电力通信亟需智能光缆监测系统支撑

广东省电力设计研究院网络信息分公司 | 程小蓉

从光纤被引入通信网到提出全光网的概念，光纤通信技术得到了飞速发展，由于光缆通信具有容量大、传送信息质量高、传输距离远、性能稳定、防电磁干扰、抗腐蚀能力强等优点，得到了大量的应用。在电力系统，光纤传输网络已经成为重要的支撑网。

随着电网的不断发展，光缆线路越来越长、越来越多，网络结构越来越复杂，仅仅依靠光端机告警、手工测试定位故障点的方法已经远远不能满足目前光缆线路维护与管理的需求。各地区光缆网络的不断扩大和管理水平的相对落后，成为光缆网络发展的两大主要矛盾。

光缆网络成广东电力主要通信系统

在当今光纤通信系统中，为使网络有更高程度的管理水平、服务水平和竞争能力，为了能够迅速方便地从大量原始数据和资料中获得相关的信息，并对这些原始数据进行分析利用，满足未来网络管理更高层次的要求，建立一个集自动监测、资源管理和数据管理于一体的全面的光缆监测系统是十分必要的。该系统的建成，必然能够从根本上改善目前光缆线路被动维护的局面，使光缆网络的维护转变为智能维护。

目前国外多家公司对基于GIS的光缆自动监测系统进行了研究，其中国外公司有Agilent Technology和意大利的尼克特拉等，尤其以Agilent公司的AccessFIBER最为出名，其主要技术特点是：快速故障定位；告警工作流管理；GIS／GPS集成；网络体系的可伸缩性；基于NT网络；采用Oracle大型数据库；可以通过互联网访问；TMN和SNMP集成。

国内公司有北京长线、山东光科、上海霍普、台湾隆磐等，以北京长线为例，其主要技术特点是：规范的数据、命令格式和传送文件；多种测试种类：点名测试、定期测试等；基于Windows NT，在其上运行MSSQLServer；采用TCP／IP连接；采用路由器作为联网设备；引入GIS／ GPS（采用Mapinfo）。

广东省电力光缆经过了多年的建设和发展，光缆已覆盖所有的110kV以上变电站及各个地区局。光纤通信网成了广东电力的主要通信方式，为电力调度、继电保护、安全自动装置、远动、计算机通信、生产管理等提供通道，是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段。由于电力业务的特殊性，其网络业务包含了所有的从实时性、准实时及非实时性各种业务。为进一步加强通信网管理，充分发挥电力系统专用通信网的作用，更好地服务于电力生产服务，加强对电力光纤网监控是很有必要的。

智能光缆故障定位也是构建智能电网的重要组成部分。

两大光缆故障定位手段

OTDR

光时域反射仪OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。

OTDR测试是通过发射光脉冲到光纤内,然后在OTDR端口接收返回的信息来进行。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射。其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离。

OTDR的工作原理就类似于一个雷达。它先对光纤发出一个信号，然后观察从某一点上返回来的是什么信息。这个过程会重复地进行，然后将这些结果进行平均并以轨迹的形式来显示，这个轨迹就描绘了在整段光纤内信号的强弱。

光缆故障准确定位技术

电力通信光缆网络涉及的地域广泛，路由复杂，在故障发生后及时、准确地实现故障定位是一个令人十分头痛的问题。目前，故障定位的主要方法除了巡线外就是依靠OTDR仪器的测试。一般来说，排除操作失误原因，OTDR的光学定位是比较准确的，但故障定位要确定的是故障在光缆线路路由上精确的地理位置，光缆线路的长度与光学长度具有差别，从而造成故障定位误差。实际工作中通过查询线路资料和相对距离计算的方法进行误差的校正确定故障点，通过进一步查询线路图纸和地图进行精确地点定位，定位后进行现场验证，整个过程可能会引入大量人为误差，出现反复多次定位，最终才能精确地定故障位置。

光缆监测系统可根据光缆实际敷设情况（包括光纤余长、跳纤长度，尾纤长度等等）并结合电子地图对光缆故障进行实际光缆定位，减少了人工定位误差。

不同光缆在线监测方式的适用场景

基于可视化的光缆监测技术，是借助于计算机技术和光纤特性的测试技术来实现光缆线路的自动监视和测量。它是以OTDR为中心，将光开关技术、光功率监测技术及WDM技术相结合，对光纤通信网实现不中断的、实时的在线监测。具体监测时，是对光缆中的某一条或几条纤芯进行监测，如果测试时某根纤芯特性曲线劣化，监测单元会将测试的数据传回中心控制单元，然后对数据进行分析、判断、定位，发出相应的告警信号。

下面介绍几种光缆在线监测方式：离线监测方式（分纤离线监测、合纤离线监测）、在线监测方式（分纤在线监测、合纤在线监测）。

离线监测方式

分纤离线监测。图2为分纤光功率离线监测方案的结构图，方案的结构简单，监测性能优良。

图1 光缆在线监测示意图

该方案主要的特点：光终端走独立的纤芯与功率信号物理隔离；OTDR走独立的纤芯，扫描信号与光功率测试信号物理隔离；光功率走独立的纤芯；功率和扫描测试可以多级级联；需另外购买独立的光源。

合纤离线监测。图3为合纤光功率离线监测结构图，该技术方案设计功率监测与扫描监测合用一条纤芯，节省一条扫描监测用纤芯，但监测性能受到一定的限制。

合纤离线监测的特点包括：光终端走独立的纤芯与测试信号物理隔离；光功率和OTDR同走一条纤芯，扫描信号与功率测试信号通过不同的波长隔离；功率和扫描测试可以多级级联；需要另外购买独立的光源；另外在光源端必须有控制功能，当OTDR工作时，对方的光源必须关闭，否则容易受到损坏。

在线监测方式

分纤在线监测。图4为分纤在线监测结构图，该方案设计功率监测利用通信信号的纤芯，节省一条功率监测用纤芯，对通信信号的直接监测可完全反映通信中断。但是光功率监测不支持跨端，必须要在远端加光功率采集模块，增加一定的设备，同时监测性能也受到业务信号的影响。

分纤在线监测方案的特点为：光终端走独立的纤芯与扫描测试信号物理隔离；光功率耦合采用抽光的方法，抽取少量的信号光分量，对通信信号有一定的影响，但是一般可以忽略不计，光功率测试可以直接反映通信信号的变化。OTDR走独立的纤芯，扫描信号与功率测试信号物理隔离；光功率测试不能多级级联，必须加远端光功率模块；无需另购独立的光源。

合纤在线监测。图5为合纤在线监测方案结构图，方案设计光功率监测和扫描同时利用通信信号的纤芯，无需投入任何专用的测试用纤芯，是最为节省监测用纤芯的方案，直接监测通过信号光纤完全反映通信中断情况，但是光功率不能跨段，需要采用分段监测措施，扫描测试跨段必须增加跨段点上的分插模块的投资，监测性能受到一定的限制。

合纤在线监测的主要特点有：光终端于测试信号同纤芯，信号之间采用波分的方法隔离；光功率采用耦合抽光的方法，抽取少量的信号光分量，对通信信号的影响可以忽略不计，光功率监测可以直接反映通信信号的变化；光功率测试不能多级级联；需要在每一个跨段点上增加中间分插模块。

图2 分纤离线监测结构图

图3 合纤离线监测结构图

图4 分纤在线监测结构图

图5 合纤在线监测结构图

表 光缆在线监测方案对比表

各种监测方式的技术方案和技术对比是项目研究的关键点及重要依据，下表为四种监测方案对比。

通过对几种不同光缆在线检测方式的比对，可根据不同的应用场景灵活选择。在光纤芯数足够的情况下，首选第①种监测方式；第②③种方案都是专用1根光纤，但是方案②要增加波分及光源设备，投资较多，网络连接较复杂；方案③不需要独立的光源，在纤芯较紧张的地方，方案③可以节省大量的光源；方案④增加很多光设备，并且不能支持级联，每个点都有增加远端测试模块，网络接线复杂。具体使用哪种方式，需根据实际情况来定。

本文通过对光缆可视化监测技术的论述，讨论了如何实现对光缆的在线监测。随着光纤通信技术和计算机监测技术的不断发展，建设基于可视化的光缆监测系统的需求更加迫切，光缆在线监测技术的研究工作也面临着更大的挑战。