花純征，梁永進(jìn)，劉軍偉

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司宿州供電公司，安徽 宿州 234000)

電力EPON通信網(wǎng)光纜在線監(jiān)測(cè)方案分析

花純征，梁永進(jìn)，劉軍偉

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司宿州供電公司，安徽 宿州 234000)

針對(duì)電力EPON通信網(wǎng)中光纜故障容易影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的問(wèn)題，詳細(xì)分析和比較兩種光纜在線監(jiān)測(cè)方案，并制定選擇基準(zhǔn)。宿州市供電公司根據(jù)實(shí)際需求，在用電信息采集系統(tǒng)的EPON通信網(wǎng)中，部署基于輪詢的光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行情況表明，系統(tǒng)可以分析光纜實(shí)時(shí)性能，快速定位故障，提高運(yùn)維水平。

電力通信；EPON；光纜；在線監(jiān)測(cè)；輪詢

0 引 言

智能電網(wǎng)的時(shí)代，電力系統(tǒng)中大量業(yè)務(wù)信息的傳輸對(duì)電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、高效性、安全性等提出了更高要求[1]。而EPON(Ethernet Passive Optical Network，以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò))憑借其低成本、高帶寬、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)良特性，在用電信息采集、配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[2-3]。

EPON通信網(wǎng)中，光纜鋪設(shè)于野外，更易發(fā)生損壞和故障，使得電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無(wú)法正常、高效地傳輸。隨著光纖通信的發(fā)展，相應(yīng)的光纜監(jiān)測(cè)技術(shù)也有所發(fā)展，例如傳統(tǒng)的人工光纜監(jiān)測(cè)方案、光纜離線監(jiān)測(cè)方案，但這些方案有一定的局限性和不足。針對(duì)宿州市供電公司用電信息采集系統(tǒng)中的EPON通信網(wǎng)，分析相應(yīng)的光纜在線監(jiān)測(cè)方案[4]，并進(jìn)行部署，分析光纜實(shí)時(shí)性能和故障信息，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)EPON通信網(wǎng)的運(yùn)維水平。

1 EPON簡(jiǎn)述

EPON將以太網(wǎng)接入到無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中，采用點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用無(wú)源光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。EPON由OLT(Optical Line Terminal，光線路終端)、ONU(Optical Network Unit，光網(wǎng)絡(luò)單元)和ODN(Optical Distribution Network，光分配網(wǎng))組成[5]，如圖1所示。ODN則由光纜線路和分光器等無(wú)源器件構(gòu)成，OLT到分光器間為主干光纜，分光器到ONU間為支路光纜。

圖1 EPON基本組成結(jié)構(gòu)

2 光纜在線監(jiān)測(cè)方案

傳統(tǒng)光纜監(jiān)測(cè)方案有一定局限性，難以滿足在大規(guī)模電力EPON通信網(wǎng)中的應(yīng)用。因此，利用波分復(fù)用、濾波器等原理，再結(jié)合軟件工程，形成集軟硬件于一體的光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在不影響電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)那疤嵯?，?shí)現(xiàn)對(duì)EPON通信網(wǎng)的光纜監(jiān)測(cè)。

2.1 基于輪詢的在線監(jiān)測(cè)方案

2.1.1整體架構(gòu)

電力EPON通信網(wǎng)中，基于輪詢的監(jiān)測(cè)方案的架構(gòu)如圖2所示。該方案主要由硬件測(cè)試和軟件管理兩層次組成。

圖2 基于輪詢的監(jiān)測(cè)方案架構(gòu)

2.1.2硬件測(cè)試層

硬件測(cè)試部分中測(cè)試設(shè)備主要包括OTDR(Optical Time Domain Reflector，光時(shí)域反射儀)[6]、光開(kāi)關(guān)、合波器和反射尾纖。

OTDR與軟件管理層中的服務(wù)器進(jìn)行交互，從服務(wù)器中周期性地接收測(cè)試命令，然后產(chǎn)生波長(zhǎng)為1 650 nm的測(cè)試光，對(duì)指定光纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，OTDR可以收到反射信號(hào)，并其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，得到測(cè)試光纜的長(zhǎng)度、性能、損耗等數(shù)據(jù)。

光開(kāi)關(guān)具有多個(gè)可選傳輸端口，可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行邏輯切換，進(jìn)而選擇不同的光纜線路。單臺(tái)OLT引出多條主干光纜，連接至多臺(tái)分光器，存在多主干光纜線路并行的情況。因此，通過(guò)光開(kāi)關(guān)的光路切換，可以對(duì)主干光纜進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)逐一監(jiān)測(cè)。

合波器采用波分復(fù)用的原理，可將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在發(fā)送端匯合，并耦合到同條光纜中進(jìn)行傳輸[7]。EPON中用于傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)光波長(zhǎng)為1 310 nm 和1 550 nm，與測(cè)試光波長(zhǎng)不同。因此，通過(guò)合波器，測(cè)試光和業(yè)務(wù)光便可同時(shí)傳輸，而無(wú)需中斷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的正常傳輸。

反射尾纖主要用于增強(qiáng)測(cè)試光反射信號(hào)，并利用濾波器原理，過(guò)濾測(cè)試光，避免其對(duì)業(yè)務(wù)光造成干擾。每次測(cè)試會(huì)返回多條支路光纜的數(shù)據(jù)，可通過(guò)使用不同長(zhǎng)度的反射尾纖來(lái)進(jìn)行區(qū)分。

2.1.3軟件管理層

軟件管理部分中的服務(wù)器中包含有OTDR控制程序、測(cè)試數(shù)據(jù)接收和分析程序，以及數(shù)據(jù)庫(kù)。服務(wù)器中的OTDR控制程序通過(guò)通信協(xié)議，可以周期性地對(duì)OTDR發(fā)出測(cè)試命令，并通過(guò)接收和分析程序，解析OTDR返回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將其存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果光纜發(fā)生故障，服務(wù)器可直接通過(guò)短信接口告知維護(hù)人員故障的具體位置，讓其及時(shí)前去維修。

另外，值班人員還可以通過(guò)客戶端來(lái)查詢和對(duì)比當(dāng)前和歷史的光纜數(shù)據(jù)，例如光纜長(zhǎng)度、回波損耗以及波形數(shù)據(jù)等，進(jìn)而分析每路光纜的性能變化。值班人員若發(fā)現(xiàn)某路光纜損耗過(guò)大，即使還沒(méi)有產(chǎn)生故障，也可產(chǎn)生預(yù)警，及時(shí)通知維護(hù)人員，在故障發(fā)生前對(duì)存在隱患的線路進(jìn)行檢查，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電力EPON網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，為電力業(yè)務(wù)信息的高效、可靠傳輸保駕護(hù)航。

2.2 自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方案

電力EPON通信網(wǎng)中，自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方案架構(gòu)如圖3所示，其也由硬件測(cè)試和軟件管理兩層次組成。但與輪詢監(jiān)測(cè)方案相比，該方案主要有兩點(diǎn)不同：(1)硬件測(cè)試層中加入光功率計(jì)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每條主干光纜上的光功率；(2)軟件管理中的服務(wù)器端程序不再周期性發(fā)出測(cè)試命令，而由光功率計(jì)驅(qū)動(dòng)服務(wù)器端程序，向OTDR發(fā)出測(cè)試命令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

圖3 自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方案架構(gòu)

自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方案的硬件測(cè)試層中，除了增加的光功率計(jì)外，其他測(cè)試設(shè)備與輪詢監(jiān)測(cè)方案中起著相同的作用。電力EPON通信網(wǎng)中，單臺(tái)OLT通過(guò)多個(gè)端口連接多條主干光纜。對(duì)于每條主干光纜，都需要一臺(tái)光功率計(jì)在發(fā)送端與其相連，可同時(shí)監(jiān)測(cè)多條光纜的光功率值，并將每條線路的光功率值及變化情況，及時(shí)地上傳到服務(wù)器。

自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方案的軟件管理層中，服務(wù)器需要與光功率計(jì)建立連接，接收每條主干光纜的光功率值，與正常的光功率閾值進(jìn)行比較。當(dāng)某條主干光纜或其之后的支路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起光功率值的變化。服務(wù)器會(huì)迅速發(fā)現(xiàn)該條光纜線路光功率值低于正常閾值，自動(dòng)向OTDR發(fā)出針對(duì)這條光纜的測(cè)試命令，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和波形，確定故障類(lèi)型和位置，通過(guò)短信接口及時(shí)通知維護(hù)人員前去修復(fù)。

2.3 兩種在線監(jiān)測(cè)方案對(duì)比

基于輪詢的在線監(jiān)測(cè)方案和自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方案都有一定優(yōu)勢(shì)，表1是對(duì)兩種在線測(cè)試方案主要性能的對(duì)比。

表1 兩種在線監(jiān)測(cè)方案對(duì)比

基于輪詢的在線監(jiān)測(cè)方案整體架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。該方案可以周期性地對(duì)EPON全網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即使光纜線路沒(méi)有發(fā)生故障，也會(huì)定時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而得到每條光纜的長(zhǎng)度、損耗、波形等數(shù)據(jù)。值班人員便能在客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)每條光纜性能的縱向分析，預(yù)測(cè)故障的發(fā)生，提前維護(hù)，防患于未然。但是，該方案每次都需要對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試規(guī)模較大，且過(guò)于頻繁，會(huì)對(duì)OTDR、光開(kāi)關(guān)等測(cè)試設(shè)備造成過(guò)大壓力，減少整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命。

自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方案則需要在在OLT端的每條主干光纜上部署光功率計(jì)，整體架構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。該方案只會(huì)在光纜發(fā)生故障時(shí)，由光功率計(jì)驅(qū)動(dòng)服務(wù)器端的程序，針對(duì)故障線路進(jìn)行測(cè)試，來(lái)確定故障類(lèi)型和位置，并不對(duì)正常的光纜進(jìn)行測(cè)試。這樣，測(cè)試規(guī)模較小，且只在故障時(shí)測(cè)試，對(duì)OTDR、光開(kāi)關(guān)等測(cè)試設(shè)備造成的壓力也很小，整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命較長(zhǎng)。但是，該方案無(wú)法測(cè)試正常光纜的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，不能做縱向分析，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

根據(jù)對(duì)比，兩種在線監(jiān)測(cè)方案各有優(yōu)劣，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，制定選擇基準(zhǔn)：(1)當(dāng)EPON網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一般，承載業(yè)務(wù)特別重要，光纜故障會(huì)造成較大損失，需要全網(wǎng)光纜性能分析和故障預(yù)警時(shí)，則選擇基于輪詢的在線監(jiān)測(cè)方案；(2)當(dāng)EPON網(wǎng)絡(luò)規(guī)模特別龐大，輪詢壓力太大，同時(shí)有完善的應(yīng)急通信系統(tǒng)做支撐，光纜故障并不立即造成數(shù)據(jù)丟失，則選擇自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方案。

3 應(yīng)用分析

國(guó)家電網(wǎng)安徽省電力16個(gè)地市供電公司的用電信息采集系統(tǒng)，都采用EPON作為用電信息傳輸?shù)倪h(yuǎn)程通信信道，其承載著將用電信息由采集設(shè)備高效、安全傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)的重任。如果EPON通信網(wǎng)中光纜發(fā)生故障，將會(huì)嚴(yán)重影響用電信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而會(huì)使得業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟失，造成國(guó)有資產(chǎn)流失。因此，必須為其提供良好管理和維護(hù)。

宿州市供電公司的用電信息采集系統(tǒng)中EPON通信網(wǎng)的規(guī)模如表2所示。其中，OLT、ONU有源設(shè)備使用瑞斯康達(dá)的產(chǎn)品，并由廠商提供的網(wǎng)管系統(tǒng)所管理和維護(hù)。而EPON通信網(wǎng)中光纜的管理和監(jiān)測(cè)情況仍處于空白階段。

表2 宿州市用電信息采集系統(tǒng)EPON網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

為了保證宿州市供電公司用電信息采集系統(tǒng)中的EPON通信網(wǎng)穩(wěn)定、正常運(yùn)行，需要引入光纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。考慮到宿州電力EPON網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一般，以及其在用電信息采集系統(tǒng)中舉足輕重的作用，需要對(duì)全網(wǎng)光纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)光纜性能的縱向分析，并能產(chǎn)生故障預(yù)警，為光纜維護(hù)提供更高效的保障。再綜合比較兩種在線監(jiān)測(cè)方案的特點(diǎn)和性能，基于輪詢的在線監(jiān)測(cè)方案應(yīng)為最好的選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析和比較兩種電力EPON通信網(wǎng)光纜在線監(jiān)測(cè)方案，鑒于宿州供電公司用電信息采集系統(tǒng)中EPON網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和實(shí)際需求，選擇基于輪詢的光纜在線監(jiān)測(cè)方案。

目前，宿州供電公司已部署好基于輪詢的光纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)用電信息采集系統(tǒng)中的EPON通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)分析光纜的性能，準(zhǔn)確產(chǎn)生光纜故障預(yù)警，明確故障類(lèi)型和位置，為維護(hù)人員提供準(zhǔn)確的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜的高效維護(hù)，保證EPON通信網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。另外，可將該監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行推廣，應(yīng)用于其他電力系統(tǒng)的EPON通信網(wǎng)，為智能電網(wǎng)、堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)提供更有力的保障。

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An Analysis on the Online Monitoring Scheme for the Optical Cable of Electric Power EPON Communication Networks

Hua Chunzheng, Liang Yongjin, Liu Junwei

(State Grid Anhui Power Co. Suzhou Power Supply Co., Suzhou Anhui 234000, China)

Aiming at the problem of likely impact of optical cable fault in the power EPON communication network upon normal operation of the power system, this paper makes a detailed analysis and comparison of two online monitoring schemes for optical cables, and formulates a selection criterion. According to actual demand, Suzhou Power Supply Co. deploys an optical cable polling-based online monitoring system in the EPON communication network of the electricity information acquisition system. Practical operation shows that the system can analyze real-time performance of the optical cable, locate the fault quickly and improve the operation and maintenance level.

electric power communication; EPON; optical cable; online monitoring; polling

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.019

TN915

A

1000-3886(2017)04-0066-02

定稿日期: 2016-10-18

花純征(1959-)，男，安徽人，本科，工程師，研究方向：電力通信網(wǎng)規(guī)劃及通信網(wǎng)運(yùn)維管理。