區(qū)域電網(wǎng)光纜線路智能監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究

何書毅+吳春吉+龍致遠(yuǎn)+黃孫新

摘 要： 以區(qū)域電網(wǎng)光纜線路智能監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，對其數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行研究。采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、GIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、OTDR測試技術(shù)，對電網(wǎng)光纜線路智能監(jiān)測系統(tǒng)的組成及功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)關(guān)鍵模塊OTDR光纜智能監(jiān)測的實現(xiàn)、GIS光纜監(jiān)測故障位置的判斷、GIS光纜故障智能監(jiān)測定位進(jìn)行研究，系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)庫存儲的光纜線路地標(biāo)信息的使用，經(jīng)OTDR測試，可直接將故障信息顯示在地標(biāo)信息上，提供準(zhǔn)確直觀可視化故障信息給維護(hù)人員，使運維成本得到進(jìn)一步降低，避免通信中斷造成系統(tǒng)癱瘓引起的損失，這為今后應(yīng)用區(qū)域電網(wǎng)光纜線路智能監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞： 光纜； 智能監(jiān)測系統(tǒng)； 傳輸技術(shù)； OTDR

中圖分類號： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)域電網(wǎng)實質(zhì)上屬于一種區(qū)域電力的市場模式，其特點是以區(qū)域性的電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)[1]。保障電力系統(tǒng)生產(chǎn)安全和高效運行的是光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)[2?5]。隨著數(shù)據(jù)通信量的不斷增長，光纜通信是信息傳輸?shù)闹饕浇?，其具有越來越重要的作用，但因光纖具有較大的容量，在發(fā)生故障時，中斷時間較長，會導(dǎo)致無法彌補(bǔ)的損失[6?9]。 要做到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定，就要在光纜線路的傳輸性能正常運行到突然出現(xiàn)下降時進(jìn)行預(yù)警[10]。智能在線監(jiān)測是電力體系光纜線路的發(fā)展趨勢。

目前，隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展與普及，區(qū)域電網(wǎng)光纜通信智能檢測傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)變得日益重要。在電力系統(tǒng)引入各種通信技術(shù)、設(shè)備、系統(tǒng)的過程中，不斷有新問題出現(xiàn)，因而電力通信系統(tǒng)的光纜通信智能檢測管理就需要更進(jìn)一步的智能化和便捷化[11]。光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)的主要技術(shù)有四類，分別為光功率實時監(jiān)測、自動控制、光時域反射和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)[12]。本文以區(qū)域電網(wǎng)光纜線路智能監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，對其數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)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(zhì)為光導(dǎo)纖維，通過光纖進(jìn)行信息傳輸。光纜通信系統(tǒng)由四部分組成，分別為光發(fā)射機(jī)、光中繼器、光纜、光接收機(jī)。光纜通信的傳輸原理實質(zhì)是信息經(jīng)過光發(fā)射機(jī)處理后，轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過電光轉(zhuǎn)化和調(diào)制，將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，波長經(jīng)波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，最后進(jìn)入光纜傳送，若進(jìn)行長距離傳輸，則使用中繼器放大信號，然后繼續(xù)進(jìn)行傳輸。傳輸?shù)浇邮斩藭r后，光信號經(jīng)光接收機(jī)的電光轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡娦盘?，在放大和解調(diào)后，輸出原信號，圖1為光纖通信系統(tǒng)圖。

2 光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的組成及功能

光纖智能監(jiān)測系統(tǒng)由總監(jiān)測中心GMC、區(qū)域監(jiān)測中心LMC、監(jiān)測終端MT、監(jiān)測站MS、光功率監(jiān)測模塊OPM等組成。系統(tǒng)包含五種主要的技術(shù)，分別為數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、GIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、OTDR測試技術(shù)，這五種技術(shù)是測試傳輸線路光纖的專用技術(shù)。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測光纖網(wǎng)絡(luò)的狀況，完成對光纖的自動測試，光纖細(xì)微變化也被隨時記錄，通過與資源系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，可實現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)的組成。

2.2 光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)的功能

光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控用來監(jiān)測光纖損耗狀況，以智能在線監(jiān)測方式、自動方式進(jìn)行光纖狀況的測試，可快速、方便構(gòu)成OSI，具有友好的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)人機(jī)界面，支持漢字，容易安裝。按規(guī)定周期，LMC將被監(jiān)測光纜線路運行狀況的數(shù)據(jù)文件傳報給GMC；在光纜線路中，當(dāng)被監(jiān)測光纖有障礙產(chǎn)生時，LMC對故障點位置可迅速、準(zhǔn)確的進(jìn)行確認(rèn)，從而壓縮障礙歷時，對搶修進(jìn)行配合。

光纖要實現(xiàn)全面的智能在線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，則必須要實現(xiàn)4個功能，即實時監(jiān)測功能、光纖路由及地標(biāo)管理功能、檢測狀態(tài)檢查功能、檢測數(shù)據(jù)管理功能，同時還需要有領(lǐng)先的數(shù)據(jù)庫管理文件等技術(shù)，圖3為光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)的功能。

2.3 光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用三層體系結(jié)構(gòu)，分別為應(yīng)用層、中間層、數(shù)據(jù)層。體系結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)存儲、圖形和數(shù)據(jù)結(jié)果展示、應(yīng)用處理合理分開?？臻g數(shù)據(jù)庫管理進(jìn)行系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)的引擎處理，Web GIS服務(wù)器進(jìn)行Web數(shù)據(jù)的發(fā)布處理，業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理。通過三層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的一部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作和計算工作，可轉(zhuǎn)移到應(yīng)用服務(wù)器上進(jìn)行處理，這樣數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處理壓力就得到大幅的減輕。從而使數(shù)據(jù)庫服務(wù)只管理數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)采用GIS平臺顯示圖形和處理數(shù)據(jù)，GIS處理圖形的功能非常強(qiáng)大。系統(tǒng)負(fù)荷分配均勻，數(shù)據(jù)與圖形處理能力較高，圖4為光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

2.4 光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件由三部分組成，分別為光纜數(shù)據(jù)采集層、界面層、邏輯處理層。采集系統(tǒng)實時運行信息、光纜實時數(shù)據(jù)，主要由數(shù)據(jù)采集層進(jìn)行；各種功能界面由界面層提供給用戶；處理邏輯業(yè)務(wù)由邏輯處理層進(jìn)行，這樣，系統(tǒng)的GIS管理、資源管理、故障管理等主要業(yè)務(wù)功能就得到實現(xiàn)。在不同操作平臺上軟件系統(tǒng)都可以運行，具有跨平臺性和可移植性。

圖5為光纜智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)功能組由三部分組成，即系統(tǒng)支撐管理功能組、外部接口功能組、網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行組織，可部署在不同硬件環(huán)境下。系統(tǒng)各模塊分在線運行和離線仿真兩種狀態(tài)，系統(tǒng)運行后，各模塊均為在線運行狀態(tài)。在離線狀態(tài)下，系統(tǒng)再現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，通過對故障影響業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，積累維護(hù)經(jīng)驗。

2.5 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊OTDR光纜智能監(jiān)測的實現(xiàn)

光纜纖芯的智能在線監(jiān)測、統(tǒng)計分析可通過光纖外置OTDR實現(xiàn)，并且可自動生成定檢結(jié)果報表，可對單根光纖、完整光纜鏈路特征進(jìn)行評估，為故障點定位工作提供了方便，光纖通信傳輸質(zhì)量也得到了提高。系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)庫存儲的光纜線路地標(biāo)信息的使用，經(jīng)OTDR測試，可直接將故障位置顯示在地標(biāo)信息上，提供準(zhǔn)確直觀可視化故障信息給維護(hù)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(jìn)行連接，程序指令通過USB線纜，從PC機(jī)傳輸給OTDR單元，OTDR單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在OTDR 測試回路中，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，然后驅(qū)動LD，進(jìn)而生成光脈沖，通過方向耦合器后，進(jìn)入到待測光纜，然后產(chǎn)生反射光，進(jìn)入雪崩二極管，再轉(zhuǎn)換成電脈沖，經(jīng)反復(fù)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(jiān)測故障的判斷與定位

3.1 GIS光纜監(jiān)測故障位置的判斷

當(dāng)光纖故障被監(jiān)測到后，通過GIS定位技術(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為路面實際位置，在GIS畫面上呈現(xiàn)出來。根據(jù)光纜故障智能監(jiān)測系統(tǒng)可判斷光纜故障的位置，在系統(tǒng)告警同時啟動OTDR，在進(jìn)行故障光纖測試后，對比參考曲線，結(jié)合工程參考點信息，進(jìn)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(jù)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(jìn)行計算，計算公式為：

式中：故障點與測試地標(biāo)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(jù)地標(biāo)位置分段敷設(shè)方式，起始地標(biāo)點到路徑上任意地標(biāo)點光纜長度為：

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

光纜長度轉(zhuǎn)換為地面距離的公式如下：

式中：地標(biāo)點與地標(biāo)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(shù)計算出路面相距的光纜故障點地標(biāo)信息，并展現(xiàn)在GIS地圖上。

3.2 GIS光纜故障智能監(jiān)測定位

以O(shè)TDR采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較，判斷是否超出事件門限范圍，同時生成對應(yīng)報告。分析光纜事件，給出每段光纜測試的數(shù)據(jù)數(shù)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(jiān)測分析流程表明，系統(tǒng)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(jìn)行對比，如果超過就進(jìn)行告警。通過這種光纜故障智能監(jiān)測分析，從而發(fā)現(xiàn)光纜故障，并對故障位置進(jìn)行定位。系統(tǒng)通過對地標(biāo)技術(shù)的運用，對故障點實際位置進(jìn)行判斷，同時自動在GIS地圖上將故障點位置標(biāo)出，圖10為光纜故障的智能監(jiān)測。

4 結(jié) 語

本文以區(qū)域電網(wǎng)光纜線路智能監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，對其數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行研究。系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)庫存儲的光纜線路地標(biāo)信息的使用，經(jīng)OTDR測試，可直接將故障位置顯示在地標(biāo)信息上，提供準(zhǔn)確直觀可視化故障信息給維護(hù)人員，運維成本得到進(jìn)一步的降低，避免通信中斷造成系統(tǒng)癱瘓引起的損失，為今后區(qū)域電網(wǎng)光纜線路智能監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用提供了參考。

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