分段式光缆智能诊断系统在山西电网中的应用

巫健 白金刚 薛鹏

摘要：针对目前光缆维护及故障诊断存在效率低，故障地理位置定位不准确等问题，提出了分段式光缆智能诊断系统。利用光纤光栅可完全熔入光缆介质的特性，结合光纤光栅波长可识别性能，将光纤光栅和光缆接头盒结合，以光纤光栅为光缆标识点、以接头盒为光缆地理标识点，两者相结合实现光缆分段管理。以光纤光栅波长特性和反射能量变化特性作为光缆识别依据及故障诊断条件，实现光缆分段监测。以接头盒为故障定位基准点实现光缆故障分段定位，进而实现光缆的分段管理、分段监测、分段故障识别以及分段故障地理定位。

关键词：光缆故障定位;分段式;故障定位器;GIS系统

中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0177-04

光纤通信已经成为电力调度通信的主要手段，是整个电网进行实时调度和稳定运行的基础，光纤传输网络运行的可靠性直接关系到电网的稳定和运营效益[1]。长期以来光缆故障定位主要依赖于使用OTDR （Opti-cal Time Domain Reflect meter）进行故障光缆长度测距、人工沿途查找的方式[2]。由于光缆敷设存在盘绕、预留、弯曲等因素，造成光缆长度与光缆敷设后的地面长度，存在较大误差，且误差随光缆长度增加而增加。因此，依赖故障光缆长度进行故障地面位置定位的方法，往往存在较大误差，以致故障点查找区域过大，故障点位置查找费时费力，排故效率低，造成光缆单次中断排故时间过长[3]。

山西全省电力光缆众多，目前普遍采用的被动维护管理方式已经滞后于电力市场对光纤传输网络稳定性的要求，基于OTDR的光缆监测系统因故障地理定位误差较大，也逐渐不能满足日常使用需求。

针对现有监测和故障诊断方式的不足和实际使用的需求，提出了分段式光缆智能诊断技术。该技术基于分段式光缆故障监测理论，以光纤介质编码技术为依托，引入光纤光栅测距[4]、FBG[5]测距与OTDR测距校正等技术，结合GIS系统[6]，实现了光缆多类型故障的实时准确诊断。通过理论分析及实验验证，并构建了基于该技术的分段式光缆智能诊断系统。通过在山西省电网通讯系统中的实际应用，进一步验证了该系统的有效性及先进性。

1 常规基于OTDR光缆监测系统

OTDR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光学仪表，可测量光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减以及进行故障定位等。

目前OTDR对光缆长度的测量已经比较精确，在应用于实际的光缆故障诊断中，使用OTDR在光缆起始点或者中继点测量故障点距离测试点的光缆长度，然后采用“全程计算法”计算出故障点的地理位置。“全程计算法”主要存在以下问题：由于光缆长度与地面长度存在误差（地形起伏、光缆埋深、预留余缆等因素导致），且误差随光缆长度的增长而增大，导致仅通过OTDR测量无法精确定位故障地理位置。当光缆故障点距离达到10km时，误差往往可达数百米，更远距离的故障误差则会更大。也就是说，其地理位置误差随着光缆长度的增加，有累积效应。

同时，常规方式查找故障段，一般以接头盒为依据将光缆分割成两段，再进行人工查找，但是这在很大程度上依赖人工经验判断，对人员要求较高，工作缺乏延续性和稳定性。同时，现有方法不能预防故障的发生，特别是对光纤的各分段的逐步劣化，传统的维护方式无法提前发现。此外，由于OTDR还存在测量盲区，当光缆进入机房大楼部分，处于OTDR盲区时，很难进行故障段判断。

2 分段式光缆智能诊断技术原理

分段式光缆智能诊断系统将光纤光栅置入光缆接头盒内，利用光纤光栅编码可识别和距离可测定特性，将接头盒作为光缆标识点和地理标识点，以光纤光栅反射能量变化作为故障诊断依据，将光缆故障定位在相邻接头盒之间，并在相邻接头盒段内将故障点精确计算和定位在GIS地图上，其地理定位误差不再跟随光缆增长而增加，地理定位精度提高到50m以内，有效降低光缆故障地理定位误差，便于维护人员精准定位、快速排查光缆故障点。其工作原理如图1所示。

系统运行后，首先对光缆上所添加的故障定位器进行自动识别和定位，识别出每个不同编号的故障定位器，并测量出其所在位置的光缆长度。在进行故障定位时，首先利用光缆故障定位器的可识别特征，将光缆故障定位在相邻的两个光缆故障定位器之间。再利用光学技术计算和矫正光缆故障长度，再结合该段的地理位置信息，自动计算由于地形变化所造成的光缆长度和实际地表长度的误差，进一步优化段内光缆地理误差率。最后结合预先输入的该段内的余缆信息，计算出段内光缆故障地理长度。最终的故障定位信息显示在GIS系统地图上，同时及时的通知运维人员。

3 分段式光缆智能诊断系统组成

分段式光缆智能诊断系统主要由监控中心主站、监测站、手持数据采集仪组成，其结构图如图2所示。

3.1监测中心主站

监测中心主站一般位于中心管理机房，主要负责对下属的监测站进行统一管理和信息采集，并向管理人员实时提供其所管理范围内的光缆的状态和相关信息。管理系统由应用软件、光缆数据库、地理信息库组成，以地理图形界面为基础，实现基于GIS系统的光缆监测和管理等功能。利用信息交互处理实现监测站、客户端、移动终端等设备之间的数据交互。

3.2监测站

监测站一般位于通讯机房，实现需要进行监测的光缆的系统接入。其内部包含对光纤光栅进行远程识别和测量所需的光学仪器，主要包括：窄带光源、调制器、耦合器、解调仪、脈冲驱动器、测试用OTDR以及数据处理模块和GIS系统等。其结构图如如图3所示。监测站支持在线、离线两种运行模式，可对所监测光缆实现光缆识别、分段监测、故障诊断及故障地理定位等功能。

3.3手持数据采集仪器

现场PDA主要用于现场人员使用，集GIS、电子标签采集于一体。在资源清理阶段可完成光缆信息的自动采集，包括现场影像、电子标签信息、GPS定位数据等，并将所采集数据自动整理和上传至监测站;在排故阶段，可与监测中心的数据交互，提供故障信息，并可进行故障位置引导，辅助光缆故障地理点查找及进行排故。

4 分段式光缆智能诊断系统特点

4.1故障定位器安装简便、免维护

在接头盒处接入光缆中的光纤光栅故障定位器属于无源光纤器件，直接与光缆备用纤芯熔接安装，与光缆具有同介质同属性的特质，可实现免维护、与光缆同寿命。故障定位器实物及安装方式如图4所示。

4.2资源管理与监测统一

系统中监测站对故障定位器进行在线编码采集和监测，故障定位器安装于接头盒内部，可直接用接头盒的地理位置等信息作为故障定位器的相关信息，故障定位器与接头盒资源管理模式相统一，实现了资源管理与监测统一。

4.3光缆资源信息准确

该系统可对光缆资源信息做准确的维护和管理，主要包括以下5方面。

1）光缆识别管理唯一化。以故障定位器的光学编码为识别依据，实现光缆的惟一识别和命名，解决纸质标签、电子标签不能光纤介质识别。同时可准确识别出光缆更换、接入错误等故障。

2）光缆路由管理准确化。以故障定位器之间的光学长度和地理长度为依据，实现光缆路由准确性判断，做到地理长度和光学长度相结合的综合路由管理。

3）光缆故障类型多元化。以故障定位器的编码为识别条件，可诊断光缆更换、增长、退出、中断、衰耗等故障类型。

4）故障类型识别准确。以光缆故障定位器采集数据为依据，可实现故障类型的准确识别。

5）故障地理定位准确无误。以光缆故障定位器为参照，实现故障地理定位。系统同时可对光缆所处区域的地理信息进行自动分析，计算出因地形变化所引起的光缆长度和地理长度的误差，并将该误差自动计人故障位置计算中，系统自动进行故障诊断定位，障长度实现定位。

5 分段式光缆智能诊断系统现场应用

该系统在山西电网多条通讯光缆中进行了实际应用。实际应用中，将故障定位器在光缆接头盒处熔接入光缆中，光缆的相关资源信息也录入系统中，接头盒以及关键位置处的杆、井等标识点信息也录入系统中。截止目前，系统已进行了4个月的连续运行，期间完成了多次故障诊断及排故处置。图5是系统给出的其中一次光缆故障诊断报警图，图中给出了故障点的位置及相关信息，以及前后关键结点的信息。其对应的诊断结果数据如表1所示。

由表1的诊断数据可以看出，该系统给出的此次故障点的地理位置和实际地理位置误差为14.3m，而采用OTDR仪表进行的对比测试结果表明，OTDR故障位置诊断位置和实际故障地理位置误差为1423.5m。该系统的故障点地理位置误差远小于OT-DR仪表测量出的的故障点地理位置误差。多次故障诊断结果也表明，该系统的故障点位置与实际位置误差均小于50m，达到系统设计指标。

实际运行试验还表明，该系统可有效的对光缆系统资源进行管理，实时迅速的对光缆故障进行诊断和定位，并指导光缆故障处理人员快速、精准查找到光缆故障点地理位置，完成排故。具有很强的先进性和实用性。

6 结语

通过分析当前光缆维护管理和故障诊断存在的问题，针对常用的OTDR测距及故障地理位置“全程計算法”的不足，提出了分段式光缆故障定位技术。通过理论分析并进行原理验证，并在此基础上构建了分段式光缆智能诊断系统。该系统通过在山西电网中的实际应用，进一步验证了其可行性及有效性。

实际应用结果还表明，该技术解决了当前光缆故障不能精确地理定位的难题，并可指导光缆故障处理人员快速、精准查找到光缆故障点地理位置，完成排故。具有故障地理位置定位高准确性、高实时性、高可靠性等优点。

主要结论有：

1）光缆故障地理位置“全程计算法”依据OT-DR测量故障点距离测量起始点的光缆距离，与故障点的实际地理位置存在较大误差，且该误差随光缆长度增加而增加。

2）光纤光栅由于其特殊的光学特性，可将其作为光学编码使用，且该编码可实现远距离的识别和读取。

3）将光纤光栅编码在接头盒处串接进光缆中，光信号在该处的反射能量变化可作为光缆故障诊断的依据。

4）结合光纤光栅的发射能量值信息，可将光缆故障定位在两个接头盒之间，同时结合接头盒的实际地理位置坐标，可实现故障地理位置的精确定位。

5）通过对光缆所经途径的地理信息进行分析，可计算出因地形变化所引起的光缆实际长度和地理长度的误差，故障定位算法引入该误差矫正后，并结合光缆信息管理系统中的预览长度等信息，可进一步提高光缆故障地理位置的定位精度，使得定位精度小于50m。

参考文献

[1]王先培，田猛，董政呈，等.通信光缆故障对电力网连锁故障的影响[J].电力系统自动化，2015（13）：58-62+93.

[2]孙毅，赵泰，侯思祖.基于OTDR的光纤在线监测系统实验研究[J].华北电力大学学报，2004（5）：78-81.

[3]高卫东，宋斌，电力光缆自动监测系统设计方案[J].广东电力，2012（2）：81-85.

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[5]PC Peng， HY Tseng，S Chi，Long-distance FBG sensorsystem using a linear-cavity fiber Raman laser scheme[J].Photonics Technology Letters IEEE， 2004， 16（2）P：575-577.

[6]郑立，裴孟翔，杨芳利，等.GIS在光缆线路监测系统中的应用[J].电力系统保护与控制，2006（13）：77-79.