光缆智能监测系统在地区电力通信网中的应用

刘硕钰 张 辉 刘 超 顾炜曦

（国网江苏省电力有限公司南通供电分公司，江苏 南通 226000）

截至2019年，南通市共铺设光缆10 374.3 km，从光缆铺设的规模来看，南通市光缆纤芯规模大，但是存在许多复杂因素，例如光缆绝缘老化、弧垂变化、金具腐蚀、自然灾害以及施工破坏等[1]，随时可能出现光缆通信中断的问题。因此，电力通信系统的光缆智能化监测就要求在传统技术的基础上进一步向智能、便捷方向发展，从而提高南通市光缆运维工作的效率。

1 光缆智能分配监测系统的结构设计

1.1 系统组成和功能架构

智能监测管理系统主要包括通信光纤和线路资源管理系统，主要功能为实时检测光纤主干线路的资源，并集成上述2个部分的实时数据智能化应用运维。系统框架如图1所示，虚线框中的防护系统、交换机、资源管理以及检测系统服务器等均是通信光纤智能监测的核心实施环节。工作人员能够通过内网、VPN等方式与系统服务器对接实现系统监测、管理等功能，访问终端主要包括PC客户端和手机App。

图1 主干光缆监测管理系统框图

监测系统的框架功能主要分为光纤监测和资源管理2个部分，2个部分彼此独立且需要各自独立部署，功能架构如图2所示。其中，光纤监测部分主要包括3层架构：设备、接口和前端；在北向接口实现与资源管理系统的对接；资源管理设备主要包括设备、数据、服务以及应用4层主体架构，通过4层架构部署处理来自光纤监测系统的信息，例如实时告警信息、线路资源信息、线路监测信息以及线路测试信息等[2]。

图2 监测管理系统功能架构

1.2 光纤监测系统

光纤监测系统架构如图3所示，主体由OTDR站和光纤光源站组成。其中，OTDR站的主要构成部件包括OTDR模块、光开关以及光功率计等[3]，光源站以多端口光源为主，通过实时监测光功率对线路进行监测，OTDR系统则主要对系统线路进行实时测试，在线路故障或线路功能测试时触发。

图3 光纤监测原理图

1.3 线路资源管理系统

通信光缆线路监测系统的核心模块包括地图管理、资源管理以及终端软件管理等。针对线路故障的诊断支持离线和主流线上地图定位，具备机房数据管理、光缆数据管理、光缆数据报表以及工程管理等功能，支持GPS定位数据的自动导入，包括gpx、kmz等格式的GPS数据文件。手机终端支持安卓系统，支持故障位置数据采集、故障点定位以及终端软件导航。手机终端软件能够实时调动光缆自动监测设备的各项数据信息，包括线路的实时监测数据、故障顶点信息，支持与历史数据进行对比，并能够按需定位故障点[4]。

2 区域通信网光缆智能分配监测系统

2.1 光缆智能分配监测软件系统设计

2.1.1 软件系统图设计

为了保证系统设计功能的有效性、稳定性，在充分考量系统的功能需求及特征后，最终确定以Windows Server 2012作为监测平台的操作系统，并整合SQL Server 2012数据库对系统监测功能进行系统性研发，以完成软件功能设计和开发工作，在VB软件系统的基础上开发、应用系统。而该光缆智能监测系统的主要载体以IBM服务器为基础开展各项工作。在服务器及工作站的基础上建设客户服务器，并将MapInfo Professional 12.0系统作为信息定位功能的支撑性平台。在选择核心工具开发的过程中，结合监测系统的实际工作环境，选择使用MAPX5.0进行工具设计。

2.1.2 光缆资源软件系统设计

为了进一步满足实际监测工作的需求，该研究将光缆管理系统划分为3个层面，分别为数据存储、界面管理以及逻辑处理。而光缆资源软件系统的整体架构也可以划分为3个部分，分别为资源管理客户端、资源数据库以及应用服务器[5]。该系统采用GIS信息地图实现对光缆故障定位的功能。在对光缆通信信息进行数据监控的同时，为了确保信息监控的持续性和稳定性，由数据存储层支撑完成系统监测数据的存储作业。界面层辅助用户操作系统功能。监测系统的信息资源、统计调配工作均是通过系统逻辑层实现的。系统在实际运行过程中所具备的功能均能满足实际的工作场景需要。另外，可以在数据库的基础上对光缆系统系信息的所有数据进行高效存取，根据实际监测环境的变化需求，数据存储会结合数据表的形式对相关的资源数据进行有效整合存取，同时可以使信息展示更有条理、更清晰[6]。例如，用户将光缆管理信息和系统日志上传至数据库进行存储，逻辑层则处在整个系统的中间位置，该工作层重点是有效地对系统的各类业务进行分析与处理。通过服务器的信息结构对资源管理系统进行功能拓展，工作人员可以根据实际需要外接相关功能模组，实现监测系统的其他连带功能。再由逻辑层对数据进行整合、处理以及访问等，经过逻辑分析后，将最终的判定结果返还给客户端。通过该方式不仅可以最大限度地保障光缆监测数据的安全，还可以有效降低光缆监测工作的复杂性[7]。该系统的功能均是通过界面层进行呈现并与后台内容对接的。

2.2 GIS光缆监测故障的判断与定位

2.2.1 GIS光缆监测故障位置的判断

当光纤发生故障后，系统首先侦测到光纤数据中断，并在第一时间通过GIS定位技术获取光缆故障点以及所处坐标距离，故障光纤数据将被自动切换至路面实际位置信息并呈现在GIS画面上。根据光纤故障定位信息可以判断故障点位置以及可能的故障原因，在系统告警后可自动启动OTDR，工作原理及测试模块样机如图4、图5所示。在实现光纤故障测试后，通过工程参考点信息判断光纤故障点位置，故障点计算如图6所示。

图4 OTDR工作原理

图5 OTDR测试模块

图6 计算故障点地理位置

根据光纤属性以及故障点所处位置对光纤的故障位置进行计算，如公式（1）所示。

式中：L为故障点到测标点间的距离；Of为光纤长度；α为光缆绞缩率。

以随机地标点的形式，测标点到沿线任意地标点的距离如公式（2）所示。

式中：Lij为标地点i至j的距离；Sij为标地点i至j的路面距离；βij为光缆曲率。

地标点到地标点间的距离L如公式（3）所示。

式中：L为地标点到地标点间的距离为地标点间的具体距离。

光缆的长度距离如公式（4）所示。

式中：Sxy为地标点x至y的间距；βxy为光缆曲率；Lxy为光缆的具体长度。

在GIS技术测算基础上明确距离故障点的路面间距S，并在GIS故障地图上显示。

2.2.2 GIS光缆故障智能监测定位

在OTDR信息采集技术的支撑下，通过故障点的地理位置分析算法研判光缆的具体故障位置以及所处位置可能的故障原因，将故障点以及标准曲线进行对比，并以该数据生成初步的研判报告供技术人员分析故障原因，采取积极的维修手段，所提供信息包括故障光缆的数据数组、光缆具体故障位置以及可能的事故原因[8]，故障分析流程如图7所示。

图7 光缆故障智能监测分析流程

光缆故障智能检测系统的工作流程就是判断系统故障点与参考曲线事件的损耗差值是否超过事件门限值，如果超出门限值，就触发故障报警，通过该故障监测方法对故障点进行定位。系统在地标技术应用的基础上对故障点进行研判；同时，工作人员根据GIS地图上的具体位置确定故障的具体故障信息，光缆故障智能监测机制如图8所示。

图8 光缆故障的智能监测

3 超长程光缆在线监测测试

3.1 测试环境

为了确定该系统的实效性，将在实验室开展超长距离光缆故障监测、报障试验，该试验共准备4盘长距离光纤，每盘距离为100 km，每盘光纤的连接处通过活动接头相连，使光纤长度达到400 km，测试的TX与RX端均设置了RFA、BA和PA，在距离RX端100 km处设置RGU，最终的测试体系如图9所示。

图9 光缆在线监测方案结构图

3.2 测试内容

在上述试验测试流程中，核心测试环节如下：1） 启动TX端的OTDR，从而确定OTDR测试最长的光纤距离。2） 通过RX端的OTDR来确定OTDR波长能否穿过RGU。3） 通过设置2个合波器构成旁路器，以验证旁路器是否可以避开RGU，从而对RGU之后的光纤进行监测。4） 在整条测试线路中人为设置短路点，确定当线路中出现故障时系统是否能够及时上报。5） 先后开启RFA和BA，并以9 dBm、12 dBm、14 dBm、16 dBm和19 dBm的顺序依次设置BA输出的额定功率，确定当启动BA后OTDR能否正常工作。

3.3 测试结论

测试内容中的（1）～（4）是在未开启线路放大器的基础上实现的，说明整个测试状态为离线状态。在该基础上可以得出以下推论：1） OTDR的测试有效距离能够保证较长距离的光纤监测。2） 在实验室试验过程中能够通过2个合波器实现旁路器功能，稳定绕过RGU设备。3）当线路出现故障时，OTDR系统能够精准判定故障信息并及时报备位置。

测试内容中的（5）是开启线路放大器之后的测试，还原了现实中的光缆通信环境。在开启RFA后，OTDR监测功能无法正常测试；当关闭RFA、开启BA并将输出功率调试到9 dBm时，系统能够实现正常的监测功能；当功率调整至12 dBm和14 dBm时，系统的监测准确性下降；当输出功率调整至16 dBm和19 dBm时，系统的监测功能失效。因此，可以得出以下推论：1） 在系统监测过程中开启BA会导致OTDR监测失效。具体原因是BA自身的放大信号功率较高，会对OTDR监测系统产生影响，最终干扰OTDR监测系统的正常监测功能。2） 该问题的针对性解决办法如下，由于现实监测光缆线路普遍距离较长，并且RFA和RGU均是线路中必不可少的装置，这将有一定概率导致OTDR监测系统在现实光缆对接后受放大器干扰失去正常的监测功能，因此，需要根据该弊端重新调整该试验的在线监测系统的方案。在试验过程中，需要将在线监测方案转为离线监测与业务光纤同一路由的空余光纤，2处光纤在同一个光缆中，在空余光纤报障后，业务光纤也可能存在故障，从而实现故障监测的目的，或者在监测线路中只有BA和PA的线路，且BA功率维持在14 dBm，也不会影响OTDR系统的正常监测功能。

4 结语

与传统的光缆检测手段相比，该研究提出了智能化程度更高的OTDR监测方式，采用GIS等技术实现了光缆监测信息化、数字化创新，能够快速、准确地报备光缆长度和经纬度信息，并实现光缆的持续监测与故障预警功能，避免了传统光缆监测工作中因光缆切割断裂、迁改等原因而出现无法精准定位故障位置的问题，极大地提高了光缆故障反应速率，缩短了抢修时间，减少了人工移动测定故障点的工作量，保障了光缆通信信息的安全性和稳定性。

该研究在完善光缆智能监测技术的同时，依然存在一定的迭代升级空间，后续还可以在系统中增加将故障信息直接报送至维修人员手机软件的功能，让维修人员能够在第一时间获取故障信息，确定故障的具体位置及故障原因，进一步提高维护部门的反应速度和管网安全运行的能力。