分段式光纜智能診斷系統(tǒng)在山西電網(wǎng)中的應(yīng)用

巫健 白金剛 薛鵬

摘要：針對目前光纜維護及故障診斷存在效率低，故障地理位置定位不準(zhǔn)確等問題，提出了分段式光纜智能診斷系統(tǒng)。利用光纖光柵可完全熔入光纜介質(zhì)的特性，結(jié)合光纖光柵波長可識別性能，將光纖光柵和光纜接頭盒結(jié)合，以光纖光柵為光纜標(biāo)識點、以接頭盒為光纜地理標(biāo)識點，兩者相結(jié)合實現(xiàn)光纜分段管理。以光纖光柵波長特性和反射能量變化特性作為光纜識別依據(jù)及故障診斷條件，實現(xiàn)光纜分段監(jiān)測。以接頭盒為故障定位基準(zhǔn)點實現(xiàn)光纜故障分段定位，進而實現(xiàn)光纜的分段管理、分段監(jiān)測、分段故障識別以及分段故障地理定位。

關(guān)鍵詞：光纜故障定位;分段式;故障定位器;GIS系統(tǒng)

中圖分類號：TN818 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0177-04

光纖通信已經(jīng)成為電力調(diào)度通信的主要手段，是整個電網(wǎng)進行實時調(diào)度和穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定和運營效益[1]。長期以來光纜故障定位主要依賴于使用OTDR （Opti-cal Time Domain Reflect meter）進行故障光纜長度測距、人工沿途查找的方式[2]。由于光纜敷設(shè)存在盤繞、預(yù)留、彎曲等因素，造成光纜長度與光纜敷設(shè)后的地面長度，存在較大誤差，且誤差隨光纜長度增加而增加。因此，依賴故障光纜長度進行故障地面位置定位的方法，往往存在較大誤差，以致故障點查找區(qū)域過大，故障點位置查找費時費力，排故效率低，造成光纜單次中斷排故時間過長[3]。

山西全省電力光纜眾多，目前普遍采用的被動維護管理方式已經(jīng)滯后于電力市場對光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的要求，基于OTDR的光纜監(jiān)測系統(tǒng)因故障地理定位誤差較大，也逐漸不能滿足日常使用需求。

針對現(xiàn)有監(jiān)測和故障診斷方式的不足和實際使用的需求，提出了分段式光纜智能診斷技術(shù)。該技術(shù)基于分段式光纜故障監(jiān)測理論，以光纖介質(zhì)編碼技術(shù)為依托，引入光纖光柵測距[4]、FBG[5]測距與OTDR測距校正等技術(shù)，結(jié)合GIS系統(tǒng)[6]，實現(xiàn)了光纜多類型故障的實時準(zhǔn)確診斷。通過理論分析及實驗驗證，并構(gòu)建了基于該技術(shù)的分段式光纜智能診斷系統(tǒng)。通過在山西省電網(wǎng)通訊系統(tǒng)中的實際應(yīng)用，進一步驗證了該系統(tǒng)的有效性及先進性。

1 常規(guī)基于OTDR光纜監(jiān)測系統(tǒng)

OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的精密光學(xué)儀表，可測量光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減以及進行故障定位等。

目前OTDR對光纜長度的測量已經(jīng)比較精確，在應(yīng)用于實際的光纜故障診斷中，使用OTDR在光纜起始點或者中繼點測量故障點距離測試點的光纜長度，然后采用“全程計算法”計算出故障點的地理位置?！叭逃嬎惴ā敝饕嬖谝韵聠栴}：由于光纜長度與地面長度存在誤差（地形起伏、光纜埋深、預(yù)留余纜等因素導(dǎo)致），且誤差隨光纜長度的增長而增大，導(dǎo)致僅通過OTDR測量無法精確定位故障地理位置。當(dāng)光纜故障點距離達到10km時，誤差往往可達數(shù)百米，更遠距離的故障誤差則會更大。也就是說，其地理位置誤差隨著光纜長度的增加，有累積效應(yīng)。

同時，常規(guī)方式查找故障段，一般以接頭盒為依據(jù)將光纜分割成兩段，再進行人工查找，但是這在很大程度上依賴人工經(jīng)驗判斷，對人員要求較高，工作缺乏延續(xù)性和穩(wěn)定性。同時，現(xiàn)有方法不能預(yù)防故障的發(fā)生，特別是對光纖的各分段的逐步劣化，傳統(tǒng)的維護方式無法提前發(fā)現(xiàn)。此外，由于OTDR還存在測量盲區(qū)，當(dāng)光纜進入機房大樓部分，處于OTDR盲區(qū)時，很難進行故障段判斷。

2 分段式光纜智能診斷技術(shù)原理

分段式光纜智能診斷系統(tǒng)將光纖光柵置入光纜接頭盒內(nèi)，利用光纖光柵編碼可識別和距離可測定特性，將接頭盒作為光纜標(biāo)識點和地理標(biāo)識點，以光纖光柵反射能量變化作為故障診斷依據(jù)，將光纜故障定位在相鄰接頭盒之間，并在相鄰接頭盒段內(nèi)將故障點精確計算和定位在GIS地圖上，其地理定位誤差不再跟隨光纜增長而增加，地理定位精度提高到50m以內(nèi)，有效降低光纜故障地理定位誤差，便于維護人員精準(zhǔn)定位、快速排查光纜故障點。其工作原理如圖1所示。

系統(tǒng)運行后，首先對光纜上所添加的故障定位器進行自動識別和定位，識別出每個不同編號的故障定位器，并測量出其所在位置的光纜長度。在進行故障定位時，首先利用光纜故障定位器的可識別特征，將光纜故障定位在相鄰的兩個光纜故障定位器之間。再利用光學(xué)技術(shù)計算和矯正光纜故障長度，再結(jié)合該段的地理位置信息，自動計算由于地形變化所造成的光纜長度和實際地表長度的誤差，進一步優(yōu)化段內(nèi)光纜地理誤差率。最后結(jié)合預(yù)先輸入的該段內(nèi)的余纜信息，計算出段內(nèi)光纜故障地理長度。最終的故障定位信息顯示在GIS系統(tǒng)地圖上，同時及時的通知運維人員。

3 分段式光纜智能診斷系統(tǒng)組成

分段式光纜智能診斷系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心主站、監(jiān)測站、手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.1監(jiān)測中心主站

監(jiān)測中心主站一般位于中心管理機房，主要負(fù)責(zé)對下屬的監(jiān)測站進行統(tǒng)一管理和信息采集，并向管理人員實時提供其所管理范圍內(nèi)的光纜的狀態(tài)和相關(guān)信息。管理系統(tǒng)由應(yīng)用軟件、光纜數(shù)據(jù)庫、地理信息庫組成，以地理圖形界面為基礎(chǔ)，實現(xiàn)基于GIS系統(tǒng)的光纜監(jiān)測和管理等功能。利用信息交互處理實現(xiàn)監(jiān)測站、客戶端、移動終端等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。

3.2監(jiān)測站

監(jiān)測站一般位于通訊機房，實現(xiàn)需要進行監(jiān)測的光纜的系統(tǒng)接入。其內(nèi)部包含對光纖光柵進行遠程識別和測量所需的光學(xué)儀器，主要包括：窄帶光源、調(diào)制器、耦合器、解調(diào)儀、脈沖驅(qū)動器、測試用OTDR以及數(shù)據(jù)處理模塊和GIS系統(tǒng)等。其結(jié)構(gòu)圖如如圖3所示。監(jiān)測站支持在線、離線兩種運行模式，可對所監(jiān)測光纜實現(xiàn)光纜識別、分段監(jiān)測、故障診斷及故障地理定位等功能。

3.3手持?jǐn)?shù)據(jù)采集儀器

現(xiàn)場PDA主要用于現(xiàn)場人員使用，集GIS、電子標(biāo)簽采集于一體。在資源清理階段可完成光纜信息的自動采集，包括現(xiàn)場影像、電子標(biāo)簽信息、GPS定位數(shù)據(jù)等，并將所采集數(shù)據(jù)自動整理和上傳至監(jiān)測站;在排故階段，可與監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)交互，提供故障信息，并可進行故障位置引導(dǎo)，輔助光纜故障地理點查找及進行排故。

4 分段式光纜智能診斷系統(tǒng)特點

4.1故障定位器安裝簡便、免維護

在接頭盒處接入光纜中的光纖光柵故障定位器屬于無源光纖器件，直接與光纜備用纖芯熔接安裝，與光纜具有同介質(zhì)同屬性的特質(zhì)，可實現(xiàn)免維護、與光纜同壽命。故障定位器實物及安裝方式如圖4所示。

4.2資源管理與監(jiān)測統(tǒng)一

系統(tǒng)中監(jiān)測站對故障定位器進行在線編碼采集和監(jiān)測，故障定位器安裝于接頭盒內(nèi)部，可直接用接頭盒的地理位置等信息作為故障定位器的相關(guān)信息，故障定位器與接頭盒資源管理模式相統(tǒng)一，實現(xiàn)了資源管理與監(jiān)測統(tǒng)一。

4.3光纜資源信息準(zhǔn)確

該系統(tǒng)可對光纜資源信息做準(zhǔn)確的維護和管理，主要包括以下5方面。

1）光纜識別管理唯一化。以故障定位器的光學(xué)編碼為識別依據(jù)，實現(xiàn)光纜的惟一識別和命名，解決紙質(zhì)標(biāo)簽、電子標(biāo)簽不能光纖介質(zhì)識別。同時可準(zhǔn)確識別出光纜更換、接入錯誤等故障。

2）光纜路由管理準(zhǔn)確化。以故障定位器之間的光學(xué)長度和地理長度為依據(jù)，實現(xiàn)光纜路由準(zhǔn)確性判斷，做到地理長度和光學(xué)長度相結(jié)合的綜合路由管理。

3）光纜故障類型多元化。以故障定位器的編碼為識別條件，可診斷光纜更換、增長、退出、中斷、衰耗等故障類型。

4）故障類型識別準(zhǔn)確。以光纜故障定位器采集數(shù)據(jù)為依據(jù)，可實現(xiàn)故障類型的準(zhǔn)確識別。

5）故障地理定位準(zhǔn)確無誤。以光纜故障定位器為參照，實現(xiàn)故障地理定位。系統(tǒng)同時可對光纜所處區(qū)域的地理信息進行自動分析，計算出因地形變化所引起的光纜長度和地理長度的誤差，并將該誤差自動計人故障位置計算中，系統(tǒng)自動進行故障診斷定位，障長度實現(xiàn)定位。

5 分段式光纜智能診斷系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

該系統(tǒng)在山西電網(wǎng)多條通訊光纜中進行了實際應(yīng)用。實際應(yīng)用中，將故障定位器在光纜接頭盒處熔接入光纜中，光纜的相關(guān)資源信息也錄入系統(tǒng)中，接頭盒以及關(guān)鍵位置處的桿、井等標(biāo)識點信息也錄入系統(tǒng)中。截止目前，系統(tǒng)已進行了4個月的連續(xù)運行，期間完成了多次故障診斷及排故處置。圖5是系統(tǒng)給出的其中一次光纜故障診斷報警圖，圖中給出了故障點的位置及相關(guān)信息，以及前后關(guān)鍵結(jié)點的信息。其對應(yīng)的診斷結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1的診斷數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)給出的此次故障點的地理位置和實際地理位置誤差為14.3m，而采用OTDR儀表進行的對比測試結(jié)果表明，OTDR故障位置診斷位置和實際故障地理位置誤差為1423.5m。該系統(tǒng)的故障點地理位置誤差遠小于OT-DR儀表測量出的的故障點地理位置誤差。多次故障診斷結(jié)果也表明，該系統(tǒng)的故障點位置與實際位置誤差均小于50m，達到系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)。

實際運行試驗還表明，該系統(tǒng)可有效的對光纜系統(tǒng)資源進行管理，實時迅速的對光纜故障進行診斷和定位，并指導(dǎo)光纜故障處理人員快速、精準(zhǔn)查找到光纜故障點地理位置，完成排故。具有很強的先進性和實用性。

6 結(jié)語

通過分析當(dāng)前光纜維護管理和故障診斷存在的問題，針對常用的OTDR測距及故障地理位置“全程計算法”的不足，提出了分段式光纜故障定位技術(shù)。通過理論分析并進行原理驗證，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了分段式光纜智能診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在山西電網(wǎng)中的實際應(yīng)用，進一步驗證了其可行性及有效性。

實際應(yīng)用結(jié)果還表明，該技術(shù)解決了當(dāng)前光纜故障不能精確地理定位的難題，并可指導(dǎo)光纜故障處理人員快速、精準(zhǔn)查找到光纜故障點地理位置，完成排故。具有故障地理位置定位高準(zhǔn)確性、高實時性、高可靠性等優(yōu)點。

主要結(jié)論有：

1）光纜故障地理位置“全程計算法”依據(jù)OT-DR測量故障點距離測量起始點的光纜距離，與故障點的實際地理位置存在較大誤差，且該誤差隨光纜長度增加而增加。

2）光纖光柵由于其特殊的光學(xué)特性，可將其作為光學(xué)編碼使用，且該編碼可實現(xiàn)遠距離的識別和讀取。

3）將光纖光柵編碼在接頭盒處串接進光纜中，光信號在該處的反射能量變化可作為光纜故障診斷的依據(jù)。

4）結(jié)合光纖光柵的發(fā)射能量值信息，可將光纜故障定位在兩個接頭盒之間，同時結(jié)合接頭盒的實際地理位置坐標(biāo)，可實現(xiàn)故障地理位置的精確定位。

5）通過對光纜所經(jīng)途徑的地理信息進行分析，可計算出因地形變化所引起的光纜實際長度和地理長度的誤差，故障定位算法引入該誤差矯正后，并結(jié)合光纜信息管理系統(tǒng)中的預(yù)覽長度等信息，可進一步提高光纜故障地理位置的定位精度，使得定位精度小于50m。

參考文獻

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