光纖芯交換機(jī)器人在變電站中的應(yīng)用

趙晨宇，陳 寧，袁 成，潘征宇，尚 瑨

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司超高壓分公司, 上海 200063)

傳統(tǒng)的通信管理系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)子站之間光通信故障類型的判斷，如果通信發(fā)生故障，需要改變已有數(shù)據(jù)鏈路的鏈接形式，通常需要檢修人員到現(xiàn)場(chǎng)跳纖才能完成[1]，增加了運(yùn)維人員的工作量，效率低下且容易出錯(cuò)。在變電站中，對(duì)光纖的管理也存在很大局限性，如何在現(xiàn)有靜態(tài)管理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理是亟需解決的問(wèn)題，如故障前后的衰耗值、因季節(jié)或者氣候而改變的衰耗值等。因此，傳統(tǒng)變電站的智能光網(wǎng)絡(luò)仍然存在局限性[2]，無(wú)法實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)切換和動(dòng)態(tài)管理。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一種新型的光纖芯交換機(jī)器人，可應(yīng)用于各個(gè)變電站，實(shí)現(xiàn)光纖芯的自動(dòng)交換及對(duì)光纖的智能管理，在發(fā)生故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跳纖，大大節(jié)省光纖網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的人力和物力[3]，提高變電站通信管理的智能化水平。

1 光纖芯交換機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖芯交換機(jī)器人應(yīng)用于整個(gè)光交換系統(tǒng)中，而整個(gè)光交換系統(tǒng)包含主站和子站兩部分。主站主要作為控制系統(tǒng)對(duì)光纖下達(dá)命令、確認(rèn)告警信息，同時(shí)對(duì)光纜進(jìn)行維護(hù)、資源管理等工作。子站則根據(jù)中心站下達(dá)的命令進(jìn)行光纖芯的交換、接入、維護(hù)等工作[4]。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)硬件與軟件的相輔相成，可實(shí)時(shí)收集和采集各種數(shù)據(jù)，即當(dāng)光纖發(fā)生故障時(shí)，主站通過(guò)下發(fā)命令使光纖芯交換機(jī)器人可靠動(dòng)作完成備用芯與正常芯的交換，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)纖芯光功率變化值的監(jiān)測(cè)和上報(bào)[5]。

子站的組成框圖如圖1所示。子站的核心部分是中央處理器和光纖芯交換模塊。對(duì)光纖芯交換的控制及數(shù)據(jù)的查看則是在通信接口模塊上完成，除此之外，通信接口模塊作為媒介，還可實(shí)現(xiàn)與主站端的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳和上傳功能。數(shù)據(jù)交換完成后，由測(cè)試模塊完成對(duì)光纖芯的測(cè)試并將最終測(cè)試結(jié)果上傳到主站中并實(shí)時(shí)保存。

主站的組成框圖如圖2所示。主站的核心組成部分包含主站端服務(wù)器、操作平臺(tái)和主站端通信接口模塊，主站的通信接口模塊通過(guò)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和n個(gè)子站端的通信模塊連接，如此實(shí)現(xiàn)與子站的數(shù)據(jù)交換功能，完成光纖芯的切換，另外，子站的通信數(shù)據(jù)也可及時(shí)地完成存儲(chǔ)。

圖1 子站組成框圖

圖2 主站組成框圖

各個(gè)子站的光纖芯交換機(jī)器人根據(jù)主站的命令進(jìn)行換芯操作。該光纖芯交換機(jī)器人的內(nèi)部核心組成部分包含可移動(dòng)的機(jī)械手臂，通過(guò)在XYZ軸方向驅(qū)動(dòng)絲桿移動(dòng)，由三維伺服系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確定位，對(duì)光纖芯進(jìn)行拔插，從而實(shí)現(xiàn)光纖的自動(dòng)交換。光纖芯交換機(jī)器人內(nèi)部的機(jī)械圖如圖3所示。

圖3 光纖芯交換機(jī)器人內(nèi)部的機(jī)械圖

2 光纖芯交換原理

光纖芯交換機(jī)器人內(nèi)部設(shè)備的原理圖如圖4所示。交換板的交換孔共有8行4列并進(jìn)行矩陣[6]排列，交換孔的兩側(cè)分別與繩路光纖連接器和線路光纖連接器相連接。

圖4 光纖芯交換內(nèi)部設(shè)備的原理圖

以下通過(guò)實(shí)例解釋關(guān)于光纖交換的具體原理。以A02和A05兩個(gè)交換孔為例，A02和A05在交換之前是作為獨(dú)立的交換孔存在的，現(xiàn)外部光纖線路需通過(guò)這兩個(gè)交換孔實(shí)現(xiàn)外部交換。如圖4所示，A02和A05分別位于第2行和第5行，其交換需要以目標(biāo)交換孔為媒介，假設(shè)目標(biāo)交換孔為圖中所標(biāo)注的11h和11g，其分別位于第2行第4列和第5行第4列，此時(shí)則分別通過(guò)第一、第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)52、53和第一、第二絲桿54、55的驅(qū)動(dòng)，使第一裝置51與原先和A02相連的線路光纖連接器32移動(dòng)到交換孔11g處，將原先與A05相連的線路光纖連接器35移動(dòng)到交換孔11h處，之后再由第一裝置51分別將光纖連接器32、35插入到交換孔11g和11h處。之后，分別通過(guò)第三、第四驅(qū)動(dòng)電機(jī)62、63和第三、第四絲桿64、65的驅(qū)動(dòng)，使第二裝置61操作繩路光纖2d，將2d的一端4g插入到交換孔11g中，將2d的另一端4h插入到交換孔11h中，如此線路光纖連接器32便與繩路光纖連接器的4g相接，線路光纖連接器35便與繩路光纖連接器的4h相接，而4h和4g又通過(guò)繩路光纖2d相連。此時(shí)11g、11h、4h、4g的狀態(tài)都由原先的閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎加脿顟B(tài)。最終A02和A05通過(guò)上述方式實(shí)現(xiàn)了光學(xué)連通，從而實(shí)現(xiàn)了光纖交換。

通過(guò)此原理，可實(shí)現(xiàn)本子站間的光纖交換，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)本站與另一個(gè)子站的光纖交換，即如果需要光纖交換，只需要后臺(tái)機(jī)發(fā)送命令，全交換設(shè)備將需要實(shí)現(xiàn)光交換的交換孔，通過(guò)目標(biāo)交換孔和繩路光纖的間接連接，實(shí)現(xiàn)兩根外部線路的全光纖交換。通過(guò)這樣的方式，不需要檢修人員去現(xiàn)場(chǎng)完成光纖操作，從而大大節(jié)省了運(yùn)維人員的人力[6]。

3 光纖芯交換方式

對(duì)于通道發(fā)生故障的情況，不必立即派維修人員檢修，此時(shí)變電站中心站可通過(guò)短暫封閉環(huán)網(wǎng)，使故障的節(jié)點(diǎn)通過(guò)本站或子站的其他光纖連接[7]，從而使變電站的光纖通信正常運(yùn)行。

環(huán)網(wǎng)封閉有如下兩種方式：當(dāng)故障發(fā)生在兩個(gè)子站之間時(shí)，若存在冗余光纖，則由中心站下發(fā)命令，進(jìn)行兩個(gè)子站之間的同纜倒換；如果在兩個(gè)子站間沒(méi)有冗余光纖，則需要另外的變電站通過(guò)間接連接完成異纜倒換。通過(guò)這兩種方式可實(shí)現(xiàn)故障的快速恢復(fù)。

變電站間正常情況下的通信方式如圖5所示。假設(shè)變電站A、變電站B、變電站C和變電站D之間存在光纖通信，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方向見圖6。如果變電站A和變電站B之間的光纖通信無(wú)法正常接收，即發(fā)生了通道故障，則中心站可以向變電站C下發(fā)指令，使變電站A和變電站B的數(shù)據(jù)通過(guò)變電站C進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)變電站光纖通信的間接連接，此時(shí)故障情況下的通信方式如圖7所示，變電站發(fā)生故障后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方向如圖8所示。

圖5 變電站間正常情況下的通信方式

圖6 變電站正常情況下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方向

圖7 變電站故障情況下的通信方式

圖8 變電站故障情況下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方向

需要說(shuō)明的是，在采取補(bǔ)救措施時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)同纜環(huán)。嚴(yán)格來(lái)講，在網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)久規(guī)劃中，同纜環(huán)是不允許存在的，這是因?yàn)橥|環(huán)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力較低。由于急救措施僅是暫時(shí)采取的一種故障修復(fù)措施，后期還將有維修人員去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢修，因此同纜環(huán)的存在對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響并不大。

在變電站中，因通信故障導(dǎo)致子站丟失的后果是非常嚴(yán)重的，導(dǎo)致的損失至少包括用電用戶因電力故障導(dǎo)致的生產(chǎn)損失，以及因用戶在電力故障過(guò)程中未實(shí)際使用電能而造成的電網(wǎng)公司的運(yùn)營(yíng)損失[8]。實(shí)際運(yùn)行中，用電用戶因?yàn)殡娏收显斐傻纳a(chǎn)損失可能也會(huì)由電網(wǎng)公司來(lái)承擔(dān)，因此本文中提供的技術(shù)可以顯著地減少電網(wǎng)公司因電力故障造成的損失，提高變電站的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

4 應(yīng)用實(shí)例

將光纖芯交換機(jī)器人應(yīng)用到實(shí)際變電站中[8]，其換芯過(guò)程可分為同纜倒換和異纜倒換。實(shí)際應(yīng)用在A、B、C這3個(gè)變電站，如果A與B站的光纜由第1芯換到第2芯，則為同纜交換，如圖9所示。異纜倒換則是原來(lái)A與B站的光纜相接，現(xiàn)由A到C站再到B站，即光纜經(jīng)過(guò)迂回連接到B站。異纜倒換如圖10所示。

圖9 同纜倒換

圖10 異纜倒換

光纖芯交換機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析模塊可以直觀地展示接入網(wǎng)管平臺(tái)的通信站點(diǎn)情況和運(yùn)行狀態(tài)，包括站點(diǎn)總數(shù)、正常站點(diǎn)數(shù)、通信異常站點(diǎn)數(shù)、繩路故障數(shù)、線路故障數(shù)等；通過(guò)光纜統(tǒng)計(jì)分析模塊可以對(duì)接入平臺(tái)的所有光纜和纖芯進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，包括所有光纜、每條光纜包含的纖芯、纖芯衰耗值、光纜類型等。光纖芯交換機(jī)器人具備自動(dòng)巡檢功能，可以按照設(shè)定的周期自動(dòng)測(cè)試空閑纖芯的衰耗數(shù)據(jù)，并生成衰耗曲線，根據(jù)衰耗曲線走勢(shì)輔助判斷光纖故障和壽命情況。光纖芯交換機(jī)器人終端設(shè)備內(nèi)置光源和光功率計(jì)，可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置巡檢時(shí)間、巡檢周期和波長(zhǎng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)置時(shí)間點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)下發(fā)指令對(duì)配置光纜的每一芯進(jìn)行測(cè)試，并可以生成測(cè)試巡檢報(bào)告。

光纖芯交換機(jī)器人的應(yīng)用能夠極大地節(jié)約用于光纜測(cè)試和連接的人力物力成本。以一個(gè)擁有150個(gè)光節(jié)點(diǎn)的中型地區(qū)局為例(保守計(jì)算)，其光纜約300條，纖芯約4 000芯，以現(xiàn)有的運(yùn)維模式需要配置4個(gè)專業(yè)人員、2輛車子，按人均工資3 000/月計(jì)4個(gè)專業(yè)人員加2個(gè)駕駛員年工資支出為21.6萬(wàn)元。車輛每天行駛200 km，油耗加過(guò)路費(fèi)加車輛維修折舊等平均每千米費(fèi)用合計(jì)為2.0元，年行駛5萬(wàn)km計(jì)10萬(wàn)元費(fèi)用。兩者合計(jì)年費(fèi)用31.6萬(wàn)元。4人班組以月22個(gè)工作日計(jì)算每工作日需測(cè)試?yán)w芯182芯，跑5個(gè)站點(diǎn)，工作量為滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)該技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，該項(xiàng)測(cè)試工作由主站端服務(wù)器協(xié)同子站端交換系統(tǒng)完成，還能做到日測(cè)、周測(cè)、月測(cè)，所測(cè)數(shù)據(jù)由服務(wù)器保存和自動(dòng)更新。4人兩車班組可投入新光纜的敷設(shè)和光纜搶修工作，節(jié)省人力物力，降低工作出錯(cuò)率，更有利于光纜網(wǎng)絡(luò)資料部分的合理化管理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理。

5 結(jié)語(yǔ)

光纖芯交換機(jī)器人在變電站的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了光纖的智能管理和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)化在線檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)光纖芯的遠(yuǎn)程自動(dòng)切換，極大地改善了人工換芯費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的弊端，不需要運(yùn)維人員到現(xiàn)場(chǎng)，不僅節(jié)約了運(yùn)維人員的人力，也提高了變電站的日常維護(hù)效率和調(diào)整實(shí)效性。另外，本設(shè)備涉及的架構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)容易，便于推廣，如果能在變電站中廣泛應(yīng)用，可將變電站中通信系統(tǒng)的整體性能提升到新的水平。