电力通信光缆在线监测系统研究与应用

作者简介：杨国旗（1990—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统通信。

摘  要：电力通信光缆作为电力通信网的基础，是保障电力通信业务稳定运行不可缺少的重要资源。目前，由于缺乏在线的光缆监测手段，运维人员无法直接获取光缆纤芯运行状态，在发生光缆或纤芯中断后，需赴现场通过仪器仪表测试进行故障定位，无法在故障发生后快速定位故障点，在故障排查过程中需耗费大量时间和人力。光缆在线监测管理系统集光缆在线监测、告警、故障分析、定位于一体，结合地理信息系统，为光缆网络的安全高效运行提供保障。

关键词：光缆  在线监测  故障定位  仪器仪表测试

中图分类号：TM73;TP274

Abstract： As the foundation of the electric power telecommunication net， the power communication optical cable is an indispensable important resource to ensure the stable operation of power communication business. At present， due to the lack of the online monitoring mean of optical cables， operation and maintenance staff can not directly obtain the operation status of the fiber core of optical cables. After the interruption of the optical cable or the fiber core， they need to go to the site to locate the fault by the instrument and meter test. They can not quickly locate the fault point after the fault occurs， which requires a lot of time and manpower in the troubleshooting process. The online monitoring management system of optical cables integrates the online monitoring， alarm， fault analysis and positioning of optical cables， and it provides a guarantee for the safe and efficient operation of the optical cable network in combination with the geographic information system.

Key Words： Optical cable; Online monitoring; Fault location; Instrument and meter test

光纖通信在电力系统中的应用越来越来广泛，通信光缆承载的业务种类和数量也在急速增长。同时，由于光缆故障、性能劣化及故障点查找延迟而造成的各种损失和维护成本也在不断地增加，如何实时有效地监测通信光缆，并且在光缆出现问题时能够第一时间发现并且找到故障点成为了光缆运维的重中之重。因此建立一套实时的光缆监测管理系统，对电力通信网安全运行具有重大意义。在光缆监测的管理平台中可随时查看光缆的状态信息，定位故障所在地点，并且有故障回放等功能，通过对光缆在线监测设备的安装规划、设计进行验证，保障光缆监测的规划与设计的准确性与科学性，能够为管理和运维人员提供一个远程监控平台，极大地提高技术队伍的运维效率[1]。

1 光缆在线监测必要性分析

传统的光缆维护管理模式中故障查找困难，故障处理时间长，影响了电力通信网的安全稳定运行。需要新的维护方式实时监测光缆状态，动态地观察光缆线路传输性能的劣化情况，及时发现和预报光缆隐患，从而增强通信系统的可靠性，降低光缆阻断的发生率，缩短光缆的故障历时，保证电力通信业务的稳定传输。光缆在线监测系统不仅仅是用自动替代人工，它更是维护水平和维护理念的升华，它能为排除故障和隐患提供科学的依据和手段，从而达到减少故障次数、缩短故障时间、提高光缆网络的整体可靠性。

1.1  缩短查找故障时间

光缆在线监测管理系统可随时监控光缆的状态信息，并且管理平台的地图上可以随时查看故障的发生地点，回放功能可有效地还原故障发生的情况，为运维人员分析、处理故障提供有效支撑，从而快速定位故障点、降低故障响应时间，提高光缆故障处理的效率。

1.2 管理理念的转变

光缆监测管理平台采用数量级更小的布里渊散射原理，使用光源在末端发射激光，收集散射后光频率的改变信息，传入光波分析器中。从管理理念上实现了由“经验型”向“实践验证型”转变。在监测站点和通道的规划与设计方面，改变了仅由具有丰富经验的光缆运维人员完成的现状，采用时间检验的方法；在故障排查方面，将在实际环境中的故障信息转变成虚拟地图环境故障信息，大大减少了故障的排查时间，并能够随时监测站点信息，弥补了在实际操作中的由于时间过长而无法确定故障发生的原因和时间[2。

1.3 管理水平的提升

光缆在线监测管理系统可有效模拟站点设备监测的光缆情况，在站点经纬度导入地图中后，即可查看设备站点的状态，达到随时可远距离监控光缆，也可以根据站点录入运维人员信息通知故障所在地，从而提高了光缆故障修复的效率。手动测试所得到波形信息，可模拟实际光缆的状态，远距离分析故障。在光缆监测的情况下，管理的方式由原来的通信业务中断上报、决策者逐级下发任务、运维人员现场查找故障原因转变为监测中心一步到位地判断故障情况，可以有效减少光缆故障处理过程中耗费的人力、物力等，并能够有效提高故障排除的效率。

1.4 效能与成本的节约

通过对通信光缆网络监测管理技术的改造升级，由通信光缆状态无法感知、故障无法定位改造为光缆网络状态可知、可预警、可告警、故障自动定位，可对重要光缆线路实现集中监控管理，可监视光缆线路性能状态，及时发现光缆网络存在隐患和故障，提高通信业务运行的质量和效率，增强通信网络运行的可靠性和安全性，降低光缆网络故障对电力生产造成的损失。与人力巡检光缆相比大大降低人力成本，提高了监测频率，大幅缩短故障光缆处理时间，节约成本，安全可靠。

2 光缆在线监测设计方案

2.1  设计目标

光缆在线监测系统能够有效降低光缆运维成本，进一步地完善光缆运维方式，提供更多、更全面、更先进的技术支撑手段，简化光缆运维工作，提高工作效率，从而持续改善通信部门的运维管理水平，同时实现光缆资源精细化管理、光缆状态在线监测与故障定位的应用支撑。具体设计目标如下。

（1）建立光缆资源全体系模型，实现电力通信网光缆网络中复杂网络结构的路由描述、光缆监测逻辑描述，实现电力通信网光缆网络资源信息的全方位管理。

（2）实现光缆监测管理功能，通过光缆在线设备周期任务管理，实现光缆状态自动监测，及时发现光缆存在的隐患和故障，实现光缆状态的在线监测及统计分析。

（3）实现光缆故障原因分析、故障点GIS定位，减少光缆运维人员对光缆故障判断的工作量和判断失误，降低运维管理工作对工作人员业务能力的要求，有效提高光缆网络的运行效率和利用率。

2.2  总体部署

系统的总体结构是由网管监测中心、监测变电站点和电力数据通信网3个部分组成的，网管监测中心可以监测管理多个监测变电站点，能够实现分散量测、集中管理的模式[3]。各个站点通过电力数据通信网进行传输联通，同时又相对独立；当传输中断时，不同的监测站点可根据配置的数据独立完成测试任务。监测系统的总体组成与相互关系如图1所示。

2.3  工作原理

光缆在线监测设备使用WDM将多种光波耦合到一条光纤线路上，对光纤整体的传输性能不会产生任何影响，末端设有光源来增强光波的波形，服务器端设置有全局的可视化页面，实时监测站点和站点之间的光缆情况。在光缆ODF架上完成光纤端口的匹配，然后测试端口连通性管理、性能监控管理、位置信息管理和断点查找管理，如果出现光缆故障，则会提示告警信息。通过对多个监测模块进行组合构成一整套的在线监测设备，所有的监测设备安装于各变电站，从而完成各站点间互联的光缆的监测，形成一個依托于变电站光缆网络实际状况的拓扑形态监测网。变电站内的在线监测设备核心主要是光功率告警监测部分和OTDR测试部分。光功率告警部分接收实际光功率，同时根据光缆线路长度、光缆类型动态地分析光缆性能状态；OTDR测试部分是通过将光短脉冲发送到光纤中，由于连接器、熔接、弯曲以及断层等不连续性因素，光纤中会发生光散射，OTDR 随即会检测和分析散射的信号，按特定的时间间隔测量信号强度，并将信号强度用于表示事件特性[4]。

为了实现光功率告警和ODTR的时域反射测试这两个功能，还需要分光器、光开关模块、波分复用器等多个模块的组合功能。在线监测装置通过告警监测部分实时根据光缆中的实际性能数据产生相应信号，并将其传回后台系统进行统计分析。在变电站内，监测装置主要实现以下的功能。

（1）实时地对监测中的光缆进行光功率及时域反射测试，快速及时地了解到光缆线路中出现的故障及劣化情况，根据测试数据分析光缆故障情况，如纤芯断裂、出现小角度的弯折、光缆老化性能衰减等，并判断光缆故障位置信息。

（2）根据测试数据汇总收集光缆线路故障时出现的各种告警和数据分析信息，通过变电站内数据通信网将信息上传至光缆在线监测中心网管。在故障处理完成前可设置上报告警频次和时间间隔，当故障消除之后，在线监测装置将当前测试数据和保存的故障期数据一同返回监测中心，供后台进行分析研判。

（3）可设置小周期、短时域的站内光缆线路全测试，将测试数据返传至在线监测网管中心。后台系统通过对多条测试数据进行跟踪统计即可汇总出逐条光缆的线路损耗、接头损耗、弯曲损耗及光缆线路损耗随时间变化情况，并生成以时间为横轴，光缆功率损耗为纵轴的曲线图，该曲线图是光缆隐患排查及分析的重要参考依据。

2.4  监测流程

光缆在线监测系统运用了ODTR的光波监测原理，采用在线业务监测与备用纤监测相结合的形式设计，选取备用纤其中的一芯用来作为在线监测。通过在站端安装光缆监测系统设备实现站点间各光缆的实时在线监测，在线监测业务的工作流程如图2所示。

在线监测系统通过各站点监测设备实时监测各变电站间光缆状态信息，同时，采用虚拟化技术搭建一套与实际情况相符合的地图工具，把现实光缆监测的设备和数据配置到光缆监测的管理系统中，通过每台设备的经纬度录入，可查看光缆监测的路径和基本信息，同时可用测试随时查看光缆监测的距离，验证设备实际测试的距离[5]。

3  光缆在线监测管理系统的应用

3.1  变电站间互联光缆的实时监测

将光缆在线监测系统中的光波解析器装设在电力通信网的各终端站点，连接数据通信网设备实现上联互通，同时连接互联站点光缆的ODF，如果光缆距离过远，可在末端安装光源，采用反射的原理来增强光信号，光源可以持续发光，极大地补充了设备在扫描其他通道的光信号时的空缺，如此设备可实时收到每个通道的光波信息，达到可以实时监测每个站点的目标。当监测光缆出现故障或性能劣化时，终端监测界面将自动上报告警，并通过告警实时查看监测光缆的状态信息。监测页面如图3所示。

3.2  对光缆故障位置进行物理定位

光缆故障发生后，通过在光缆在线监测管理系统查看故障的发生地点，并可以使用测试功能，查看光缆测试波形的规律，同时可查看故障发生的回放记录，以便运维人员制订解决方案。添加的地图展示页面，通过在设备管理上导入的站点经纬度信息，可直接在地图上看到光缆故障点，可随时定位维护地点并且可查询维护人员的信息和电话，减少了中间因未知故障位置地址而造成时间和人力成本的浪费。光缆实际地图定位信息如图4所示。

3.2  动态掌握光缆网络信息

电力通信光缆因其特殊性在主干线路上多以架空形式敷设，在运行中存在的隐患主要是光缆拉伸致接头盒内熔接点断裂；光缆过电网基塔时因风力影响与塔体发生摩擦破损，纤芯中断；光缆在接头盒位置熔接后盘余绑扎     不牢固，后期松动等原因造成弯曲半径过小[6]。这些存在的隐患都有着随时性、突发性的特点，并且故障发生后难以发现故障点，运维难度较大。在每年的电力通信网光缆巡检工作中可随时查看每条监测光缆的性能状态，通过快速扫描模式查看光缆的长度、接头损耗、总损耗及测试曲线事件点信息。同时对照光缆拓扑图解析光缆位置信息，由此可实时监控整个光缆网络的运行状况。

4  结语

电力通信网作为电网发展的重要基础设施，在保障电网安全稳定运行，提高电网企业信息化水平等方面發挥着越来越重要的作用。目前，缺乏电力通信光缆的监测手段，光缆运维人员无法直接获取光缆纤芯运行状态，光缆受市政建设、外力破外以及恶劣天气影响中断情况较为频繁，在发生光缆中断或纤芯中断后，运维人员常用排障手段是在光缆网络临时接入光缆测试仪器仪表，通过测算确定故障点范围，安排检修人员赴现场做进一步的故障定位，故障清除后拆除仪器仪表。该排障手段无法在故障发生后快速定位故障点，同时，业务路由迂回设计的工作难度也增大。因此，有必要对通信光缆网络运维监控技术进行升级改造，整体提升光缆网络状态的可知可控能力。光缆在线监测系统的建设和实施推广，能够全方位地提高电力通信网络运行保障水平，确保电网的安全运行，促进安全、可靠、可持续的电力供应，可产生良好的企业效益。

参考文献

[1]何勇君，李伟.光缆在线监测系统研究[J].移动通信，2021，45（2）：95-99.

[2]余希娟，常仲科，张慧峰，等.电力光缆网多通路OTDR在线监测及故障定位技术分析[J].中国新通信，2021，23（12）：38-39.

[3]张俊杰，姚飞，陈平.基于OTDR的光缆实时在线监测系统的设计与实现[J].桂林航天工业学院学报，2021，26（2）：141-144.

[4]王志阳.光缆在线监测系统在电力通信系统中的应用[J].现代工业经济和信息化，2022，12（3）：144-145.

[5]陈翔玲.南昌市“天网”高清视频监控系统应用[D].南昌：南昌大学，2022.

[6]任伟.基于光纤传感技术的光缆安全在线监测关键技术研究[D].北京：北京邮电大学，2021.