智能雙模式電力光纖故障在線檢測系統

王鋒，陳曉娟，劉淇枝

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

電力系統由發電、逆變電、供電和用電四個環節構成，將電能輸送到用戶和各個企業。電力系統在各個環節都有相應的光纖通信系統，對電能的生產和輸送進行合理地調度。另一方面隨著智能電網、泛在電力物聯網等新概念的提出，光纖因具有寬帶信息容量大、傳輸距離遠、功耗低和抗電磁干擾強等優點［1-3］，電力光纖通信在電力通信系統中應用比重越來越大。電力光纖鋪設線路日益復雜，人工檢修越來越困難、故障發生率越來越高、早期光纖老化等一系列問題也隨之出現。光纖故障檢測設備OTDR的檢測原理是向監測纖芯打光，通過判斷瑞利散射的背射光強度確定光纖故障點位置。傳統的使用方式是發現光纖故障影響正常業務通信后利用手持式OTDR檢測故障點距離，時效性特別低。系統通過實時檢測分光器中光功率強度，判定光纖是否發生故障，OTDR及時打光檢測故障點位置，從故障發生到檢測到故障點位置整個過程在20秒之內便可完成，由此實現了光纖故障的在線檢測。

1 系統的整體設計方案

系統整體示意圖如圖1所示，主要由硬件設備、傳輸網、服務器三部分構成。硬件設備由各種光器件、光功率計、STM32單片機、OTDR和電源構成，傳輸網使用華為傳輸網，服務器安裝在吉林省長春市電力公司新大樓，服務器中安裝的上位機軟件平臺對各個站點的設備進行統一管理調度。

圖1 系統整體示意圖

2 硬件系統設計

文獻［4］中對舊設備結構功能有詳細描述，圖2是改進后的硬件結構框圖。相比于舊設備，新設備只使用了一個OTDR模塊，光開關的使用數量減少了5個，精簡了設備內部光纖線路，不僅減少了一般的經濟成本，而且提高了工作纖檢測模式和備纖檢測模式的切換速度，降低了接入光纖損耗。

根據圖2所示，在工作纖工作模式下，光功率計讀取分光器分取的工作纖中3%的光強值，按比例計算出工作纖中實際光功率值。如果光功率值高于閾值，則判定光纖工作正常，如果光功率值低于閾值，則判定光纖中存在故障點，此時控制器向服務器報告故障信息，啟動OTDR向故障纖芯打光，判定故障點位置。OTDR發出的測試光波長為1 625 nm，工作光纖的光波長為1 310/1 550 nm，兩個不同波長的光通過波分復用器（wavelength division multiplexing，WDM）復用到同一根纖芯中。在備纖工作模式下由于沒有工作光，無法讀取光功率值，直接用OTDR定時打光檢測備用纖芯判斷有無故障［5］。

圖2 設備硬件框圖

2.1 光開關電路設計

由于需要檢測不同纖芯，系統采用機械式1×2光開關實現光纖線路切換。光開關電路圖如圖3所示，STM32單片機的一個I/O引腳連接圖4中SWITCH節點，74HC04D是一個與非門數字邏輯芯片，74HC04D的8、9引腳間連接了一個非門。Q1、Q2是兩個NPN三極管，74HC04D芯片的8、9引腳點位變化控制著兩個三極管的導通與截止。通過STM32單片機的I/O引腳輸出不同的高低電平，就可以控制光開關實現光纖線路切換［6］。

圖3 光開關電路圖

2.2 光功率計電路設計

文獻［7］中的光功率設計采用了利用放大器AD795和高速模擬開關MAX4051程控放大的光功率計設計方案，此方案硬件電路和程序設計都特別復雜，測量精度不高。系統采用了以AD8304對數運算放大芯片為主的設計方案，以對數放大取代程控放大，電路設計和程序設計都更加簡單，測量精度大大提高［7］。

光功率計電路圖如圖4所示，PIN光電二極管連接在IN1、IN2節點，ADJ1和ADJ2是兩個電位器，用于調節AD8304的I/V轉換斜率和放大倍數。電壓值計算如下：

式中，Vout是輸出電壓值；IPD是光電二極管輸出電流值；IZ是光電二極管的截止電流；K和C是常數，數值由芯片外部電阻決定。圖4中電阻電容R25、C37、R26、C39與 LM358構成二階 RC有源20 Hz低通濾波器。PIN光電二極管將光強信號轉換為電流信號，芯片AD8304通過對數放大運算把電流信號轉換為電壓信號，再由LM358設計的低通濾波器濾除工頻干擾后，利用STM32單片機的AD采集功能獲取電壓值［8］。

圖4 光功率計電路圖

公式（2）是通過數據擬合得到的光功率值計算公式：

式中，X代表電壓值；Y代表光功率值。經過多次實驗驗證，此方案設計的光功率計動態測量范圍可達-70～5 dBm，測量精度可達±0.01 dBm，可測量1 310 nm、1 550 nm、1 625 nm等多種波長的光功率值。

2.3 STM32單片機及其外圍電路設計

STM32單片機型號為STM32F407VGT6，主頻高達168 MHz，外設資源豐富，滿足系統的使用需求。單片機除上文描述需要控制光開光、采集光功率值以外，還需要實現狀態指示、控制OT‐DR復位、數據儲存和網絡通信等功能。

狀態指示和控制OTDR復位功能只需要控制I/O口輸出相應的高低電平即可。數據儲存功能使用2 KB串行E2PROM芯片AT24C02，具有掉電數據不丟失的特點，盡管只有2 KB的儲存空間，但完全滿足系統的儲存需求，主要儲存設備IP地址、端口號、工作模式等重要數據。單片機的網絡通信功能通過外接W5500芯片實現，W5500芯片是一款集成全硬件TCP/IP協議棧的嵌入式以太網控制器，采用SPI的通信方式與單片機通信，不需要移植LWIP軟件程序協議，開發簡單，數據傳輸穩定。STM32單片機程序設計以C語言和匯編語言為主，開發環境為Keil，其程序流程如圖5所示。

圖5 STM32單片機程序流程圖

2.4 電源電路設計

為滿足通信機房的供電標準，設備內置兩個AC 220 V轉DC 24 V和DC-48 V轉DC 24 V開關電源，實現了220 V交流和-48 V直流兩種供電方式。利用電源芯片AP1501搭建BUCK電路實現DC 24 V轉DC 12 V、5 V，分別供OTDR和STM32單片機供電，圖6是AP1501電路原理圖，AP1501與電感、電位器、電解電容、二極管構成BUCK降壓電路，輸入輸出端電容主要起濾除雜波的作用。在STM32核心控制板上利用LDO線性穩壓芯片AMS1117為單片機芯片提供3.3 V供電電源。

圖6 AP1501電路原理圖

3 上位機軟件平臺設計

3.1 上位機軟件平臺功能介紹

上位機軟件平臺采用C#語言編寫，上位機軟件平臺與各個變電站的硬件設備同時建立TCP連接，不斷監測各個設備上傳的數據信息。主要有控制下位機進行模式選擇、保存歷史光功率數據、OTDR曲線分析、故障點經緯度計算、歷史故障查詢等功能，其功能框圖如圖7所示。

圖7 上位機功能框圖

運維人員通過操作上位機軟件便可以修改工作模式、修改OTDR工作參數、獲取監測光纖的所有狀態信息，上位機界面如圖8所示。

圖8 上位機界面

3.2 故障點經緯度計算方法

電力光纖每隔一段距離都會有光纖接頭盒連接，系統通過記錄線路走向信息以及每一個光纖接頭盒的經緯度信息，將故障點距離與線路信息、光纖接頭盒經緯度信息相匹配，實現故障點經緯度計算。

當電力光纖出現故障時，OTDR檢測出故障距離為S，將光纖接頭盒的位置點作為電力光纜故障定位的參照位置點，將OTDR測得的電力光纜線路的故障點距離與實際地理位置相匹配，并將數據存入數據庫，數據庫格式如圖9所示。

圖9 數據存儲格式

先確定距離故障點最近的光纖接頭盒編號，計算公式如下：

式中，Ln表示第n個光纖接頭盒與檢測設備的距離；Tn表示故障點與每一個檢測設備的距離；M取距離故障點最近的光纖接頭盒的距離；n表示距離故障點最近的光纖接頭盒編號。

如果Tn>0，那就確定光纜距離S在位置點編號n和n+1之間，通過查詢這兩點的經緯度(Xn,Yn)和(Xn,Yn)與到OTDR測量點的距離Ln和Ln+1，通過公式（3）、公式（4）得到電力光纜距離S的經緯度。

式中，（XF，YF）為故障點的坐標；ξi為第i個接頭盒的預留光纜長度。同理，當Tn<0時，確定光纜距離S在位置點編號n-1和n之間，經緯度計算方法與Tn>0相同；如果當Tn=0時，光纖接頭盒的經緯度就是故障點的經緯度［9］，圖10是上位機故障點位置顯示界面截圖。

圖10 故障點位置顯示界面

4 實驗驗證

相比傳統設備新設備改進了內部硬件結構，減少了光開關使用數量，精簡了內部光纖線路，從理論上講新設備的光纖就接入損耗應該有所降低。為證明新設備光纖接入損耗有所降低，采用了如下的測試方法，在新設備和舊設備的輸入端都接入-7.0 dBm的光，連續測量新舊設備輸出光功率20次，其結果如圖11所示，通過分析得到結論，新設備的輸出光功率在-7.6 dBm左右，舊設備輸出光功率在-8.1 dBm左右，光纖接入損耗降低了約0.5 dBm。

圖11 光纖接入損耗對比圖

設備在吉林省吉林市包家500 KV變電站和金珠220 KV變電站各成功安裝一套，包家變電站設備用于監測從包家變電站到金珠變電站的光纜，金珠變電站用于監測從金珠變電站到鐵東變電站的光纜，兩個設備通過華為傳輸網連接到吉林省電力公司新大樓機房的服務器。為驗證設備能精確檢測到故障點距離，本次實驗對包家變電站到金珠變電站的一根備用纖芯進行人為破壞，經多次驗證，設備能準確檢測到故障點位置，誤差在±10 m范圍內［10］。

5 結論

不僅是在電力光纖通信，隨著5 G通信技術的快速發展，對光纖通信的帶寬、時效性等方面需求越來越高，光纖故障在線檢測設備的研究將會日益體現其價值所在。文章提出了對原有電力光纖在線檢測設備的一種改進方法，降低了經濟成本，減少了光纖接入損耗，提高了系統運行穩定性。光纖故障在線檢測設備能做到故障及時檢測上報，帶來的經濟效益明顯，有力保障了電力光纖通信系統的穩定運行。后續課題組會加大研究投入力度，爭取在電力光纖故障在線檢測方向做得更好。