论文部分内容阅读
【摘要】 本文详细分析多通路OTDR实时在线监测技术和基于电网GIS应用的光缆故障定位技术，通过利用该技术可以构建电力光缆网多通路在线监测与故障定位系统，提高电力企业电力光缆网的运行稳定性和可靠性。
【关键词】 电力光缆网 多通路 在线监测 故障定位
引言：
电力光缆网一般采用OPGW光缆通过光传输设备进行网络通信组网，承载着调度数据网、通信数据网和信息内网等数据信息的传输，在保障电网企业安全生产的重要设施。然而电力光缆网在运行的过程中，会受到外在因素或者内在因素的影响，导致光缆网出现运行故障，如暴力施工导致的光缆外力破坏、自然条件因素导致的光缆断裂等，故研究电力光缆网多通路OTDR在线监测及故障定位技术具有重要的工程实际应用价值。
一、电力光缆网多通路OTDR在线监测技术概述
1.1 电力光缆网的监测技术现状
随着电力企业运营业务量的增加，如果出现光缆中断情况，则会带来较大的安全运行风险，并且早期建成的运行时间较长的光缆，出现故障的概率更大，一旦出现故障，将带来较大的经济损失，故有必要对电力光缆网加强监测。在早期的电缆网维护中，主要是采用折弯法等物理方式进行故障排查，但这种故障排查方式容易对光纤造成损伤，并且维护的工作量也相对较大。
随着技术的发展，目前OTDR测试仪已经在光缆维护中得到了广泛应用[1]，这种测试仪是采用光时域反射的原理制作而成，在测试的过程中不会对光缆造成损伤，但依然做不到对光缆网的实时在线监测，故这种方法依然难以满足现代电力光缆网的运行维护需求。
1.2 应用多通路OTDR监测技术的必要性
由于单个OTDR模块在使用的过程中只能够对一路纤芯进行监测，如果需要对多个通路进行监测，由于在实际中不能采用多个OTDR模块，故需要采用多通路OTDR监测技术。如果采用光開关对待监测的线路进行切换，则切换时间难以把握，切换时间过长，则对发现故障的灵敏度不够，实际应用效果大大折扣[2]。如果切换时间过短，则会导致设备的使用寿命降低。而采用多通路OTDR监测技术，装置自身的模块具备同时与多个监测通路同时通信的能力，这样就可以实现对光缆纤芯的实时在线监测。
二、多通路OTDR实时在线监测技术分析
2.1 光缆网在线监测系统
在电力企业的光缆网在线监测系统中，采用了计算机控制技术、网络通信技术、数据库技术等，并且和地理信息系统相互结合，使得光缆网能够在地理图上通过图形的方式加以显示。在电力企业光缆网在线监测系统的开发过程中，对于软件系统的开发，可以采用模块化的软件设计思想，并采用Linux操作系统，使得系统具有较高的运行效率。通过将光缆网在线监测系统中的功能进行模块化封装，当某个功能无法正常使用时，排查故障的速度也较快[3]。在光缆网在线监测系统的硬件系统设计方面，可以采用插件结构设计，有利于提高光缆网在线监测系统的运行稳定性。同时，在硬件系统中设置看门狗电路，保证光缆网在线监测系统能够复位。在光缆网在线监测系统中，利用多通路OTDR实时在线监测技术，可以实时监测光缆中的光功率情况，当光缆网中出现异常情况时，可以上送相应的告警信息。
在光缆网在线监测系统的组成上，主要包括了监测装置、监测服务器以及工作站等，监测装置所采集到的数据信息传输到服务器中进行分析和处理，并将结果通过工作站展示在光缆网运维人员面前，实现对光缆网的实时在线监测。其中监测装置占用重要地位，包括了光测试模块、光路切换功能模块、微处理器、光功率检测功能模块、内存单元、光耦合功能模块等。同时监测装置应采用双电源的设计理念，保证当监测装置其中一路电源故障或者失电时，依然能够对光缆网进行监视。
2.2 光缆监测技术方案
在光缆的监测技术方案方面，主要包括对备用纤芯和工作纤芯进行监测的方案，在对光缆中的备用纤芯进行监测的方案中，由于光缆一旦出现故障，一般是整个光缆出现了断裂或者损坏，很少情况下会出现单根光纤断裂[4]。并且对备用纤芯进行实时监测，也不会对正常的通信业务产生任何影响，故这种光缆监测方案的性价比相对较高。另外，由于备用纤芯上没有业务数据，故测试光的波长可以和正常业务光波长一致，互不干扰。
在测试波长的选择上，由于1310nm和1550nm在实际中的应用较多，故可以加以采用。同时由于波长为1625nm的信号对光缆中的信号较为灵敏，即使出现了微小的变化，也能够准确感知，故也可以采用1625nm波长。在监测系统的结构方面，也较为简单清晰。
另一种是对工作纤芯进行监测的方案，下图1为工作纤芯的监测方案原理图。
在图1中工作纤芯的监测方案中，所采用的测试光在波长上应保证和正常工作光的波长具有一定的差异，这样就不会干扰光缆中正常的业务数据。在光缆中，两种光通过FCM头端耦合，以合波的方式进行传输，到达目的地之后，再通过FCM末端滤波，将测试光加以滤除，正常业务光依然可以通过。但由于FCM头端耦合和FCM末端滤波同时接入了两种类型的光，故在具体的安装实施过程中，需要断开正常的光通道业务，对电力生产具有一定的影响。这两种监测技术方案，都可以对光缆网实现多通路OTDR实时在线监测。
三、基于电网GIS应用的光缆故障定位技术分析
随着电力光缆网运维工作量的增大，需要采用更为先进的技术，快速定位光缆具体的故障位置，降低光缆的故障排查时间。当告警监测模块采集到光缆网中的光功率出现异常情况时，此时装置会通过调用OTDR模块测算与光缆故障点之间的距离，实现对光缆的故障定位。
3.1 光缆故障定位系统的开发原则 在光缆故障定位系统中的OTDR模块中，需要采用软件控制算法，对故障光缆的距离进行可靠的计算。在基于电网GIS应用的光缆故障定位系统开发中，可以采用面向对象的结构化软件设计思想，通过采用地图数字化技术，在地图上显示出光缆的故障类型和具体的故障点[5]。同时，将软件系统分为不同的功能模块，包括光缆监测模块、光缆拓扑模块、数据管理模块、曲线分析模块、故障处理模块和报表功能模块等。各个功能模块分别承担着不同的任务，可以根据用户的实际需要调用。
数据库的设计也是光缆故障定位系统开发过程中的重要内容，对于故障定位控制算法的计算性能具有直接的影响，应强化对标识码的辨识。此外由于光缆故障的类型较多，为了提高对光缆故障的应急响应速度，可以建立光缆故障的应急预案库。当检测到光缆出现了某种类型的故障之后，生产匹配出相应的应急处理措施，并进行辅助决策。
3.2 光缆故障定位系统的算法
在故障定位算法的选择上，可以采用小波变换技术和反向传播算法。由于采用OTDR只能对各个测试点的光信号衰减值进行测量，依然需要对OTDR曲线采用算法进行分析才能夠定位光缆的具体故障位置，此时就可以利用小波变换算法。利用小波变换算法，从频域的角度，可以将实际的OTDR曲线分解为若干个组成成分，包括尖峰部分、突变部分、噪声部分等。
通过小波算法和反向传播算法的处理，可以将OTDR曲线中的突变信号部分增强，并抑制曲线中的噪声部分，以获取到关键故障信息点，实现对光缆故障点的定位。反向传播算法在应用的过程中，能够很好地与光缆的拓扑模型相互结合，分别在前向传播和后向传播阶段进行训练，调整权重系数。一般当光缆网出现故障之后，机房中的光端机会发出相关的无光告警信息，同时触发测试模块进行光路测试，得出测试结果。
四、结束语
随着电力企业光缆网的规模不断变大，结构也更为复杂，对电力光缆网的运行状况在线监测具有较强的必要性。采用本文所述的多通路OTDR实时在线监测技术和基于电网GIS应用的光缆故障定位技术，可以快速对光缆故障点进行定位，从而缩短光缆网的故障时间，在实际中具有较高的推广应用价值。
参 考 文 献
[1] 徐略红， 郑钧议， 伍顺有，等. 基于GIS系统的电力光缆网多通路在线监测与故障定位系统[J]. 电子世界， 2019， No.560（02）：184-186.
[2] 王甜甜， 杨鸿珍， 吴杰，等. 智能光配系统中基于光缆价值量的最少OTDR全覆盖搜索策略研究[J]. 电力信息化， 2020， 018（005）：52-57.
[3] 张浩， 张煜. 通信光缆的在线监测系统研究与应用[J]. 通讯世界， 2018， 341（10）：45-46.
[4] 徐略红， 黄华平， 庞龙，等. 浅析电力光缆网多通路在线监测与故障定位关键技术[J]. 中国新通信， 2019， 021（005）：51-54.
[5] 张晓龙， 宫贺， 余晶晶，等. 基于光纤网的光缆线路故障告警技术研究[J]. 智能电网：汉斯， 2018， 008（001）：P.87-95.
【关键词】 电力光缆网 多通路 在线监测 故障定位
引言：
电力光缆网一般采用OPGW光缆通过光传输设备进行网络通信组网，承载着调度数据网、通信数据网和信息内网等数据信息的传输，在保障电网企业安全生产的重要设施。然而电力光缆网在运行的过程中，会受到外在因素或者内在因素的影响，导致光缆网出现运行故障，如暴力施工导致的光缆外力破坏、自然条件因素导致的光缆断裂等，故研究电力光缆网多通路OTDR在线监测及故障定位技术具有重要的工程实际应用价值。
一、电力光缆网多通路OTDR在线监测技术概述
1.1 电力光缆网的监测技术现状
随着电力企业运营业务量的增加，如果出现光缆中断情况，则会带来较大的安全运行风险，并且早期建成的运行时间较长的光缆，出现故障的概率更大，一旦出现故障，将带来较大的经济损失，故有必要对电力光缆网加强监测。在早期的电缆网维护中，主要是采用折弯法等物理方式进行故障排查，但这种故障排查方式容易对光纤造成损伤，并且维护的工作量也相对较大。
随着技术的发展，目前OTDR测试仪已经在光缆维护中得到了广泛应用[1]，这种测试仪是采用光时域反射的原理制作而成，在测试的过程中不会对光缆造成损伤，但依然做不到对光缆网的实时在线监测，故这种方法依然难以满足现代电力光缆网的运行维护需求。
1.2 应用多通路OTDR监测技术的必要性
由于单个OTDR模块在使用的过程中只能够对一路纤芯进行监测，如果需要对多个通路进行监测，由于在实际中不能采用多个OTDR模块，故需要采用多通路OTDR监测技术。如果采用光開关对待监测的线路进行切换，则切换时间难以把握，切换时间过长，则对发现故障的灵敏度不够，实际应用效果大大折扣[2]。如果切换时间过短，则会导致设备的使用寿命降低。而采用多通路OTDR监测技术，装置自身的模块具备同时与多个监测通路同时通信的能力，这样就可以实现对光缆纤芯的实时在线监测。
二、多通路OTDR实时在线监测技术分析
2.1 光缆网在线监测系统
在电力企业的光缆网在线监测系统中，采用了计算机控制技术、网络通信技术、数据库技术等，并且和地理信息系统相互结合，使得光缆网能够在地理图上通过图形的方式加以显示。在电力企业光缆网在线监测系统的开发过程中，对于软件系统的开发，可以采用模块化的软件设计思想，并采用Linux操作系统，使得系统具有较高的运行效率。通过将光缆网在线监测系统中的功能进行模块化封装，当某个功能无法正常使用时，排查故障的速度也较快[3]。在光缆网在线监测系统的硬件系统设计方面，可以采用插件结构设计，有利于提高光缆网在线监测系统的运行稳定性。同时，在硬件系统中设置看门狗电路，保证光缆网在线监测系统能够复位。在光缆网在线监测系统中，利用多通路OTDR实时在线监测技术，可以实时监测光缆中的光功率情况，当光缆网中出现异常情况时，可以上送相应的告警信息。
在光缆网在线监测系统的组成上，主要包括了监测装置、监测服务器以及工作站等，监测装置所采集到的数据信息传输到服务器中进行分析和处理，并将结果通过工作站展示在光缆网运维人员面前，实现对光缆网的实时在线监测。其中监测装置占用重要地位，包括了光测试模块、光路切换功能模块、微处理器、光功率检测功能模块、内存单元、光耦合功能模块等。同时监测装置应采用双电源的设计理念，保证当监测装置其中一路电源故障或者失电时，依然能够对光缆网进行监视。
2.2 光缆监测技术方案
在光缆的监测技术方案方面，主要包括对备用纤芯和工作纤芯进行监测的方案，在对光缆中的备用纤芯进行监测的方案中，由于光缆一旦出现故障，一般是整个光缆出现了断裂或者损坏，很少情况下会出现单根光纤断裂[4]。并且对备用纤芯进行实时监测，也不会对正常的通信业务产生任何影响，故这种光缆监测方案的性价比相对较高。另外，由于备用纤芯上没有业务数据，故测试光的波长可以和正常业务光波长一致，互不干扰。
在测试波长的选择上，由于1310nm和1550nm在实际中的应用较多，故可以加以采用。同时由于波长为1625nm的信号对光缆中的信号较为灵敏，即使出现了微小的变化，也能够准确感知，故也可以采用1625nm波长。在监测系统的结构方面，也较为简单清晰。
另一种是对工作纤芯进行监测的方案，下图1为工作纤芯的监测方案原理图。
在图1中工作纤芯的监测方案中，所采用的测试光在波长上应保证和正常工作光的波长具有一定的差异，这样就不会干扰光缆中正常的业务数据。在光缆中，两种光通过FCM头端耦合，以合波的方式进行传输，到达目的地之后，再通过FCM末端滤波，将测试光加以滤除，正常业务光依然可以通过。但由于FCM头端耦合和FCM末端滤波同时接入了两种类型的光，故在具体的安装实施过程中，需要断开正常的光通道业务，对电力生产具有一定的影响。这两种监测技术方案，都可以对光缆网实现多通路OTDR实时在线监测。
三、基于电网GIS应用的光缆故障定位技术分析
随着电力光缆网运维工作量的增大，需要采用更为先进的技术，快速定位光缆具体的故障位置，降低光缆的故障排查时间。当告警监测模块采集到光缆网中的光功率出现异常情况时，此时装置会通过调用OTDR模块测算与光缆故障点之间的距离，实现对光缆的故障定位。
3.1 光缆故障定位系统的开发原则 在光缆故障定位系统中的OTDR模块中，需要采用软件控制算法，对故障光缆的距离进行可靠的计算。在基于电网GIS应用的光缆故障定位系统开发中，可以采用面向对象的结构化软件设计思想，通过采用地图数字化技术，在地图上显示出光缆的故障类型和具体的故障点[5]。同时，将软件系统分为不同的功能模块，包括光缆监测模块、光缆拓扑模块、数据管理模块、曲线分析模块、故障处理模块和报表功能模块等。各个功能模块分别承担着不同的任务，可以根据用户的实际需要调用。
数据库的设计也是光缆故障定位系统开发过程中的重要内容，对于故障定位控制算法的计算性能具有直接的影响，应强化对标识码的辨识。此外由于光缆故障的类型较多，为了提高对光缆故障的应急响应速度，可以建立光缆故障的应急预案库。当检测到光缆出现了某种类型的故障之后，生产匹配出相应的应急处理措施，并进行辅助决策。
3.2 光缆故障定位系统的算法
在故障定位算法的选择上，可以采用小波变换技术和反向传播算法。由于采用OTDR只能对各个测试点的光信号衰减值进行测量，依然需要对OTDR曲线采用算法进行分析才能夠定位光缆的具体故障位置，此时就可以利用小波变换算法。利用小波变换算法，从频域的角度，可以将实际的OTDR曲线分解为若干个组成成分，包括尖峰部分、突变部分、噪声部分等。
通过小波算法和反向传播算法的处理，可以将OTDR曲线中的突变信号部分增强，并抑制曲线中的噪声部分，以获取到关键故障信息点，实现对光缆故障点的定位。反向传播算法在应用的过程中，能够很好地与光缆的拓扑模型相互结合，分别在前向传播和后向传播阶段进行训练，调整权重系数。一般当光缆网出现故障之后，机房中的光端机会发出相关的无光告警信息，同时触发测试模块进行光路测试，得出测试结果。
四、结束语
随着电力企业光缆网的规模不断变大，结构也更为复杂，对电力光缆网的运行状况在线监测具有较强的必要性。采用本文所述的多通路OTDR实时在线监测技术和基于电网GIS应用的光缆故障定位技术，可以快速对光缆故障点进行定位，从而缩短光缆网的故障时间，在实际中具有较高的推广应用价值。
参 考 文 献
[1] 徐略红， 郑钧议， 伍顺有，等. 基于GIS系统的电力光缆网多通路在线监测与故障定位系统[J]. 电子世界， 2019， No.560（02）：184-186.
[2] 王甜甜， 杨鸿珍， 吴杰，等. 智能光配系统中基于光缆价值量的最少OTDR全覆盖搜索策略研究[J]. 电力信息化， 2020， 018（005）：52-57.
[3] 张浩， 张煜. 通信光缆的在线监测系统研究与应用[J]. 通讯世界， 2018， 341（10）：45-46.
[4] 徐略红， 黄华平， 庞龙，等. 浅析电力光缆网多通路在线监测与故障定位关键技术[J]. 中国新通信， 2019， 021（005）：51-54.
[5] 张晓龙， 宫贺， 余晶晶，等. 基于光纤网的光缆线路故障告警技术研究[J]. 智能电网：汉斯， 2018， 008（001）：P.87-95.