基于光纖芯遠程交換技術的電力光網全流程智能運維評估

張源， 張凱， 原軍， 藥煒

(國網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絡通道參數(shù)測試、光鏈路切換、路由數(shù)據(jù)收集和通信質量維護等工作的基礎。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的電力光網故障搶修新策略;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用進行了分析;文獻[6]提出了基于預期損失模型的電力無線專網運行質量量化評估方案;文獻[7]提出了一種基于FMECA的電力通信網運行風險評估方法；文獻[8]提出了基于層次分析法的配電通信網運行風險量化評估方法；文獻[9]提出了一種智能配用電通信網運行風險綜合評估系統(tǒng)。以上文獻大多針對傳統(tǒng)通信網，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中并未涉及智能運維和評估的內容，本文針對光纖芯遠程交換技術以及運維智能評估進行了分析，從而提升光纖芯交換技術運維評估水平。

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、測控技術和光傳輸原理，實現(xiàn)對光節(jié)點站交換設備和主站網絡控制系統(tǒng)之間的實時通信和動態(tài)交換，結構如圖1所示。

圖1 光纖芯遠程交換模塊結構

本文所提出的光纖芯遠程交換系統(tǒng)包括對接設備、光測試設備、主控器、信號傳輸設備和控制中心等。光纖遠程對接設備能夠實現(xiàn)光纖芯的對接操作；光測試設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備進行光纖芯的自動對接，同時控制光測試設備，發(fā)出光纖性能參數(shù)測試的整體信號等；信號傳輸設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。當故障監(jiān)測設備檢測到業(yè)務傳輸過程中出現(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系，通過更改光纖跳接的位置，完成故障修復。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) 通過確定當前位置纖芯接口模塊上各接口的連接狀態(tài)，判斷需要調節(jié)的兩個纖芯接口當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實現(xiàn)兩個纖芯接口的自動調節(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，可以應用于快速故障切除和故障修復等。

2 智能運維平臺

2.1 系統(tǒng)架構

電力光網絡智能運維平臺架構如圖3所示。以故障信息系統(tǒng)、調度系統(tǒng)、電力通信網絡系統(tǒng)、設備檢修狀態(tài)系統(tǒng)和安全生產管理系統(tǒng)為基礎，實現(xiàn)對光纖通信網絡的智能檢修平臺構建。由于光纖通信網絡是與電力系統(tǒng)密切結合的，因此，需要對信息模型作進一步分析。

圖3 電力光網絡智能運維平臺架構

在傳統(tǒng)電網的信息模型基礎上，針對通信網絡信息模型做進一步細分，得到設備狀態(tài)監(jiān)測模型、視頻環(huán)境信息模型、作業(yè)管理信息模型、設備評價信息模型以及通信網絡信息模型。這類信息模型是實現(xiàn)對光纖通信網絡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成了基礎數(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用。

2.2 硬件架構

系統(tǒng)的硬件架構如圖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，主站平臺設有Web服務器、接口服務器、應用服務器等，能夠實現(xiàn)運維平臺的操作服務和功能實現(xiàn)。通過以太網進行連接，實現(xiàn)與系統(tǒng)主站的通信關系。

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)能夠對各光節(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)整個網絡資源的可視化、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絡控制系統(tǒng)的圖形窗口，可以分類別、分項目查看電網光纜分布的位置情況、網絡拓撲結構、網絡光纖性能、網絡業(yè)務分布以及負載情況，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，可以查看相應線路的光纖性能和承載業(yè)務等信息，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。

隨著電網智能化水平的提升，各項設備的運維也呈現(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；通過主站網絡控制系統(tǒng)查詢相關的光纜投產、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、應變、運行時間以及功率損耗之間的關系，實現(xiàn)光纜全壽命周期的狀態(tài)預警、檢修預警等功能；通過相應的數(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。當處于某種運行狀態(tài)時，光纜的數(shù)據(jù)，例如溫度和應變等，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

將電力光網運行狀態(tài)評價A設為目標層，節(jié)點業(yè)務評價B1、鏈路業(yè)務評價B2和網絡業(yè)務評價B3作為準則層，兩個節(jié)點指標C1j(j=1,2)、兩個鏈路指標C2j(j=1,2)和一個網絡指標C3j(j=1,2)作為B1、B2和B3的指標層，構建電力光網運行評價指標體系，如圖5所示。

圖5 運行評價指標

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確定評價指標的主觀權重Wj,1。

步驟2：采用熵權法確定各指標客觀權重Wj,2。

步驟3：結合主客觀權重求出各指標綜合權重值Wij。

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

步驟1的具體計算流程如下：

(1) 構建判斷矩陣。利用專家對節(jié)點業(yè)務、鏈路業(yè)務和網絡業(yè)務評價結果構建重要性量化和排序，得到判斷矩陣，具體方法如下。

根據(jù)專家咨詢結果得到n個指標的重要性排序為x1≥x2≥…≥xn，對xi與xi+1進行比較，將其對應的標度值記為ti，然后按照指標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層的指標權重系數(shù);C11、C12、…、Cmn為C層對于B層的指標權重系數(shù)。通過一致性檢驗后可得到各個指標的相對重要性。

步驟2的具體計算流程如下：

(1) 對于n×m維度評價指標的問題，形成原始矩陣如下：

(2)

(3) 計算第j項指標值的比重fij。

(3)

則第j項指標值的信息熵為：

(4)

式中：k=1/lnm。

第j項指標值的熵權值計算式如下：

(5)

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

本文所提綜合權重計算公式如式(6)所示。

(6)

最終通過加權平均得到綜合評價指數(shù)P(t)。

(7)

式中:Wj為第j指標的綜合權重；yj為第j個指標數(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重如表2～表5所示。

表2 判斷矩陣與指標權重(1)

表3 判斷矩陣與指標權重(2)B1C11C12 ωiC111.000.500.331C122.001.000.669表4 判斷矩陣與指標權重(3)B2C21C22 ωiC211.001.330.505C220.751.000.495

表5 判斷矩陣與指標權重(4)

利用熵權法得到客觀熵權和綜合權重如表6所示。

表6 指標綜合權重計算結果

最終根據(jù)專家打分,將分值歸一化后乘以相應的權重，得到總分值。

4 結束語

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)務可以減少人工成本，同時在受地形所限地區(qū)業(yè)務，恢復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，將相應的業(yè)務承載于電力光通信網絡中，能夠提升電網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合主觀權重和客觀權重對光纖運行狀態(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參考。