电力系统光纤传输网络在线监测系统

电力系统光纤传输网络在线监测系统

彭雅昕 蔡澔伦 李腾 吴尧 吴封赛

云南电网有限责任公司曲靖供电局 云南曲靖 655000

摘要：当前，随着国内经济水平的不断提高，国内电网也进入了快速发展期，有力的增大了电力通信网络的规模。作为电力通信网络的主要传输媒介，光纤通信的影响愈来愈大。但是在实际光纤通信传输由于受在线监控和管理维护方面收到限制，人们不断加大对光纤通信传输在线检测系统的研究。电力光传输网络末端的光缆远程监测装置基本原理简单，实施方便，将光电转化、光分原理和自动控制结合到一起，相比起光缆远程测试装置和搭建全光缆运行光路来说，成本更低，可以有效提高电力光传输网络末端站点的光缆的运维效率，减轻光缆故障的抢修压力和变电站运行人员的值守压力。

关键词：光纤通信传输网；在线检测；系统研究

1. 光纤通信传输网现状

目前电力系统中，越来越多的运用光纤传输网络，随着使用量的增加，伴随而来的问题也不断增多，其中最典型的是光纤线路的在线检测和维护。在线路监控和维护方面存在的问题，首先是由于维护过度依靠人，导致维修进度受制于人的反应速度；其次，光纤传输网络报警装置主要是由传输系列的光设备决定，出网络报警时，由于故障因素较多且复杂，因此较快且精确的对故障定位难度较大；最后，由于光设备只能在光纤线路中断时才能报警，并且对线路传输性能的改变无法检测。

2. 背景技术

研制一种电力光传输网络末端的光缆远程监测装置来提高光缆的运维效率。一般来说电力光传输网络末端的35kV站点光缆每12芯只使用2芯传输数据，有10芯空闲纤芯，该装置使用光分器原理，将一个光源的发光分散成8路分光输送给光缆空闲纤芯，另一侧利用光电二极管监测对侧发过来的光，并转换成电信号并进行信号放大，再传输至单片机进行数据分析，通过在主站网管侧显示“0”或“1”来表示有光和无光，以此来判断监测的空闲纤芯运行质量是否合格。选取2芯作为工作光路的备用纤芯，装置利用光开关和自动控制原理，当发生工作光路中断时，就可以利用远程功能将工作光路倒换至备用纤芯上运行，从而达到快速恢复业务的目的。

装置利用单片机和以太网模块，能够让装置与主站网管侧通讯，可以将采集到的光缆通断信号传输至主站侧，并通过该通道在主站网管侧将控制信号传输到站端装置侧。通过电力光传输网络末端的光缆远程监测装置，解决了光缆定检工作耗时长、效率低、效果差三大问题。通过研制该装置实现远程监测功能，定检工作可省去路程、进站手续的耗时，工作时间缩短88.23%。

通信运维人员可以每月定时登录装置监测远程监测光缆空闲纤芯的通断，以此方式来提高光缆空闲纤芯的定检频率，缩短周期，从而达到光缆定检周期小于光缆缺陷周期的目的。如果空闲纤芯发生中断并且断芯过多，通信运维人员则会安排计划检修工作到现场测试并修复光缆，降低由于光缆中断造成生产实时业务中断的时间，起到提前防范风险的作用。另外在发生在运光路意外中断的情况，一方面可以按照正常缺陷处理流程安排抢修，一方面可以尝试远程将工作光路倒换至备用纤芯上运行，如果不是光缆全部中断，且备用纤芯正常，则可以尽快将工作光路恢复运行，缩短业务的恢复时间。

3. 系统组成

光纤自动切换系统框图

工作原理介绍

上游和下游通过一根8对16芯光缆连接，上下游分别设2个8选一光路切换开关，并设有光信号监视电路，主控芯片采用STM32单片机，不论上下游接收端接收不到光信号时，通过光监视信号给单片机反馈状况，假如上游接收端光信号丢失，单片机立即控制2个2选一光开关把至机架的光信号切换到本机光数据收发系统，同时2个8选1开关切换到另一对光纤，并通过单片机发送光数据信号给下游，如果刚切换的光纤是完好的，下游会收到光信号数据并给上游回应，如果在规定时间下游没有回应，8选1光开关再次切换到另一对，继续试探，直到和下游连通为止，如果能和下游连通，则把2选一光开关切换回机架，从而恢复用户正常通信，并记录本次连通的一对光缆编号，以备下次检测时作为参考。

4. 检测方法

关键点：1、分光器实现将光源可接收分路发送，光电二极管可接收波长在1310nm~1550nm，可探测光功率不得低于-30dBm。2、单片机能准确接收信号，并正确将光纤信息传输至主站网管侧。3、光开关能正确识别控制信号，光路倒换动作准确，且具备主路恢复功能。

创新点：1、活用光电信号，将光缆信号转化为电信号以实现监测。2、自行设计电路及编程，将借鉴的技术充分融合。3、使用光开关取代机械装置。

1. 在线光纤跨段测试

在线光纤跨段测试主要分为在线测试和跨段测试。

1. 在线测试通常依据波分复用原理，通过监测波和工作波复合方式，再利用光纤传输复合波进行测试。在线测试过程中使用相应的合波和分波设备进行复用和解复用工作。

2. 跨段测试通常依据波分复用原理，进行光波合波和分波处理并完成相应测试功能。其应用目的主要是为光纤段进行连续测试时对多个变电站进行连接。其测试步骤：首先，系统在监测站将OTDR卡射出的测试波与用户使用的光波复合成复合波，后利用光纤进行传输，在复合波传至下游变电站时，将合成的复合波解复用。光设备将利用解复用分离出的用户工作波进行处理，并进一步向下游传送，在光设备射出的光波传送到下游变电站时，与测试波复合成复合波，并通过下一段光纤进行传输。在实际光纤传输过程中，若出现熔接点或时衰耗缺陷明显时，监测站内部的OTDR卡对背向散射光进行搜集，以完成对光纤传输品质和故障的分析和定位。对整体光缆的测试工作就是通过这种合波分波过程依次交替完成。

2. 备纤级联测试

通常在OPGW组网中采用24芯或36芯的光缆，内有充足的备用芯，其性能的优劣反映了整根光缆的性能，特别是工作光纤的性能。为节省成本投入，一般采用监测备纤的方法用以验证整个光缆的质量。其测试方法是现将各站备纤使用尾纤连接起来，后再监测备纤。尾纤将备纤接连后组成一支光纤，并且其长度在OTDR测量范围内，即可测试备纤性能。需要说明的是，备纤不具传输用户数据的功能，所以，不存在复用和解复用的问题。因此，可有效的减少对子站中波分复用器的投入资金。此种测试方法的优点是仅仅通过对备纤性能测试分析即可全面了解整根光缆性能的检测，并且具有节省资本投入优点。

3. 双向测试

在光缆维护过程中，若需增加光功率时，首先需更换光功率更高的OTDR卡，假如光功率仍未满足要求时，通常就采用双向测试的方法。一般在超长的光纤两端设置两个监测站，同时利用这两个监测站对光缆进行监测，并对所测试的波形进行相应的匹配，最终得出该段光缆的监测数据。

5. 系统特点分析

以波分复用原理为基础，利用OTDR测试技术构建的电力光纤通信传输网在线检测系统实现了对光纤传输网络中所有的光纤、ODF架端口、接头盒内的熔接点以及相关的光设备等自动化的监测和管理；系统可有效对光纤传输性能和传输质量进行实时监测，并对隐患或故障处给出监测报告及故障预警；系统与GIS的结合能够有效的对出现故障的系统进行定位，并及时通知给相关维护检修人员，以完成及时有效的抢修作业；此外，系统除包含了故障报警联动测试、定制测试等自动化测试功能外，还具有了手动测试特性，极大的提高了线路维护人员对线路日常维护的便携性。

备注：光纤信号处理电路

SWR8/0-8/7为接收侧8选一光开关切换信号，SWT8/0-8/7为发送侧8选一光开关切换信号，SWR2/0-2/1为接收侧2选一光开关切换信号，

SWR2/0-2/1为接发送侧2选一光开关切换信号，A?为光数据收发模块，作为本系统单独通信用，另设一个同型号模块作为光监视模块。改模块可以把接收到的光数据信号转换为TTL电平信号从RXD1引脚输出，并可以把单片机发到TXD1引脚的TTL数据信号转换为光数据信号输出到光缆。

MCU系统图

参考文献：

1. 杨同友，刘炎卿.光纤通信与系统测试[M].北京：人民邮电出版社，1993.

2. 赵子岩，刘建明，张凯穗，电力系统光纤传输网络在线监测系统[J].电力系统通信，2003年第2期（1-5）

3. 张宝富.现代光纤通信与网络教程[M].北京：人民邮电出版社，2004.

4. 李玉权.光波导理论与技术[M].北京：人民邮电出版社，2004.