智能双模式电力光纤故障在线检测系统

王锋，陈晓娟，刘淇枝

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022）

电力系统由发电、逆变电、供电和用电四个环节构成，将电能输送到用户和各个企业。电力系统在各个环节都有相应的光纤通信系统，对电能的生产和输送进行合理地调度。另一方面随着智能电网、泛在电力物联网等新概念的提出，光纤因具有宽带信息容量大、传输距离远、功耗低和抗电磁干扰强等优点［1-3］，电力光纤通信在电力通信系统中应用比重越来越大。电力光纤铺设线路日益复杂，人工检修越来越困难、故障发生率越来越高、早期光纤老化等一系列问题也随之出现。光纤故障检测设备OTDR的检测原理是向监测纤芯打光，通过判断瑞利散射的背射光强度确定光纤故障点位置。传统的使用方式是发现光纤故障影响正常业务通信后利用手持式OTDR检测故障点距离，时效性特别低。系统通过实时检测分光器中光功率强度，判定光纤是否发生故障，OTDR及时打光检测故障点位置，从故障发生到检测到故障点位置整个过程在20秒之内便可完成，由此实现了光纤故障的在线检测。

1 系统的整体设计方案

系统整体示意图如图1所示，主要由硬件设备、传输网、服务器三部分构成。硬件设备由各种光器件、光功率计、STM32单片机、OTDR和电源构成，传输网使用华为传输网，服务器安装在吉林省长春市电力公司新大楼，服务器中安装的上位机软件平台对各个站点的设备进行统一管理调度。

图1 系统整体示意图

2 硬件系统设计

文献［4］中对旧设备结构功能有详细描述，图2是改进后的硬件结构框图。相比于旧设备，新设备只使用了一个OTDR模块，光开关的使用数量减少了5个，精简了设备内部光纤线路，不仅减少了一般的经济成本，而且提高了工作纤检测模式和备纤检测模式的切换速度，降低了接入光纤损耗。

根据图2所示，在工作纤工作模式下，光功率计读取分光器分取的工作纤中3%的光强值，按比例计算出工作纤中实际光功率值。如果光功率值高于阈值，则判定光纤工作正常，如果光功率值低于阈值，则判定光纤中存在故障点，此时控制器向服务器报告故障信息，启动OTDR向故障纤芯打光，判定故障点位置。OTDR发出的测试光波长为1 625 nm，工作光纤的光波长为1 310/1 550 nm，两个不同波长的光通过波分复用器（wavelength division multiplexing，WDM）复用到同一根纤芯中。在备纤工作模式下由于没有工作光，无法读取光功率值，直接用OTDR定时打光检测备用纤芯判断有无故障［5］。

图2 设备硬件框图

2.1 光开关电路设计

由于需要检测不同纤芯，系统采用机械式1×2光开关实现光纤线路切换。光开关电路图如图3所示，STM32单片机的一个I/O引脚连接图4中SWITCH节点，74HC04D是一个与非门数字逻辑芯片，74HC04D的8、9引脚间连接了一个非门。Q1、Q2是两个NPN三极管，74HC04D芯片的8、9引脚点位变化控制着两个三极管的导通与截止。通过STM32单片机的I/O引脚输出不同的高低电平，就可以控制光开关实现光纤线路切换［6］。

图3 光开关电路图

2.2 光功率计电路设计

文献［7］中的光功率设计采用了利用放大器AD795和高速模拟开关MAX4051程控放大的光功率计设计方案，此方案硬件电路和程序设计都特别复杂，测量精度不高。系统采用了以AD8304对数运算放大芯片为主的设计方案，以对数放大取代程控放大，电路设计和程序设计都更加简单，测量精度大大提高［7］。

光功率计电路图如图4所示，PIN光电二极管连接在IN1、IN2节点，ADJ1和ADJ2是两个电位器，用于调节AD8304的I/V转换斜率和放大倍数。电压值计算如下：

式中，Vout是输出电压值；IPD是光电二极管输出电流值；IZ是光电二极管的截止电流；K和C是常数，数值由芯片外部电阻决定。图4中电阻电容R25、C37、R26、C39与 LM358构成二阶 RC有源20 Hz低通滤波器。PIN光电二极管将光强信号转换为电流信号，芯片AD8304通过对数放大运算把电流信号转换为电压信号，再由LM358设计的低通滤波器滤除工频干扰后，利用STM32单片机的AD采集功能获取电压值［8］。

图4 光功率计电路图

公式（2）是通过数据拟合得到的光功率值计算公式：

式中，X代表电压值；Y代表光功率值。经过多次实验验证，此方案设计的光功率计动态测量范围可达-70～5 dBm，测量精度可达±0.01 dBm，可测量1 310 nm、1 550 nm、1 625 nm等多种波长的光功率值。

2.3 STM32单片机及其外围电路设计

STM32单片机型号为STM32F407VGT6，主频高达168 MHz，外设资源丰富，满足系统的使用需求。单片机除上文描述需要控制光开光、采集光功率值以外，还需要实现状态指示、控制OT‐DR复位、数据储存和网络通信等功能。

状态指示和控制OTDR复位功能只需要控制I/O口输出相应的高低电平即可。数据储存功能使用2 KB串行E2PROM芯片AT24C02，具有掉电数据不丢失的特点，尽管只有2 KB的储存空间，但完全满足系统的储存需求，主要储存设备IP地址、端口号、工作模式等重要数据。单片机的网络通信功能通过外接W5500芯片实现，W5500芯片是一款集成全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器，采用SPI的通信方式与单片机通信，不需要移植LWIP软件程序协议，开发简单，数据传输稳定。STM32单片机程序设计以C语言和汇编语言为主，开发环境为Keil，其程序流程如图5所示。

图5 STM32单片机程序流程图

2.4 电源电路设计

为满足通信机房的供电标准，设备内置两个AC 220 V转DC 24 V和DC-48 V转DC 24 V开关电源，实现了220 V交流和-48 V直流两种供电方式。利用电源芯片AP1501搭建BUCK电路实现DC 24 V转DC 12 V、5 V，分别供OTDR和STM32单片机供电，图6是AP1501电路原理图，AP1501与电感、电位器、电解电容、二极管构成BUCK降压电路，输入输出端电容主要起滤除杂波的作用。在STM32核心控制板上利用LDO线性稳压芯片AMS1117为单片机芯片提供3.3 V供电电源。

图6 AP1501电路原理图

3 上位机软件平台设计

3.1 上位机软件平台功能介绍

上位机软件平台采用C#语言编写，上位机软件平台与各个变电站的硬件设备同时建立TCP连接，不断监测各个设备上传的数据信息。主要有控制下位机进行模式选择、保存历史光功率数据、OTDR曲线分析、故障点经纬度计算、历史故障查询等功能，其功能框图如图7所示。

图7 上位机功能框图

运维人员通过操作上位机软件便可以修改工作模式、修改OTDR工作参数、获取监测光纤的所有状态信息，上位机界面如图8所示。

图8 上位机界面

3.2 故障点经纬度计算方法

电力光纤每隔一段距离都会有光纤接头盒连接，系统通过记录线路走向信息以及每一个光纤接头盒的经纬度信息，将故障点距离与线路信息、光纤接头盒经纬度信息相匹配，实现故障点经纬度计算。

当电力光纤出现故障时，OTDR检测出故障距离为S，将光纤接头盒的位置点作为电力光缆故障定位的参照位置点，将OTDR测得的电力光缆线路的故障点距离与实际地理位置相匹配，并将数据存入数据库，数据库格式如图9所示。

图9 数据存储格式

先确定距离故障点最近的光纤接头盒编号，计算公式如下：

式中，Ln表示第n个光纤接头盒与检测设备的距离；Tn表示故障点与每一个检测设备的距离；M取距离故障点最近的光纤接头盒的距离；n表示距离故障点最近的光纤接头盒编号。

如果Tn>0，那就确定光缆距离S在位置点编号n和n+1之间，通过查询这两点的经纬度(Xn,Yn)和(Xn,Yn)与到OTDR测量点的距离Ln和Ln+1，通过公式（3）、公式（4）得到电力光缆距离S的经纬度。

式中，（XF，YF）为故障点的坐标；ξi为第i个接头盒的预留光缆长度。同理，当Tn<0时，确定光缆距离S在位置点编号n-1和n之间，经纬度计算方法与Tn>0相同；如果当Tn=0时，光纤接头盒的经纬度就是故障点的经纬度［9］，图10是上位机故障点位置显示界面截图。

图10 故障点位置显示界面

4 实验验证

相比传统设备新设备改进了内部硬件结构，减少了光开关使用数量，精简了内部光纤线路，从理论上讲新设备的光纤就接入损耗应该有所降低。为证明新设备光纤接入损耗有所降低，采用了如下的测试方法，在新设备和旧设备的输入端都接入-7.0 dBm的光，连续测量新旧设备输出光功率20次，其结果如图11所示，通过分析得到结论，新设备的输出光功率在-7.6 dBm左右，旧设备输出光功率在-8.1 dBm左右，光纤接入损耗降低了约0.5 dBm。

图11 光纤接入损耗对比图

设备在吉林省吉林市包家500 KV变电站和金珠220 KV变电站各成功安装一套，包家变电站设备用于监测从包家变电站到金珠变电站的光缆，金珠变电站用于监测从金珠变电站到铁东变电站的光缆，两个设备通过华为传输网连接到吉林省电力公司新大楼机房的服务器。为验证设备能精确检测到故障点距离，本次实验对包家变电站到金珠变电站的一根备用纤芯进行人为破坏，经多次验证，设备能准确检测到故障点位置，误差在±10 m范围内［10］。

5 结论

不仅是在电力光纤通信，随着5 G通信技术的快速发展，对光纤通信的带宽、时效性等方面需求越来越高，光纤故障在线检测设备的研究将会日益体现其价值所在。文章提出了对原有电力光纤在线检测设备的一种改进方法，降低了经济成本，减少了光纤接入损耗，提高了系统运行稳定性。光纤故障在线检测设备能做到故障及时检测上报，带来的经济效益明显，有力保障了电力光纤通信系统的稳定运行。后续课题组会加大研究投入力度，争取在电力光纤故障在线检测方向做得更好。