祁利刚，李志伟

(国网河北省电力公司检修分公司，石家庄 050070)

1 概述

国内电力系统的光纤通信经过近二十年的发展，已成为电力系统内通信的最重要手段。随着光线路覆盖率的逐年提高，人工维护模式面临较多问题:无法建立对光缆通道的不间断监测，未形成持续的光缆监测数据管理库，无法有效监控光缆、连接器件、材料的劣化、老化过程;人工维护周期长、耗时多、排障时间长，缺乏对光缆各项维护数据的有效分析。在光缆数量、密度和复杂程度提高，承载业务越来越丰富，对实时性和可靠性要求越来越高的情况下，这些维护问题日益突出。

以持续光功率监测技术、光时域反射仪(OTDR)远程自动测试、嵌入式操作系统软件技术为主体的电力光缆故障定位与管理系统集光缆监测、告警、故障分析于一体，及时发现光缆线路劣化、老化及中断等故障数据，减少障碍历时，变被动维护为主动维护，从而实现光纤物理网络的智能监控和维护管理，为电力系统通信光缆网络的安全稳定运行提供保障［1］。

2 系统的组成

电力光缆故障定位与管理系统在结构上可分为两层，即集中监测与管理层(主站)、远程监测单元层(子站)。

集中监测与管理层(主站)由服务器、操作员站、工程师站、通信管理机、GPS 时钟、短信服务器、打印机等构成，主要实现对光缆网络监测数据的存储、记录其状况和分析对比，光缆状态评估，告警等信息发布，实现对光缆网络资源的管理功能。

远程监测单元层(子站)主要由远程电力光缆故障定位与管理单元组成，主要完成对光缆监测数据采集及预处理，通过网络上传信息，当发现光缆异常时，自动判断和分析故障信息，通过OTDR 进行故障定位并及时汇报;增配光保护单元模块，可对在用光通道提供保护功能;配备监视等设备，可实现就地监视和管理功能;主要包括远程监测单元RTU、集成监测单元CTU、测试单元TU 等。

电力光缆故障定位与管理系统结构示意见图1。

图1 电力光缆故障定位与管理系统结构

远程电力光缆故障定位与管理单元RTU、CTU、TU 根据网络配置要求，由光功率监测模块(OPM)、光开关模块(OSW)、光时域反射仪模块(OTDR)、主控模块(MCU)、电源模块(PWU)、光保护模块(OASM)等插件配置而成的不同硬件组合。主站层与远程子站层通过网络进行数据和信息交换。

3 系统的工作原理及故障定位方式选择

3.1 工作原理

监测子站的光功率监测模块的采集单元对被测光纤的光功率进行监测采集，并将采集的数据传报到光功率控制单元，光功率控制单元对监测的光功率数据进行分析，将超过告警门限的光功率数据及时传报给监测中心，监测中心对各个光功率控制单元传报的数据进行分析、统计，对发生超门限值的光功率变化进行告警、统计、判断出发生故障的光缆段，自动快速地启动监测站的光时域反射测试仪和光开关对故障光缆段进行测试，测试后所得的曲线数据上传监测中心，监测中心将监测曲线与参考曲线进行分析比较，确定故障点的位置、类型和告警级别，可采用多种方式告警。

3.2 故障定位方式选择

电力光纤传输网的网络拓扑结构多以环形或链形的方式实现，针对电力系统光纤传输网的主要特点，目前常用的电力光缆故障定位方式有3 种:备纤监测、在线监测和跨段监测。

3.2.1 备纤监测方式

备纤与其他工作光纤都在同1 根光缆中，因此备纤的性能基本上可以反映整根光缆包括工作光纤的性能。由于对在线光纤的监测需要在变电站添加波分复用器，增加了投资，所以通过对备纤的监测，来实现对整根光缆(包括工作光纤和备用光纤)的监测，就是一种非常好的方案，当投资有限时就可以采用这种方式［2］。备纤监测的原理示意如图2所示。

图2 备纤监测原理示意

3.2.2 在线监测方式

在线监测方式利用的是波分复用的原理，将测试波同工作波复合到一起，利用光纤传输复合波来进行测试。在线监测因为需要复用与解复用，因此，在变电站里需要添加相应的合波与分波设备。

3.2.3 跨段监测方式

当系统中所要测试的光纤线路比较短，OTDR的动态范围可以达到测试多个变电站多连接的光纤时，为了对光纤段进行连续测试，需要使用跨段测试的方法。这种跨段测试的方法是对在线光纤进行测试的最基本的测试方法，其他的测试方法都是建立在这种测试原理基础之上的。跨段测试的方法主要是利用了波分复用的原理，通过对光波的合波、分波等一系列过程完成相应的测试功能［3］。综合考虑以上3 种监测方式的优缺点和实施成本，最终选取备纤监测的方式进行电力光缆故障定位与管理系统的设计。

4 系统的关键技术及功能

4.1 系统关键技术

a.持续光功率监测:在由光源、光功率监测模块构成的监测通道上，通过建立一个小型的单片机系统，实现循环测试、精确AD 转换、量程控制、对多点的监测路数控制，检查结果通过规约向嵌入式系统上报;

b.嵌入式操作系统采用Linux 操作系统内核，支持实时系统的一系列特征包括多任务、中断支持、任务抢占式调度和循环调度。采用微内核设计使Linux 缩减系统开销并可加速对外部事件的反应。

c.利用Windows 操作平台、Oracle 数据库基础上开发系统管理软件，建立各类功能管理模块;采用特定算法建立曲线分析、事件分析模型。

4.2 系统的功能

a.系统提供多种测试功能和多样测试功能组合，可根据不同需要设置测试周期和测试参数;

b.系统提供芯线每日测试记录、多种日志查询等多项完整的历史数据，可查询并以报表形式打印和保存;

c.当系统确认故障点距离后，能够根据光缆路由上的节点(如人孔)距离及光缆绕线余长，利用特定的算法，准确定位出故障点，为故障抢修提供最直接最准确的信息;

d.系统提供WEB 查询功能，可通过浏览器的方式查询监测系统的最新数据;

e.系统可提供对光缆、光交接箱、光分线盒、光接头盒等设备信息的编辑查询等功能，并能自动生成光设备的展开图、光缆网络图、路由图及熔接图;

f.系统提供完整的即时故障告警方式，并可弹性配置，系统可在极短时间内即时反映故障信息并第一时间采用短信、Email 和现场声光等多种告警方式及时通知相关人员通知相关维护人员;

g.系统采用模块化设计，扩容时也不会影响原有系统的监测功能。

5 系统的应用及效果

5.1 应用情况

目前河北检修公司负责维护的500 kV 线路OPGW 光缆28 条，线路长度2 360 km，日常光缆运行维护主要通过定期对光缆的外观进行运行巡视、专业巡检，每年对各条线路光缆备用纤芯定期进行一次光纤衰耗参数性能测试。如果光缆故障发生在2 次巡检测试中间，维护人员就不能立即获得光缆故障情况，只有在设备光路中断的情况下造成业务中断，才能去现场判断故障点。

电力光缆故障定位与管理系统的在线监测装置对OPGW 光缆的备用纤芯进行实时监测，一旦光缆发生衰耗增大、断芯等故障时，仪器都会产生告警，通信人员收到告警后能够及时对发生问题的纤芯进行故障点定位，并及时安排人员对光缆断点进行修复，避免光缆的破损情况进一步扩大，缩短由于光缆故障所引起通信中断的时间，从而提高光缆的运行率，保证通信网安全可靠运行。

电力光缆故障定位与管理系统由监控中心、远端光纤测试单元RTU 和辅助测试光源、光功率计等组成。综合考虑工程和技术方面的需要，选择一段36 芯OPGW 光缆作为监测对象，根据所选线路各站点的分布情况，监控中心设在检修公司通信监控中心，监控中心与远端RTU 间通过电力专用以太网连接;根据光缆线路各网段的光缆光芯的实际使用状况，试验网的监测方式采用备纤监测方案，以有效减低试验成本，OTDR 的测量波长选用1 550 nm。试验点选择光缆线路上相邻的3 个站点A 站、B 站和C 站(A 站为保北站、B 站为清苑站、C 站为石北站)，B 站距A 站55 km、距C 站95 km，两站均处于OTDR 的有效精度测量范围内，是典型的链路监测，试验成本较低。

在B 站－A 站、B 站－C 站间利用光缆线路的备用纤芯，建立一条光功率监测链路，实时采集监测数据，持续监测线路光功率变化。采用波长为1 550 nm 的OTDR 建立B 站－A 站、B 站－C 站的测量监测链路，通过嵌入式系统实现OTDR 测试管理、周期测试、点名测试的等内容。由监控中心建立OTDR 采集数据曲线分析程序、事件分析模型，建立故障的甄别和故障定位方法;同时监测中心还要建立系统管理、局站管理、网络拓扑管理、数据接口等专项模块，实现智能化管理要求。

在B 站配置有OTDR 模块的光缆自动监测设备(RTU)，对光缆中的被监测光芯进行实时监测，并记录其监测状况并分析对比。当由于线路性能变化而引起RTU 内光功率监测电路发生门限告警时，将自动触发OTDR 进行线路测试，并及时汇报给控制中心，以判断和分析故障信息，作出准确的故障定位;控制中心将测试结果以短信等方式在第一时间内提供给维护部门，从而大大缩短故障恢复时间。电力光缆故障定位与管理系统原理图如图3所示。B 站安装的电力光缆故障定位与管理装置如图4所示。

图3 电力光缆故障定位与管理系统原理

图4 B 站电力光缆故障定位与管理装置

通过对被监测光芯进行实时监测和周期测试在监控中心的监控主机上得到测量数据，光芯的测试曲线如图5所示，光芯的测试数据如图6所示，测量数据与工程原始数据进行比照，可以对线路自建设投运后的光缆情况作出分析，得出光缆劣化和老化的数据，为后续维护预判创造了条件。目前，电力光缆故障定位与管理系统已成功应用于500 kV 北清线、清保线OPGW 光缆。

图5 光芯的测试曲线

图6 光芯的测试数据

5.2 应用效果

通过河北省南部电网500 kV 变电站的试点建设，电力光缆故障定位与管理系统的应用取得了如下效果:

a.光缆维护单位能够实现对光缆线路状态的实时监控，随时掌握网络运行环境的状况;

b.通过试点网的建设，及时掌握目前光缆线路的真实数据，对线路投运后的光缆线路质量进行评估，及时跟踪光缆线路的劣化和老化数据，及时发现故障隐患，并可做到防患于未然;

c.及时反馈传输光缆故障及故障点，能尽量缩短维修故障的时间，以降低故障产生的负面影响，并可为维护单位提供有效的工作指导，通过对基层监测数据的采集、整理、分析，为500 kV 线路的电力光缆故障定位与管理系统建设积累经验，为全线路的推广创造了条件。

6 结束语

电力光缆故障定位与管理系统是在河北省南部电网中首次应用，通过本系统对电力光缆进行实时监测，一旦光缆性能指标(衰减、色散)下降或者光缆单芯中断，系统都会产生告警信息，对于状态检修工作和故障预先判断提供了有利的技术支持。随着光纤通信技术的发展，目前电力系统的各类业务都是通过OPGW 光缆承载的，对于承载较重要业务的光缆安装本系统可以实时掌握运行光缆的状态，避免一些可控故障的发生。

［1］吴聪华.光缆在线监测系统［J］.光纤与电缆及其应用技术，2004(6):24-26.

［2］赵子岩，刘建明，张凯穗.电力系统光纤传输网络在线监测系统［J］.电力系统通信，2003，24(2):1-4，12.

［3］张娟娟.浅谈光缆在线监测系统在供电企业的应用［J］.贵州电力技术，2010，13(9):52-54.