三维图形技术在电网通信光缆监测系统中的应用

国网江苏省电力有限公司南通市通州区供电分公司 张伟建 韩 佳

通信技术的迅猛发展，在我国各大领域汇中得到了广泛的应用，通信技术不仅传输稳定、存储容量大、不易被腐蚀，且远距离传输也具有较强优势。但光缆易损坏的问题会导致电网通信质量和效率下降，通过控制程控光开关、光时域反射仪可实现光缆的损坏测试，根据光缆长度、反射损耗、平均损耗、分布位置等可准确监测到光缆出现故障的位置，为电力部门对光缆的维护提供支持。

可视化技术是利用各种能刺激人体视神经的方法对数据和信息进行表达，同时所具备的交互方式较为丰富，可帮助使用者更加形象和直观的掌握、查看数据与信息。与传统的图标、文字等信息数据表达方式相比较，三维图形可视化技术具备色彩、明暗、形态、位移、体积等丰富的表达方式，可充分表达出信息数据的海量内容。三维图形可视化技术在科学技术方面应用时间较早，利用可视化技术的图表和图形等表达方式将计算机数据和科学测量数据直观和形象的展现出来，使用户可轻易理解和发展计算机数据与科学测量数据间存在的密切联系。

在电网通信领域中也拥有大量计算数据、测量数据、试验数据等，传统监测技术在电力数据表达方面存在较大问题，极大影响了电网通信工作的质量和效率。因此在电网通信领域中可视化技术具有较大发展潜力，应用可视化技术可实时显示地图、图形、监测数据等，且可自动生成信息统计图形和图表的数据模型等，在数据处理和分析方面具有较强能力，可极大提高电力工作的质量和效率[1]。

1 三维图形技术在监测系统中的应用

1.1 电网通信光缆监测系统框架

监测系统需具备程控光开关、光时域反射仪、计算机三个硬件设备。在监测系统中，计算机主要作用就是控制程控光开关和光时域反射仪，并将监测系统收集的数据通过分析和处理过后生成数据表。计算机是通过对光时域反射仪的连接和程控光开关的端口进行控制，控制光时域反射仪的运作状态、标记点位置、参数等。计算机对信息数据进行采集，将生成的三维数据图表展示给有关部门[2]。电网通信光缆监测系统整体设计框架包括软件系统设计和硬件系统设计。软件系统主要控制光时域反射仪和程控光开关，硬件系统主要有程控光开关的选型、管理故障测量选型等。

1.2 硬件系统设计

监测系统工作原理。电网通信光缆正常运作过程中，当光纤折射率发生细微变化时会出现瑞利散射现象，若光纤出现断裂或发生故障时，光纤折射率会出现菲尼尔反射现象。根据监测系统工作原理，能以监测系统收集到的菲尼尔反射的强弱情况定位电网通信管理出现故障的位置[3]。光时域反射仪主要是通过二极管发出光脉冲信号，耦合器将光脉冲信号引入电网通信光缆中。若监测系统出现菲尼尔反射或瑞利散射现象时，发射光会通过耦合器进入二极管中，APD 将发射管转化为脉冲信号，经过滤波、放大等处理过程转化成为数字信号，最后利用数字平均等方法加强数据信号信噪比，由监测系统向使用者直观展示出数字波形和结果。

光缆故障测量。光时域反射仪主要是测量电网通信光缆中的损耗曲线和物理特性，其中包括光纤衰减系数、光纤长度、光纤接头损耗等。光时域反射仪在具备精准、便捷等优点的同时，也可与地理信息平台和监控技术有机结合，使电网通信光缆监测系统正好完整，实现监测系统的预警、故障监测、报警、故障分析、故障管理、线路维护、线路管理、故障管理等功能。电网通信光缆监测系统可及时发现光纤存在的故障和隐患，制定预防措施和方案，极大降低了光纤出现故障的概率，为电力企业提高光纤维护力度具有积极作用。监测系统中三维图形可视技术的应用可在提高光纤稳定、安全、高效的工作同时，也可有效避免光纤管理、维护、监测工作不到位出现的损失[4]。

1.3 软件系统设计

1.3.1 程控光开关控制

程控光开关可实现电网通信光缆的自动换接光源、多路光监控、光器件调试和安装等。程控光开关可对光时域反射仪进行控制，实现监测系统的点名测试和周期测试。

周期测试：在监测系统周期测试过程中需正确连接监测设备线路，首先，打开监测设备的开关进入正常运行模式，当程控光开关在第一通道时监测设备会显示数字“1”；其次，利用计算机设备发出信号指令，计算机发出的指令具有周期性的特定，指令内容为“1、2、3、4”循环轮询，可自动切换监测设备在通道中的位置，当监测设备在接收到指令并执行指令后会显示所在位置的通信数字；最后，可利用计算机发送复位指令，对监测设备进行复位操作，当监测设备复位、光通道关闭后监测设备会显示数字“0”。

点名测试：监测系统的点名测试与周期测试工作内容基本相同。首先需要间监测设备接通电源，若程控光开关在第一通道位置时监测设备会显示数字“1”。可通过计算机发出信号控制程控光开关切光换通道以及程控光开关复位操作，当设备复位后光通过会关闭。

1.3.2 光时域反射仪控制

手动测试流程：在进行光时域反射仪手动控制测试过程中，需手动设置测试量程、测试波长等参数，然后对光时域反射仪展开测试并记录相关数据；自动测试流程：在光时域反射仪自动控制测试过程中，光时域反射仪可自动设置测试量程、测试波长等各项参数，然后监测设备会根据测试结果自动生成轨迹曲线；自动分析测试流程：在手动测试和自动测试完成后，可根据生成的结果对收集的数据和信息进行分析和处理，然后可得到测试事件点的详细过程和信息。

2 三维图形关键技术问题

2.1 手动测试与自动测试的选择

与手动测试相比自动测试的操作较为简便，测试设备可根据光时域反射仪的型号、特性、运行状态自动设置测试量程、测试波长等各项参数。在测试灵活和测试精度方面，自动测试要比手动测试差，因此在光时域反射仪实际测试过程中，需根据情况选择测试方式。如，在测试过程中已明确光纤长度、但测试波长等各项参数有具体要求情况下，手动测试可测量出更精准的结果；如对测试量程、测试波长等各项参数没有要求时可使用自动测试。当光纤长度无法确定且对测试波长各项参数有具体要求时，可使用自动测试对测试量程进行设置，然后使用手动测试对其他流程开展测试。

2.2 故障点精准定位

电网通信光缆光纤长度。在电网通信光缆施工时，需要预留光缆以备后续迁移或断缆熔接使用。因此测试使用的光纤长度会比实际距离远，实际路由与测试路由两者存在差距。根据路由存在差距的问题，若光纤实际长度用L、测试光纤长度用L1、预留光缆长度用L2、光缆敷设长度用L3表示，可通过公式计算光缆实际光纤长度：L=[(L1-L2)/(1+P)-L3](1+a)，式中光缆弯曲率为a，光缆绞缩率为P。

故障点位置。在实际光纤长度计算完成后，需

与收集到故障点地理信息相结合，以此来得出更加准确的光缆故障点具体坐标。为准确定位电网通信光缆故障点位置，需借助地理信息系统，其可对电网通信光缆位置信息进行详细显示，如光缆实际坐标、地理信息关系、数据形态等的信息。

2.3 三维图形可视化

在电网通信光缆监测系统中应用三维可视化技术，可使监测结果更加直观和形象的展现在使用者面前。目前较常用三维图形软件有OpenGL，该软件可搭建三维模型，是一款开放式绘制图形的软件，包括图像增强、纹理映射、三维建模等功能。对于光纤的监测，利用其对图形进行绘制、材质设置、三维变换、光照设置等。使用OpenGL 软件可对光缆进行建模，然后对收集到的数据进行处理和分析，可根据绘制出的模型对管理合理布置，规范光缆监测空间和区域。根据收集到的各项信息可在计算机上显示三维模型，通过键盘和鼠标可实现人机交互操作，使用者可观看到三维模型的局部信息和全局信息，在监测系统的规划和设计方面可提供更多帮助。

3 结语

电网通信监测系统主要由计算机、程控光开关、光时域反射仪组成，在监测系统中应用光时域反射仪可实现光纤故障位置的精准定位；而应用OpenGL 软件可使用户直观和形象地观看到光纤故障具体位置，为光缆的维护和保养提供更多帮助。程控光开关可提高光缆监测工作的可靠性和有效性，在降低光缆维护成本、提高设备维护质量、降低维护成本方面有重要作用。