郭偉，楊競悅，胡啟盟

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100)

配電網(wǎng)通信光纜網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭偉，楊競悅，胡啟盟

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100)

針對當(dāng)前配電網(wǎng)通信光纜管理需求，提出了光纜資源信息模型、光路拓?fù)湫畔⒛Ｐ鸵约敖Ｒ?guī)范，引入基于光學(xué)測量、電子標(biāo)簽、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，開發(fā)了光纜網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)測和資源管理系統(tǒng)，通過集中的自動維護(hù)方式，及時地反映光纜的運(yùn)行狀況，在光纜出現(xiàn)故障時，能夠快速測試、準(zhǔn)確定位。

通信光纜；故障點(diǎn)定位；光時域反射儀 (OTDR)；電子標(biāo)簽 (RFID)；地理信息系統(tǒng) (GIS)

0 前言

隨著智能電網(wǎng)的深入建設(shè)[1-3]，電力通信網(wǎng)在保障電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高電網(wǎng)企業(yè)信息化水平等方面發(fā)揮著重要作用。光纖通信具有傳輸容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾及雷電干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4]，在電力配網(wǎng)通信網(wǎng)中的大規(guī)模運(yùn)用，光纜規(guī)模在急劇增加。新建光纖傳輸通道通常采用架空或管道方式，絕大部分通信光纜與配電線路同桿塔架設(shè)。因光纖特性較脆，傳輸特性在運(yùn)行過程中經(jīng)常發(fā)生變化。當(dāng)光纜發(fā)生故障將直接導(dǎo)致一個片區(qū)的配網(wǎng)自動化終端與主站之間的通信通道中斷，影響通信網(wǎng)的正常工作。傳統(tǒng)的光纜線路維護(hù)管理測試的工作量大，風(fēng)險較高；定位不準(zhǔn)確，排障時間長。為了保障通信，提高光纜的可用率，同時彌補(bǔ)維護(hù)力量相對不足的缺點(diǎn)，要求通信光纜采用集中化、電子化、自動化的維護(hù)手段。

文獻(xiàn) [5-6]介紹了利用光時域反射計(jì) (OTDR)技術(shù)進(jìn)行光纜故障定位原理及方法。文獻(xiàn)[7-8]介紹了基于無源超高頻電子標(biāo)簽在電力資產(chǎn)管理與定位方面的優(yōu)勢。國內(nèi)已經(jīng)有許多電力企業(yè)建立了基于GIS的配電管理系統(tǒng)[9]，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)進(jìn)行自動分析。本文利用配電GIS平臺，引入RFID技術(shù)，集成多站點(diǎn)部署ODTR測試功能，將配電網(wǎng)光纜通信設(shè)備的空間信息和屬性信息統(tǒng)一，開發(fā)了配電網(wǎng)通信光纜網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)測管理系統(tǒng)，可以使用戶在基礎(chǔ)管理、設(shè)備管理、運(yùn)行管理及故障檢修等方面，直觀掌握整個配電網(wǎng)光纜網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備運(yùn)行情況。

1 功能設(shè)計(jì)

通過在電力局布置光纜網(wǎng)絡(luò)集中管理系統(tǒng)，具備如下功能：一方面要及時掌握光纜網(wǎng)的運(yùn)行狀況，及時發(fā)現(xiàn)劣化趨勢，防患于未然；另一方面當(dāng)出現(xiàn)斷纖時，能夠快速相應(yīng)，準(zhǔn)確地標(biāo)定位，縮短運(yùn)維人員排障歷時；同時，大量與光纜維護(hù)和管理相關(guān)的信息，利用電子化的手段進(jìn)行表報記錄、處理和查詢等工作。通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自動化、數(shù)字化和信息化的集中式維護(hù)及管理，提高通信運(yùn)維人員效率。

1.1 OTDR原理

OTDR是光纜監(jiān)測的重要工具，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的光電一體化儀表。OTDR測試是通過發(fā)射光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，由于光纖本身的性質(zhì)，連接器，接合點(diǎn)，彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射、反射，OTDR端口會接收部分的散射和反射返回的信息。根據(jù)收到的散射信號的強(qiáng)弱計(jì)算出光纖的衰減特性；根據(jù)收到的反射回波信號和時間計(jì)算出斷點(diǎn)與接頭的距離。通過以下的公式測量距離：

在這個公式里，c是光在真空中的速度，t是信號發(fā)射后到接收到信號時間，(IOR)被測的光纖折射率。

1.2 光纜故障GIS定位

光纜敷設(shè)完成后設(shè)置測試點(diǎn)，利用OTDR測試曲線結(jié)合光纜鋪設(shè)情況，分析推導(dǎo)出測試段內(nèi)光纜經(jīng)過的連接點(diǎn)、拐點(diǎn)、盤留點(diǎn)、中繼點(diǎn)等與測試曲線中的突變點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合桿、塔、站、井等地理位置，將突變點(diǎn)準(zhǔn)確地定位到 “關(guān)鍵點(diǎn)”參照物上，減少僅利用光纜長度推斷故障點(diǎn)所帶來的誤差。

1.3 電子標(biāo)簽的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng) (GIS)以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS)的成熟技術(shù)為光纜線路故障點(diǎn)定位提供了基礎(chǔ)；電子標(biāo)簽具有唯一的電子物品編碼，將電子標(biāo)簽安裝在 “關(guān)鍵點(diǎn)”的光纜通道或光纜上，記錄 “關(guān)鍵點(diǎn)”身份及相關(guān)信息，通過手持終端現(xiàn)場讀/寫功能獲取信息統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中查詢相關(guān)資源的信息。RFID編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子標(biāo)簽編碼結(jié)構(gòu)

2 信息模型

本系統(tǒng)的信息建模主要包括三個方面的內(nèi)容：通信資源信息、光路拓?fù)湫畔⒑蜏y試路由信息。

2.1 通信資源信息

通信光纜資源維護(hù)主要是針對光路上光纖、配線架、接頭、分光器、連接器、熔接點(diǎn)等多種器件，此外，還包括對局點(diǎn)、管道、桿路等設(shè)施的維護(hù)[10]。建立通信光纜資源信息模型，并把“關(guān)鍵點(diǎn)”設(shè)備相關(guān)信息寫入電子標(biāo)簽，確保在網(wǎng)設(shè)備的記錄與運(yùn)行中的資源對應(yīng)，有利于全網(wǎng)的通信資源的統(tǒng)一集中管理。

對通信光纜資源建模，需要收集通信光纜相關(guān)資源的屬性參數(shù)并形成資源分類信息數(shù)據(jù)庫。如：涉及光通道的光纜線路及光纜段；涉及光匯集的配線架、接頭、分光器、連接器、熔接點(diǎn)等通信節(jié)點(diǎn)；以及供電局、通信站、塔、井等相關(guān)輔助設(shè)施。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型有多種展示方式，最常用的是樹形結(jié)構(gòu)。樹形結(jié)構(gòu)展示能充分體現(xiàn)出資源的層次關(guān)系，要求必須有一個根節(jié)點(diǎn)，且每一個子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)是唯一的[11]。依據(jù)通信光纜管理模式，根節(jié)點(diǎn)為省電力公司，下屬電力局管理通信站和光纜線路，通信站內(nèi)可有多個通信節(jié)點(diǎn)，光纜線路可包含多個光纜段，此外，通信節(jié)點(diǎn)和光纜段還具有各自的應(yīng)用屬性，依次按從屬關(guān)系形成子節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)均有唯一路徑，采用URI域命名規(guī)則，可與其它資源管理系統(tǒng)設(shè)備建立映射關(guān)系。設(shè)備屬性數(shù)據(jù)由局方提供或其它系統(tǒng)導(dǎo)入，統(tǒng)一建模并錄入系統(tǒng)中。

2.3 光路拓?fù)湫畔⒛Ｐ?/p>

光通信是通過光纜段的首/未端接點(diǎn)在不同的光纜段間建立光路，光路拓?fù)涫遣檎夜馔ㄐ怕窂?。光路拓?fù)湫畔⒛Ｐ陀芍?、?jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)是同接點(diǎn)的光纜端接點(diǎn)的集合，支路連接不同的兩個節(jié)點(diǎn)的光通信路徑。通過對區(qū)域內(nèi)所有光纜段檢查，形成光纜段的接點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)從屬關(guān)系、節(jié)點(diǎn)-支路 (光纜段)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立光路拓?fù)湫畔⒛Ｐ?，如圖2所示。

圖2 拓?fù)淠Ｐ?/p>

2.4 測試路由

根據(jù)實(shí)際需要對關(guān)鍵光纜路徑建立測試路由并定期監(jiān)測，為評估單根光纖或完整光纜鏈路傳輸質(zhì)量以及出現(xiàn)故障時及時定位故障點(diǎn)；系統(tǒng)也可以自動選擇部署的OTDR站點(diǎn)為起始點(diǎn)，通過對區(qū)域內(nèi)光纜段拓?fù)浞治?，?chuàng)建測試路由并進(jìn)行測試。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用三層結(jié)構(gòu)，包括狀態(tài)感知層、支撐服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層。縱向業(yè)務(wù)應(yīng)用與相應(yīng)支撐服務(wù)相關(guān)聯(lián)，橫向不同的服務(wù)通過數(shù)據(jù)庫松耦合，添加新的服務(wù)功能不涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不影響已有的業(yè)務(wù)，方便系統(tǒng)應(yīng)用功能的擴(kuò)充。

3.2 故障點(diǎn)定位算法

由系統(tǒng)拓?fù)渌惴ㄌ峁y試路由或檢查光路徑反映的光纜段的連接關(guān)系。通過測試路由計(jì)算對應(yīng)光纜長度，結(jié)合 “關(guān)鍵點(diǎn)”信息把故障點(diǎn)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)，通過GIS地圖顯示，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位。

4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)硬件平臺由電力局管理服務(wù)器和部署站點(diǎn)的OTDR和OFMS共同構(gòu)成。光纜集中監(jiān)測管理系統(tǒng)通過DCN網(wǎng)絡(luò)定期訪問部署OTDR和OFMS每個站點(diǎn)，可以將遍布各地的光纜線路都納入到管理之中。實(shí)現(xiàn)主要功能如下：

1)光纜集中監(jiān)測：定期對全網(wǎng)光纜進(jìn)行自動測試，通過指令控制其掃描對應(yīng)的光鏈路性能，對OLT的快速檢測，如網(wǎng)元、單板、端口、光器件、ONU狀態(tài)信息等，采集測試結(jié)果并自動進(jìn)行分析比較，可以快速判斷故障發(fā)生的區(qū)域和識別故障原因，如斷纖、連接器故障等，如果是發(fā)生在主干光纖上，能夠精準(zhǔn)定位故障發(fā)生的位置。

2)資源維護(hù)與管理：用戶通過系統(tǒng)圖形接口，實(shí)現(xiàn)對局點(diǎn)、光纜段、管道段、地標(biāo)和連接點(diǎn)等資源可視化管理.

3)地圖故障定位：系統(tǒng)提供電子地圖功能，除能在界面上真實(shí)反映光纜網(wǎng)絡(luò)的分布情況，在光纜中斷告警發(fā)生時能準(zhǔn)確地定位中斷點(diǎn)，并能結(jié)合 “關(guān)鍵點(diǎn)”計(jì)算出光纜中斷點(diǎn)地理位置，在電子地圖上標(biāo)識出來。

4)光纜路由及拓?fù)鋱D：通過指定局點(diǎn)的方式，將光纜路由、關(guān)聯(lián)的光交接箱等在電子地圖上予以顯示，提供相關(guān)路由的光纜規(guī)格和型號、利用率等關(guān)鍵屬性信息；用戶可以生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，根據(jù)拓?fù)鋱D建立測試路由，也可以手動建立測試路由，系統(tǒng)校驗(yàn)其正確性并在地圖上顯示。

除上述功能外，系統(tǒng)還提供對整體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備屬性數(shù)據(jù)與故障分布的統(tǒng)計(jì)分析功能，挖掘相互之間的關(guān)系，為光纜新建的資源選型提供依據(jù)；規(guī)劃設(shè)計(jì)人員也可以利用GIS功能，制定出最佳的路線和資源配置方案，為光纜新建路由、容量、位置等方面科學(xué)控制和利用資源提供決策支持。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目建成配網(wǎng)通信光纜集中管理系統(tǒng)，通過引入RFID技術(shù)、GIS及GPS功能，使其故障點(diǎn)的測量誤差控制在幾十厘米以內(nèi)，運(yùn)維人員根據(jù)系統(tǒng)提示可直接找到故障點(diǎn)進(jìn)行處理，提高了故障測尋的效率，從而節(jié)省人力物力，縮短處理故障的時間，創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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郭偉，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，主要從事電力調(diào)度通信管理工作。

楊競悅，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，主要從事電力通信運(yùn)行管理工作。

胡啟盟，助理工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，主要從事電力通信運(yùn)行管理工作。

Design and Implementation of Communication Optical Fiber Cable Centralized Monitoring and Management System for Distribution Network Based on GIS

GUO Wei，YANG Jingyue，HU Qimeng
(Yuxi Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Yuxi，Yunnan 653100，China)

This article supplements to the management for current communication optical cables of electric distribution network.The information model of optical cables，the topological information model of optical path，and the unified modeling method are presented in this article.Based on optical measurement technology，radio frequency identification and geographic information system，the centralized monitoring and management system for optical cable are developed.By the way of centralized automatic maintenance，this system can timely retrieve the running status of opticcables.It can quickly test and accurately locate the fault if optical cables have failure.

communication optical fiber cable；fault location；optical time domain reflectometer；radio frequency identification；geographic information system

TM76

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1006-7345(2015)06-0071-03

2015-09-03