電力通信亟需智能光纜監測系統支撐

廣東省電力設計研究院網絡信息分公司 | 程小蓉

從光纖被引入通信網到提出全光網的概念，光纖通信技術得到了飛速發展，由于光纜通信具有容量大、傳送信息質量高、傳輸距離遠、性能穩定、防電磁干擾、抗腐蝕能力強等優點，得到了大量的應用。在電力系統，光纖傳輸網絡已經成為重要的支撐網。

隨著電網的不斷發展，光纜線路越來越長、越來越多，網絡結構越來越復雜，僅僅依靠光端機告警、手工測試定位故障點的方法已經遠遠不能滿足目前光纜線路維護與管理的需求。各地區光纜網絡的不斷擴大和管理水平的相對落后，成為光纜網絡發展的兩大主要矛盾。

光纜網絡成廣東電力主要通信系統

在當今光纖通信系統中，為使網絡有更高程度的管理水平、服務水平和競爭能力，為了能夠迅速方便地從大量原始數據和資料中獲得相關的信息，并對這些原始數據進行分析利用，滿足未來網絡管理更高層次的要求，建立一個集自動監測、資源管理和數據管理于一體的全面的光纜監測系統是十分必要的。該系統的建成，必然能夠從根本上改善目前光纜線路被動維護的局面，使光纜網絡的維護轉變為智能維護。

目前國外多家公司對基于GIS的光纜自動監測系統進行了研究，其中國外公司有Agilent Technology和意大利的尼克特拉等，尤其以Agilent公司的AccessFIBER最為出名，其主要技術特點是：快速故障定位；告警工作流管理；GIS／GPS集成；網絡體系的可伸縮性；基于NT網絡；采用Oracle大型數據庫；可以通過互聯網訪問；TMN和SNMP集成。

國內公司有北京長線、山東光科、上海霍普、臺灣隆磐等，以北京長線為例，其主要技術特點是：規范的數據、命令格式和傳送文件；多種測試種類：點名測試、定期測試等；基于Windows NT，在其上運行MSSQLServer；采用TCP／IP連接；采用路由器作為聯網設備；引入GIS／ GPS（采用Mapinfo）。

廣東省電力光纜經過了多年的建設和發展，光纜已覆蓋所有的110kV以上變電站及各個地區局。光纖通信網成了廣東電力的主要通信方式，為電力調度、繼電保護、安全自動裝置、遠動、計算機通信、生產管理等提供通道，是確保電網安全、穩定、經濟運行的重要手段。由于電力業務的特殊性，其網絡業務包含了所有的從實時性、準實時及非實時性各種業務。為進一步加強通信網管理，充分發揮電力系統專用通信網的作用，更好地服務于電力生產服務，加強對電力光纖網監控是很有必要的。

智能光纜故障定位也是構建智能電網的重要組成部分。

兩大光纜故障定位手段

OTDR

光時域反射儀OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應用于光纜線路的維護、施工之中，可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。

OTDR測試是通過發射光脈沖到光纖內,然后在OTDR端口接收返回的信息來進行。當光脈沖在光纖內傳輸時，會由于光纖本身的性質、連接器、接合點、彎曲或其它類似的事件而產生散射、反射。其中一部分的散射和反射就會返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測器來測量，它們就作為光纖內不同位置上的時間或曲線片斷。從發射信號到返回信號所用的時間，再確定光在玻璃物質中的速度，就可以計算出距離。

OTDR的工作原理就類似于一個雷達。它先對光纖發出一個信號，然后觀察從某一點上返回來的是什么信息。這個過程會重復地進行，然后將這些結果進行平均并以軌跡的形式來顯示，這個軌跡就描繪了在整段光纖內信號的強弱。

光纜故障準確定位技術

電力通信光纜網絡涉及的地域廣泛，路由復雜，在故障發生后及時、準確地實現故障定位是一個令人十分頭痛的問題。目前，故障定位的主要方法除了巡線外就是依靠OTDR儀器的測試。一般來說，排除操作失誤原因，OTDR的光學定位是比較準確的，但故障定位要確定的是故障在光纜線路路由上精確的地理位置，光纜線路的長度與光學長度具有差別，從而造成故障定位誤差。實際工作中通過查詢線路資料和相對距離計算的方法進行誤差的校正確定故障點，通過進一步查詢線路圖紙和地圖進行精確地點定位，定位后進行現場驗證，整個過程可能會引入大量人為誤差，出現反復多次定位，最終才能精確地定故障位置。

光纜監測系統可根據光纜實際敷設情況（包括光纖余長、跳纖長度，尾纖長度等等）并結合電子地圖對光纜故障進行實際光纜定位，減少了人工定位誤差。

不同光纜在線監測方式的適用場景

基于可視化的光纜監測技術，是借助于計算機技術和光纖特性的測試技術來實現光纜線路的自動監視和測量。它是以OTDR為中心，將光開關技術、光功率監測技術及WDM技術相結合，對光纖通信網實現不中斷的、實時的在線監測。具體監測時，是對光纜中的某一條或幾條纖芯進行監測，如果測試時某根纖芯特性曲線劣化，監測單元會將測試的數據傳回中心控制單元，然后對數據進行分析、判斷、定位，發出相應的告警信號。

下面介紹幾種光纜在線監測方式：離線監測方式（分纖離線監測、合纖離線監測）、在線監測方式（分纖在線監測、合纖在線監測）。

離線監測方式

分纖離線監測。圖2為分纖光功率離線監測方案的結構圖，方案的結構簡單，監測性能優良。

圖1 光纜在線監測示意圖

該方案主要的特點：光終端走獨立的纖芯與功率信號物理隔離；OTDR走獨立的纖芯，掃描信號與光功率測試信號物理隔離；光功率走獨立的纖芯；功率和掃描測試可以多級級聯；需另外購買獨立的光源。

合纖離線監測。圖3為合纖光功率離線監測結構圖，該技術方案設計功率監測與掃描監測合用一條纖芯，節省一條掃描監測用纖芯，但監測性能受到一定的限制。

合纖離線監測的特點包括：光終端走獨立的纖芯與測試信號物理隔離；光功率和OTDR同走一條纖芯，掃描信號與功率測試信號通過不同的波長隔離；功率和掃描測試可以多級級聯；需要另外購買獨立的光源；另外在光源端必須有控制功能，當OTDR工作時，對方的光源必須關閉，否則容易受到損壞。

在線監測方式

分纖在線監測。圖4為分纖在線監測結構圖，該方案設計功率監測利用通信信號的纖芯，節省一條功率監測用纖芯，對通信信號的直接監測可完全反映通信中斷。但是光功率監測不支持跨端，必須要在遠端加光功率采集模塊，增加一定的設備，同時監測性能也受到業務信號的影響。

分纖在線監測方案的特點為：光終端走獨立的纖芯與掃描測試信號物理隔離；光功率耦合采用抽光的方法，抽取少量的信號光分量，對通信信號有一定的影響，但是一般可以忽略不計，光功率測試可以直接反映通信信號的變化。OTDR走獨立的纖芯，掃描信號與功率測試信號物理隔離；光功率測試不能多級級聯，必須加遠端光功率模塊；無需另購獨立的光源。

合纖在線監測。圖5為合纖在線監測方案結構圖，方案設計光功率監測和掃描同時利用通信信號的纖芯，無需投入任何專用的測試用纖芯，是最為節省監測用纖芯的方案，直接監測通過信號光纖完全反映通信中斷情況，但是光功率不能跨段，需要采用分段監測措施，掃描測試跨段必須增加跨段點上的分插模塊的投資，監測性能受到一定的限制。

合纖在線監測的主要特點有：光終端于測試信號同纖芯，信號之間采用波分的方法隔離；光功率采用耦合抽光的方法，抽取少量的信號光分量，對通信信號的影響可以忽略不計，光功率監測可以直接反映通信信號的變化；光功率測試不能多級級聯；需要在每一個跨段點上增加中間分插模塊。

圖2 分纖離線監測結構圖

圖3 合纖離線監測結構圖

圖4 分纖在線監測結構圖

圖5 合纖在線監測結構圖

表 光纜在線監測方案對比表

各種監測方式的技術方案和技術對比是項目研究的關鍵點及重要依據，下表為四種監測方案對比。

通過對幾種不同光纜在線檢測方式的比對，可根據不同的應用場景靈活選擇。在光纖芯數足夠的情況下，首選第①種監測方式；第②③種方案都是專用1根光纖，但是方案②要增加波分及光源設備，投資較多，網絡連接較復雜；方案③不需要獨立的光源，在纖芯較緊張的地方，方案③可以節省大量的光源；方案④增加很多光設備，并且不能支持級聯，每個點都有增加遠端測試模塊，網絡接線復雜。具體使用哪種方式，需根據實際情況來定。

本文通過對光纜可視化監測技術的論述，討論了如何實現對光纜的在線監測。隨著光纖通信技術和計算機監測技術的不斷發展，建設基于可視化的光纜監測系統的需求更加迫切，光纜在線監測技術的研究工作也面臨著更大的挑戰。