智能雙模式電力光纖故障在線檢測(cè)系統(tǒng)

王鋒，陳曉娟，劉淇枝

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

電力系統(tǒng)由發(fā)電、逆變電、供電和用電四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，將電能輸送到用戶和各個(gè)企業(yè)。電力系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的光纖通信系統(tǒng)，對(duì)電能的生產(chǎn)和輸送進(jìn)行合理地調(diào)度。另一方面隨著智能電網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等新概念的提出，光纖因具有寬帶信息容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低和抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，電力光纖通信在電力通信系統(tǒng)中應(yīng)用比重越來(lái)越大。電力光纖鋪設(shè)線路日益復(fù)雜，人工檢修越來(lái)越困難、故障發(fā)生率越來(lái)越高、早期光纖老化等一系列問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。光纖故障檢測(cè)設(shè)備OTDR的檢測(cè)原理是向監(jiān)測(cè)纖芯打光，通過(guò)判斷瑞利散射的背射光強(qiáng)度確定光纖故障點(diǎn)位置。傳統(tǒng)的使用方式是發(fā)現(xiàn)光纖故障影響正常業(yè)務(wù)通信后利用手持式OTDR檢測(cè)故障點(diǎn)距離，時(shí)效性特別低。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)分光器中光功率強(qiáng)度，判定光纖是否發(fā)生故障，OTDR及時(shí)打光檢測(cè)故障點(diǎn)位置，從故障發(fā)生到檢測(cè)到故障點(diǎn)位置整個(gè)過(guò)程在20秒之內(nèi)便可完成，由此實(shí)現(xiàn)了光纖故障的在線檢測(cè)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示，主要由硬件設(shè)備、傳輸網(wǎng)、服務(wù)器三部分構(gòu)成。硬件設(shè)備由各種光器件、光功率計(jì)、STM32單片機(jī)、OTDR和電源構(gòu)成，傳輸網(wǎng)使用華為傳輸網(wǎng)，服務(wù)器安裝在吉林省長(zhǎng)春市電力公司新大樓，服務(wù)器中安裝的上位機(jī)軟件平臺(tái)對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理調(diào)度。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［4］中對(duì)舊設(shè)備結(jié)構(gòu)功能有詳細(xì)描述，圖2是改進(jìn)后的硬件結(jié)構(gòu)框圖。相比于舊設(shè)備，新設(shè)備只使用了一個(gè)OTDR模塊，光開(kāi)關(guān)的使用數(shù)量減少了5個(gè)，精簡(jiǎn)了設(shè)備內(nèi)部光纖線路，不僅減少了一般的經(jīng)濟(jì)成本，而且提高了工作纖檢測(cè)模式和備纖檢測(cè)模式的切換速度，降低了接入光纖損耗。

根據(jù)圖2所示，在工作纖工作模式下，光功率計(jì)讀取分光器分取的工作纖中3%的光強(qiáng)值，按比例計(jì)算出工作纖中實(shí)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(diǎn)，此時(shí)控制器向服務(wù)器報(bào)告故障信息，啟動(dòng)OTDR向故障纖芯打光，判定故障點(diǎn)位置。OTDR發(fā)出的測(cè)試光波長(zhǎng)為1 625 nm，工作光纖的光波長(zhǎng)為1 310/1 550 nm，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光通過(guò)波分復(fù)用器（wavelength division multiplexing，WDM）復(fù)用到同一根纖芯中。在備纖工作模式下由于沒(méi)有工作光，無(wú)法讀取光功率值，直接用OTDR定時(shí)打光檢測(cè)備用纖芯判斷有無(wú)故障［5］。

圖2 設(shè)備硬件框圖

2.1 光開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

由于需要檢測(cè)不同纖芯，系統(tǒng)采用機(jī)械式1×2光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)光纖線路切換。光開(kāi)關(guān)電路圖如圖3所示，STM32單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳連接圖4中SWITCH節(jié)點(diǎn)，74HC04D是一個(gè)與非門數(shù)字邏輯芯片，74HC04D的8、9引腳間連接了一個(gè)非門。Q1、Q2是兩個(gè)NPN三極管，74HC04D芯片的8、9引腳點(diǎn)位變化控制著兩個(gè)三極管的導(dǎo)通與截止。通過(guò)STM32單片機(jī)的I/O引腳輸出不同的高低電平，就可以控制光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)光纖線路切換［6］。

圖3 光開(kāi)關(guān)電路圖

2.2 光功率計(jì)電路設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［7］中的光功率設(shè)計(jì)采用了利用放大器AD795和高速模擬開(kāi)關(guān)MAX4051程控放大的光功率計(jì)設(shè)計(jì)方案，此方案硬件電路和程序設(shè)計(jì)都特別復(fù)雜，測(cè)量精度不高。系統(tǒng)采用了以AD8304對(duì)數(shù)運(yùn)算放大芯片為主的設(shè)計(jì)方案，以對(duì)數(shù)放大取代程控放大，電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)都更加簡(jiǎn)單，測(cè)量精度大大提高［7］。

光功率計(jì)電路圖如圖4所示，PIN光電二極管連接在IN1、IN2節(jié)點(diǎn)，ADJ1和ADJ2是兩個(gè)電位器，用于調(diào)節(jié)AD8304的I/V轉(zhuǎn)換斜率和放大倍數(shù)。電壓值計(jì)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(shù)，數(shù)值由芯片外部電阻決定。圖4中電阻電容R25、C37、R26、C39與 LM358構(gòu)成二階 RC有源20 Hz低通濾波器。PIN光電二極管將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，芯片AD8304通過(guò)對(duì)數(shù)放大運(yùn)算把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再由LM358設(shè)計(jì)的低通濾波器濾除工頻干擾后，利用STM32單片機(jī)的AD采集功能獲取電壓值［8］。

圖4 光功率計(jì)電路圖

公式（2）是通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到的光功率值計(jì)算公式：

式中，X代表電壓值；Y代表光功率值。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此方案設(shè)計(jì)的光功率計(jì)動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍可達(dá)-70～5 dBm，測(cè)量精度可達(dá)±0.01 dBm，可測(cè)量1 310 nm、1 550 nm、1 625 nm等多種波長(zhǎng)的光功率值。

2.3 STM32單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)型號(hào)為STM32F407VGT6，主頻高達(dá)168 MHz，外設(shè)資源豐富，滿足系統(tǒng)的使用需求。單片機(jī)除上文描述需要控制光開(kāi)光、采集光功率值以外，還需要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)指示、控制OT‐DR復(fù)位、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

狀態(tài)指示和控制OTDR復(fù)位功能只需要控制I/O口輸出相應(yīng)的高低電平即可。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能使用2 KB串行E2PROM芯片AT24C02，具有掉電數(shù)據(jù)不丟失的特點(diǎn)，盡管只有2 KB的儲(chǔ)存空間，但完全滿足系統(tǒng)的儲(chǔ)存需求，主要儲(chǔ)存設(shè)備IP地址、端口號(hào)、工作模式等重要數(shù)據(jù)。單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信功能通過(guò)外接W5500芯片實(shí)現(xiàn)，W5500芯片是一款集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器，采用SPI的通信方式與單片機(jī)通信，不需要移植LWIP軟件程序協(xié)議，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。STM32單片機(jī)程序設(shè)計(jì)以C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言為主，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil，其程序流程如圖5所示。

圖5 STM32單片機(jī)程序流程圖

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

為滿足通信機(jī)房的供電標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備內(nèi)置兩個(gè)AC 220 V轉(zhuǎn)DC 24 V和DC-48 V轉(zhuǎn)DC 24 V開(kāi)關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)DC 24 V轉(zhuǎn)DC 12 V、5 V，分別供OTDR和STM32單片機(jī)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(gòu)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(wěn)壓芯片AMS1117為單片機(jī)芯片提供3.3 V供電電源。

圖6 AP1501電路原理圖

3 上位機(jī)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件平臺(tái)功能介紹

上位機(jī)軟件平臺(tái)采用C#語(yǔ)言編寫，上位機(jī)軟件平臺(tái)與各個(gè)變電站的硬件設(shè)備同時(shí)建立TCP連接，不斷監(jiān)測(cè)各個(gè)設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)信息。主要有控制下位機(jī)進(jìn)行模式選擇、保存歷史光功率數(shù)據(jù)、OTDR曲線分析、故障點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)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(jī)功能框圖

運(yùn)維人員通過(guò)操作上位機(jī)軟件便可以修改工作模式、修改OTDR工作參數(shù)、獲取監(jiān)測(cè)光纖的所有狀態(tài)信息，上位機(jī)界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)界面

3.2 故障點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算方法

電力光纖每隔一段距離都會(huì)有光纖接頭盒連接，系統(tǒng)通過(guò)記錄線路走向信息以及每一個(gè)光纖接頭盒的經(jīng)緯度信息，將故障點(diǎn)距離與線路信息、光纖接頭盒經(jīng)緯度信息相匹配，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)經(jīng)緯度計(jì)算。

當(dāng)電力光纖出現(xiàn)故障時(shí)，OTDR檢測(cè)出故障距離為S，將光纖接頭盒的位置點(diǎn)作為電力光纜故障定位的參照位置點(diǎn)，將OTDR測(cè)得的電力光纜線路的故障點(diǎn)距離與實(shí)際地理位置相匹配，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)格式如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

先確定距離故障點(diǎn)最近的光纖接頭盒編號(hào)，計(jì)算公式如下：

式中，Ln表示第n個(gè)光纖接頭盒與檢測(cè)設(shè)備的距離；Tn表示故障點(diǎn)與每一個(gè)檢測(cè)設(shè)備的距離；M取距離故障點(diǎn)最近的光纖接頭盒的距離；n表示距離故障點(diǎn)最近的光纖接頭盒編號(hào)。

如果Tn>0，那就確定光纜距離S在位置點(diǎn)編號(hào)n和n+1之間，通過(guò)查詢這兩點(diǎn)的經(jīng)緯度(Xn,Yn)和(Xn,Yn)與到OTDR測(cè)量點(diǎn)的距離Ln和Ln+1，通過(guò)公式（3）、公式（4）得到電力光纜距離S的經(jīng)緯度。

式中，（XF，YF）為故障點(diǎn)的坐標(biāo)；ξi為第i個(gè)接頭盒的預(yù)留光纜長(zhǎng)度。同理，當(dāng)Tn<0時(shí)，確定光纜距離S在位置點(diǎn)編號(hào)n-1和n之間，經(jīng)緯度計(jì)算方法與Tn>0相同；如果當(dāng)Tn=0時(shí)，光纖接頭盒的經(jīng)緯度就是故障點(diǎn)的經(jīng)緯度［9］，圖10是上位機(jī)故障點(diǎn)位置顯示界面截圖。

圖10 故障點(diǎn)位置顯示界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

相比傳統(tǒng)設(shè)備新設(shè)備改進(jìn)了內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，減少了光開(kāi)關(guān)使用數(shù)量，精簡(jiǎn)了內(nèi)部光纖線路，從理論上講新設(shè)備的光纖就接入損耗應(yīng)該有所降低。為證明新設(shè)備光纖接入損耗有所降低，采用了如下的測(cè)試方法，在新設(shè)備和舊設(shè)備的輸入端都接入-7.0 dBm的光，連續(xù)測(cè)量新舊設(shè)備輸出光功率20次，其結(jié)果如圖11所示，通過(guò)分析得到結(jié)論，新設(shè)備的輸出光功率在-7.6 dBm左右，舊設(shè)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(duì)比圖

設(shè)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(shè)備用于監(jiān)測(cè)從包家變電站到金珠變電站的光纜，金珠變電站用于監(jiān)測(cè)從金珠變電站到鐵東變電站的光纜，兩個(gè)設(shè)備通過(guò)華為傳輸網(wǎng)連接到吉林省電力公司新大樓機(jī)房的服務(wù)器。為驗(yàn)證設(shè)備能精確檢測(cè)到故障點(diǎn)距離，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)包家變電站到金珠變電站的一根備用纖芯進(jìn)行人為破壞，經(jīng)多次驗(yàn)證，設(shè)備能準(zhǔn)確檢測(cè)到故障點(diǎn)位置，誤差在±10 m范圍內(nèi)［10］。

5 結(jié)論

不僅是在電力光纖通信，隨著5 G通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)光纖通信的帶寬、時(shí)效性等方面需求越來(lái)越高，光纖故障在線檢測(cè)設(shè)備的研究將會(huì)日益體現(xiàn)其價(jià)值所在。文章提出了對(duì)原有電力光纖在線檢測(cè)設(shè)備的一種改進(jìn)方法，降低了經(jīng)濟(jì)成本，減少了光纖接入損耗，提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。光纖故障在線檢測(cè)設(shè)備能做到故障及時(shí)檢測(cè)上報(bào)，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益明顯，有力保障了電力光纖通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。后續(xù)課題組會(huì)加大研究投入力度，爭(zhēng)取在電力光纖故障在線檢測(cè)方向做得更好。