三维图形技术在电网通信光缆监测系统中的应用∗

2018-09-27张焕域

舰船电子工程 2018年9期

张焕域林密陈明洪杰

（海南电网有限责任公司海口 570100）

1 引言

光纤通信技术在近十年中飞速发展，并在电力通信等领域得到广泛的应用，不仅具有信息容量大、传输稳定、不受电磁影响、耐腐蚀等特点，而且在长距离通信方面更具有难以比拟的优势。但不可否认的是，光缆极易受到外力等因素的破坏，从而导致通信质量下降。针对这个问题，需要构建一套能够有效监测光缆情况的系统，而目前我国已构建的该类系统中，绝大多数都仅适用于某一特定地区，并且在监测数据、地理位置等信息的显示方面并不理想。对此，本文在现有电网通信光缆监测系统的基础上进行优化设计，通过加入程控光开关来对光时域反射仪进行控制，以此实现电网通信光缆的周期测试以及点名测试，并且能够根据电网通信光缆的长度、平均损耗、反射损耗以及地理分布情况等信息，准确诊断出电网通信光缆故障点的地理位置。同时通过三维图形技术展示故障点定位，进而更为直观地为电力部门提供数据借鉴参考。

2 三维可视化技术

可视化技术的主要作用是将数据信息以各种刺激人类视觉神经的方式表达出来，同时能够支持丰富的交互手段，以此帮助用户更加直观深入地查看、掌握数据信息。与文字、图标等传统的数据信息表现方式相比，可视化技术结合使用形态、色彩、体积、明暗、位移等众多表现手段，因此能够表达大量的信息内容。可视化技术最早被应用与科学计算可视化，即通过图形或图表等方式，将科学测量及计算相关数据进行直观地可视化展示，使人们更加容易发现和理解各个科学测量数据及计算数据之间的深层联系。

电力领域同样包含了海量测量、试验及计算数据的统计、分析工作。如采用传统的技术不仅不能直观地展示电力数据，同时还在一定程度上影响了电力工作的效率。对此，可视化技术在电力领域无疑具有着巨大的应用潜力。利用可视化技术不仅能够实时显示图形、地图及监测数据，还可以生成统计图表、图形模型等，显著增强数据分析、处理能力，从而有效提升电力系统的工作效率。

3 总体设计框架

本文所设计的电网通信光缆自动监测系统的主要硬件包括三个部分：光时域反射仪、程控光开关以及计算机，该系统的整体框架结构如图1所示。

图1 系统硬件部分设计

从图1中可以看到：计算机负责对光时域反射仪和程控光开关进行控制，光缆监测数据的接收、分析、处理，生成数据结果报表等。其中，控制方面主要包括对程控光开关端口与光时域反射仪的连接控制，光时域反射仪的运行控制以及光时域反射仪的参数、标记点设置等。同时，通过计算机对数据的采集，将采集到的数据结果通过三维图形等方式展示给电力部门。

4 系统设计

根据系统整体框架设计方案，进一步对其硬件部分与软件部分进行设计。其中，硬件部分主要包括光缆故障测量选型、工作原理、程控光开关选型等，软件部分主要包括程控光开关的控制、光时域反射仪的控制。

4.1 硬件部分设计

4.1.1 光缆故障测量选型

光时域反射仪的作用是对电网通信光缆的物理特性与损耗分布曲线进行测量，主要包括光纤长度、衰减系数、接头损耗等项。光时域反射仪不仅具有便捷、精确等优点，还能与计算机监控技术以及地理信息平台进行有机结合，构成整个电网通信光缆监测系统，实现电网通信光缆的故障监测与分析、报警与预警、故障定位与管理、线路维护与管理等关键功能。通过电网通信光缆监测系统能够提前发现电网通信光缆故障隐患，并及时做好预防处理措施，显著降低线路问题的发生概率，提升电力企业对电网通信光缆的维护力度，从而保障电网通信光缆能够高效、安全、稳定地工作，有效避免因监测、维护以及管理工作不到位而导致的损失。

4.1.2 工作原理

电网通信光缆监测系统的主要工作原理是电网通信光缆在运行时，光纤折射率的细微变化会产生光的瑞利散射，而当光纤发生断裂等故障时，此处的折射率变化将导致菲尼尔反射的发生。利用上述原理，就可以根据所监测到的瑞利散射光强度情况，来诊断出损耗分布以及溶解损耗等；而根据所监测到的菲尼尔反射情况，就能定位出电网通信光缆的故障点。

光时域反射仪的工作原理是通过激光二极管来制造出光脉冲信号，该信号由定向耦合器送入电网通信光缆。当出现瑞利散射或者菲尼尔反射时，散射光或者发射光会经过定向耦合器送入光电二极管，由APD将其转变为电脉冲信号，在放大、滤波等处理后被转变为数字信号，再通过数字平均等处理手段增强该数字信号的信噪比，最终由显示装置向管理者展示波形与结果。

4.1.3 程控光开关选型

程控光开关由多种型号，本文中所选的程控光开关为FSW1×4-SM-B型单模光开关。在电网通信光缆监测系统中，程控光开关主要用于对电网通信光缆进行多路光监控、自动换接若干光源以及光器件的安装调试等。

4.2 软件控制设计

4.2.1 程控光开关的控制

本文在电网通信光缆自动监测系统的整体框架设计中，对程控光开关的控制进行了简单的阐述，程控光开关能够控制光时域反射仪实现周期测试以及点名测试，具体过程如下：

1）周期测试

将设备的电源线接好，然后开启设备电源开关使其进入工作运行状态，程控光开关此时位于第一通道，显示器上以数字“01”进行显示。接下来，计算机会向程控光开关发送十六进制的指令，指令的发送频率具有周期性，其内容为02、03、04、01依次轮询，分别对应相应光通道的切换操作，显示器会在命令被执行时显示对应的光通道数字。需要设备复位时，可通过计算机向程控光开关发送FF指令来使其处于复位状态，此时光通道关闭，显示为数字“00”。

2）点名测试

点名测试的准备工作与周期测试相同，首先将设备通电，此时程控光开关位于第一通道，显示为数字“01”。然后，计算机向程控光开关发送指令，使设备切换至对应的光通道。计算机向程控光开关发送FF指令可以使设备复位，此时光通道关闭。

4.2.2 光时域反射仪的控制

1）手动测试流程

以手动方式进行光时域反射仪的控制测试时，首先对测试波长、测试量程等各项参数进行手动设置，接着开始测试并记录数据。手动测试流程如图2所示。

图2 手动测试流程

2）自动测试

以自动方式进行光时域反射仪的控制测试时，首先由光时域反射仪对测试波长、测试量程等各项参数进行自动设置，接着通过测试得到轨迹曲线以及最终测试结果，整个流程如图3所示。

3）自动分析流程

事件点详细信息需要对测试所得数据结果进行分析才能得出，其流程如图4所示。

图3 自动测试流程

图4 流程图

5 关键技术问题

5.1 自动测试和手动测试的选取

相比自动测试而言，手动测试较为繁琐，需要对测试波长、测试量程等参数进行手动设置，但就灵活性与测试的精度而言，手动测试要优于自动测试，因此在实际操作时应当根据具体情况进行选择。本文主要对以下几种情况进行分析：在确定光纤长度，而对测试波长等其他参数现场有要求的情况下，适宜选择手动测试；若对测试波长等其他参数现场无要求，则适宜选择自动测试。而在不确定光纤长度，而对测试波长等其他参数现场有要求的情况下，则适宜先采用自动测试来设置测试量程，接着由手动测试来完成其他流程。

5.2 故障点地理位置精确定位

5.2.1 电网通信光缆的实际光纤长度

在电网通信光缆的实际施工过程中，通常会预留一部分光缆以备断缆熔接或者光缆迁移时所需。因此，测试光纤长度一般超出了实际的地理距离，使得测试路由与实际路由不符。

针对此问题，若以L来表示电网通信光缆实际光纤长度，以L1来表示光时域反射仪测试光纤长度，以L2来表示预留光缆的长度，以L3来表示光缆敷设增加的长度，则可通过以下公式来计算出电网通信光缆的实际光纤长度L：式中，a为光缆自然弯曲率，P为光纤在光缆中的绞缩率。

5.2.2 故障点地理位置

计算出电网通信光缆的实际光纤长度后，可以与地理信息系统有机结合，以此进一步得出具体的故障点地理坐标。为了能够准确地对电网通信光缆故障点进行定位，地理信息系统（GIS）需要具备详细的电网通信光缆地理信息，如电网通信光缆的地理坐标、形态以及彼此间的地理关系等信息。

5.3 可视化展示

在三维可视化实现中，让结果更加立体和直观地展示给广大的客户。对此，结合当前主流的三维图形处理软件，选择OpenGL软件对三维可视化模型进行搭建。OpenGL通常被认为是一个开放式的图形工具，其主要包括三维建模、纹理映射、图像增强等。本文针对光纤的监测，主要运用其图形绘制、光照和材质设置、三维变换。具体的处理流程则如图5所示。