成本方面有重要作用。