No.12 2011 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 5 OPGW光缆自动监测系统在500 kV线路 维护中的应用方案 张 慧 ,路明悦 ,李艳美 ,陈 华 ,孙 峥 ,周 磊 , 杨一诺 ,李 宁 ,宁 琳 (1.北京交通大学电气_T-程学院,北京100045; 2.华北电网有限公司北京超高压公司,北京102488) 摘要:由于光纤通信具有容量大、传送信息质量高、传输距离远、性能稳定、防电磁干扰、抗腐蚀能力强等优 点,近年来在电力系统得到了广泛的应用。电力系统光纤传输网络运行的可靠性是关系电力安全生产、高效 稳定运行的重要保障。但在实际应用中,由于受外力光缆本身质量等多方面因素的影响,光缆很容易遭到破 坏从而影响光缆的传输质量。传统的人工加仪器的线路维护方式已经不能适应电力系统对光缆传输性能的 分析和管理维护自动化的要求。本文主要介绍了利用OTDR测试技术与GIS地图技术相结合的光缆自动监 测系统在北京超高压公司500 kV线路OPGW光缆维护工作中的解决方案。 关键词:光纤复合架空地线;时域反射计;波分复用;GIS地图;自动监测 中图分类号:TM752 文献标识码:A 文章编号:1003—9171(2011)12-0005-04 Application of OPGW Automatic Monitoring System in the Maintenance of 500 kV Lines Zhang hui ’ ,Lu Ming—yue ,Li Yan—mei ,Chen Hua ,Sun Zheng , Zhou Lei ,Yang Yi—nuo ,Li Ning ,Ning Lin (1.',School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 1 00045,China; 2.North China Grid Company Limited Beijing EHV Company,Beijing 102488,China) Abstract:As the optical fiber communication with a large capacity,high-quality transmission of information,transmis— sion distance,stable performance,anti—electromagnetic interference,corrosion resistance,etc.,they has been widely used in recent years in the power system.Power system reliability of optical fiber transmission network is an important guarantee for electricity production safety,high eficiency and stablfe operation.However,in practical applications,due to the quality of fiber optic cable itself,and many other factors,fiber optic cable is easy to be damaged thus affecting the transmission quality of fiber optic cable.The traditional way of line maintenance with labor and instrument has been unable to me et the requirements of power system in the fiber optic cable transmission performance analysis and automated management and maintenance.This paper describes the use optical automatic monitoring system which combining of OTDR testing technology with GIS mapping technology combining in the OPGW cable maintenance SO・ lution in 500kV lines of Beijing EHV Company. Key words:OPGW;OTDR;WDM;GIS map;automatic monitor 0 引言 随着数据通信的急剧增加,作为信息高速公 路的传输媒介,以及今后电力通信发展的需要, 种潮流。由于其容量大,如果光纤发生故障,中 断较长的时间,将会给电力系统通信调度造成巨 大的影响。因此,当不可避免地发生光纤中断 时,如何迅速的发现故障,缩短故障修复的时间 光纤通信的作用越来越重要,而且它已经成为一 将直接关系到电力系统通信调度的可靠性和稳 6 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 定性。正因为如此,光纤线路的在线监测越来越 受到电力系统有关部门的重视。 l 传统维护手段的弊端 北京超高压公司管辖的输变电设备有:500 kV变电站16座,500 kV输电线路59回总长 5 335.412 km。公司现所辖安北、安房、昌顺、源 安、姜天一、姜天二、高天一、高天二、上承、承姜 500 kV线路OPGW光缆,总长共计2 696.39 km。 线路保护、站内二次系统信息等所有电网业务均 运行在上述光缆上,一旦某一条光缆中断,将造 成部分业务中断的严重后果。 北京超高压公司现有光缆由输电处和保护 通信处负责维护,当传输系统收无光时,光端机 产生收无光告警,网调电话通知公司生产指挥中 心值班员,生产指挥中心值班员再将告警信息通 知相关专业维护人员进行检修。维护人员利用 光时域反射仪OTDR等仪器分析故障点,并由现 场技术人员进行抢修。这种传统的光纤传输网 络维护方式存在很多不足之处。首先,对故障的 反应速度有人而定。如果值班人员和维护人员 没有及时配合和行动,将大大耽误抢修进程,影 响系统通信;其次,光纤传输网络故障的告警由 传输系统——光设备来提供,当故障是出现在整 个光传输系统中时,光设备可能故障,各种连接 设备(FC/PC、ODF/ODP)也可能存在接触不良故 障,也可能是分布于户外的光缆被损坏,光纤传 输网络的故障定位非常困难;此外,光设备告警 无法正确预知光纤传输网络传输性能的改变,只 有当线路中断时才会发出告警信息,不能起到故 障预警作用。 另外,公司现在针对光缆运行维护工作仅限 于每年进行备用纤芯测试,将每年的备用纤芯测 试结果对比来查看光缆运行情况,不能实时掌握 光缆运行状况,尤其使用着的纤芯更不能了解其 运行状况。同时,由于光缆施工竣工资料不够齐 全,光缆发生中断后,仅仅能用OTDR测量光缆 故障点距离,不能确定具体塔号范围,仍需大量 人员进行沿线搜寻故障点,费时费力,延长故障 抢修时间。 2系统解决方案 电力系统的各种业务对于通信系统的可靠 性、稳定性有很高的要求,传输系统的中断对于 整个系统的稳定运行将造成巨大的影响。基于 上述原因和电力系统光纤传输网络的监测要求, 我们提出了一套利用OTDR测试技术,基于 WDM原理构建的先进的电力系统光纤传输网络 在线监测解决方案——光缆自动监测系统。 2.1 系统组成 光缆自动监测系统是由监测站(Monitor Sta— tion)与监测中心(Monitor Center)两部分组成。 如图1所示。 图1光缆自动监测系统构成 监测中心主要包括数据库服务器、用户操作 系统、网络通信设备、数据输出设备等组成。 监测站由远程测试单元、波分复用单元、告 警单元、网络通信设备等组成。 远程测试单元主要由主控模块,OTDR模块, 程控光开关、电源模块、专用软件组成。 2.2 基本原理 主控模块是监测站的核心模块,采用稳定的 嵌入式系统设计。主控模块监测远程监测单元 的运行状态,控制和设置各模块状态,接收模块 状态和反馈信息,通过网口与网管系统进行通 信。 程控光开关负责为OTDR模块进行测试光 路扩展。系统收到告警后,程控光开关切换到告 警光路上,等待OTDR进行测试。程控光开关是 以电磁管(Solenoid)制成之切换机构,使切换速 度只需30 s,远快于传统的马达切换方式。 OTDR光时域反射仪模块能精确地找出故障 点,生成曲线文件,通过主控模块上告到网管中 心。所有控制及数据处理;包含信号放大、噪声 滤除、数据平均化处理等工作,可在OTDR控制 版中完成,处理后的数据在经由总线送往主控制 模块 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 7 OTDR基本测试回路的构成,如图2所示。 由脉冲发生器产生的脉冲,驱动LD产生光脉冲, 经方向耦合器射人待测光纤。射入光纤的光脉 冲因光纤内部含有的杂质、纤核添加物等产生漫 反射。其中部分向后散射的后向散射光(BACK SCATTERING LIGHT),连同遇不平整光纤端面 图3在线监测示意图 所产生的FRESENL反射光一齐反射回耦合器, 射至光电二极管转换成电脉冲。此项反射光因 极微弱反复传送、收集以放大平均处理后,再将 波形显示于CRT上。 图2 OTDR工作原理 2.3 系统特点 光缆自动监测系统是一套针对光纤网络管 理和维护的智能:系统,拥有强大资源管理功能并 能与GIS地图紧密结合图形化显示,操作简单、 维护便捷。系统通过对站点、OTDR、测试路由, 地段、地标等拓扑图与GIS地图相结合,准确显 示整个链。光缆自动监测系统采用了国际先进 的“模块化设计、插板式结构”的结构方式,所有 电路板均支持热插拔,极大地方便了系统维护, 国内外应用、研究较广泛。 光缆自动监测系统按照以下5个原则进行 开发。 (1)系统要求OTDR波长与光传输设备波 长不同,利用波分复用技术不会对传输网络产生 影响,如图3所示,可实现远程、实时、在线自动. 监测; (2)具有点名测试、实时监测和周期测试3 种测试模式; (3)能快速准确确定故障准确位置; (4)采用光功率监测系统,原理如图4所示, 每30 S为周期对全网的收端光功率变化值进行 采集监测,实时反映全网光纤的工作状态; (5)可采集、分析、存储上万条光纤的曲线 数据。 图4光功率在线监测原理图 同时,此系统需采用国际先进的“模块化设 计、插板式结构、热备份双电源”的结构方式,所 有电路板均支持热插拔,极大地方便系统维护。 双电源热备份其中一个电源发生故障,另一个电 源自动负担全部电源负荷,对系统的连续工作不 会产生任何影响。RTU监测站系统采用嵌入式 Linux系统,系统具有效率高、稳定性好、移植性 好等优点,还内含完整的TCP/IP网络协议栈,促 进了多种不同产品间的互用性。 2.4关键技术 系统的关键技术之一是如何保证系统的实 时性,也就是一旦有故障,能够在最短的时间内 通知相关人员,把工程维护由被动方式转移到主 动方式。我们采用的关键技术之一就是应用 OPM(光功率检测模块)。此模块通过TAP光耦 合器从工作光纤中取出少量光,一般为3%或 5%,提供给OPM模块,来检测当前工作光纤的功 率值,通过比较告警光功率阈值(用户可以远程 设定)来确定是否需要发送告警信号,如果需要, OPM模块通过RS232接口向MS发送告警信号, MS收到告警信号后,立即启动OTDR进行测试, 测试完毕后测试文件送测试中心。OPM模块每 天24 h工作,为了提高可靠性,同时把它做成能 够集成在一个标准机箱里,我们采用了电子盘和 无显示器模式,抛弃了传统的硬盘加显示器模 式,这样缩小了硬件的体积,也节约了成本。采 用此种方式,一般来说,光缆监测的周期可由现 行的每天一次变为30 d一次,30 d的周期测试仅 为取得光纤特性的缓慢变化,以发现缆、纤、接头 8 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER 的衰耗劣化趋势,其它模块只是在OPM告警或 有特殊需要时才启动。 关键技术之二是采用波分复用技术 (WDM)。在线监测可以实时对光缆进行监测, 要求OTDR波长与光传输设备波长不同,利用波 分复用技术不会对传输网络产生影响。波分复 用技术就是将两种或多种不同波长的光信号在 发送端经过合波器汇合起来,并耦合到光线路中 的同一根光纤中进行传输;在接收端,经过分波 器,将各种波长的光波进行分离,然后由光接收 机进行相应的进一步处理并恢复原信号。光纤 在线监测系统中,在不影响系统正常通信的前提 下,为了完成对在线光纤的测试工作,就利用了 波分复用的原理。将1 625 nm的测试波通过波 分复用原理,经过合波器,加载到线路上,完成测 试功能,在子站将复合光波进行分离,系统的工 作波进入相应的光设备处理,而测试波继续向下 传递。原理如图5所示。 图5 基于波分夏用原理构建的测试系统 关键技术之三是采用GIS/GPS集成,使得故 障点的显示直观化,同时可以显示人孑L、标石等 具体位置,对精确查找故障点的位置有很大的帮 助。 2.5 故障判断 被测光纤的背向散射曲线不仅反映了在光 纤中传输的光波因折射而造成的正常衰减,而且 反映了二光纤中的物理接头、熔接点、裂缝、弯曲 等情况所造成的突发事件。对事件的判别可采 取五点法和最小二乘法等算法,也可运用小波变 化理论对曲线进行包络分析,找出散射曲线的奇 点,通过分析这些奇点处的曲线斜率,得出相应 位置上发生的事件类型及事件值。五点法和最 小二乘法的特点实现起来较为容易,但对事件判 断的准确性不高,小波变换法分析事件的准确性 很高,但算法实现较为复杂。在本系统中,采用 了小波变化法对事件进行分析。 在实际应用中,对光纤事件分析判断的准确 性除了起决定性作用的分析算法外,由于理论分 析结果是光距离而非地理距离,因此理论分析值 与实际故障点之间还存在着一定的误差。 2.6应用方案 运用上述诊断技术,我们拟采用光功率的备 纤监测方式实现对一条全长100 km的光缆线路 的实时监测。在监测站中,为了提高系统对故障 判别的准确性,对两条备用纤进行实时监视,一 旦光功率监测告警发生,由控制模块启动OTDR 对所有纤芯(包括主用纤和备用纤)进行测试。 对主用纤通过WDM器件进行在线测试,对备用 纤直接进行测试,告警信息和测试结果先后上传 至监测中心。为了保证告警信息和测试结果数 据能可靠地传送到监测中心,采用了3条通信线 路互为备份的策略,利用通信系统提供的话音通 道、专用通道和数字通道可以保证在线路本身出 故障的情况下,能将告警信息和测试结果数据及 时地传送到监测中心。在监测中心,配备有大型 数据库系统、OTDR测试数据分析软件和GIS,通 过结合这些技术,可以实时、直观、系统地向管理 人员提供所辖地区光缆的运行状况。 系统全面应用后,可以实现对所辖的上承、 承姜、顺安、昌顺、姜顺、顺城、安房、姜天一回、姜 天二回、高天一回、高天二回等共计36条500 kV 线路OPGW光缆远程、实时、在线地进行光缆线 路中被监测光纤运行状况的监测,及时掌握光缆 运行状况,预防光缆线路的故障隐患。系统与 GIS地图紧密结合图形化显示,操作简单、维护便 捷。缆线布线管理功能配合GIS地理信息系统, 给线路维修人员提供了一个实用的管理查询工 具。同时,系统能快速准确的提供光缆、光交接 箱、光分线盒、光接头盒等设备信息的编辑查询, 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。对于光缆可根据纤芯颜色的设 置自动生成光缆截面图,并可显示每根光纤的使 用情况和相关业务信息,还提供了光路通道的调 度与管理、光纤故障点的各种信息等功能,从而 (下转第15页) No.12 20l1 华北电力技术 NORTH CHINA ELECTRIC POWER Decision under Risk.Econometrica,1979,47:263.291. 15 力系统自动化,1998,22(2):26—29. [2]王文奋,赵宏伟,赵志杰.电力市场环境下发电厂机组 [10]Schaubroeck J,Davis E.Prospect Theory Predictions When Escalation is Not the Only Chance to Recover Sunk Costs.Organizational Behavior and Human Decision Proces— ses.1994,57:59—82. 的检修计划[J].电力系统自动化,2005,26(10):65—67. [3]王健,文福拴,杨仁刚.基于对系统发电容量充裕度估 计的发电公司最优检修策略[C].中国高等学校电力系统 及自动化专业第二十届学术年会论文集,2004:1673— 1677. 『1 1]Thaler R.Toward a Positive Theory of Commitment Choice.Journal of Economic Behavior and Organization, 1980.1:29 60. [4]李义成.燃煤的过程分析与发电厂煤耗[J].华东电 力,2000(3):31—32. [12]Simon Herbert A.Rationality in Psychology and Eco— nomics.Journal of Business,59(2):209—224. 收稿日期:2011-06-27 [5]朱玉明,史进渊.发电设备的可靠性问题及对策[J]. 电站系统工程,19 1)6,12(3):1—3. [6]邢刚果,鹿启伟.浅析如何降低发电机组的非计划停 运[J].能源技术与管理,2009(5):50—52. [7]董志勇.行为经济学原理[M].北京:北京大学出版 社,2006. 作者简介:叶青(1972一),男,清华大学硕士,曾于2008年至 2010年在财经大学进修经济管理和金融类课程。主要研究 方向:电力市场、经济调度。高级工程师,主要从事电力市场交易 工作。在国际学术会议及全国核心期刊发表多篇文章,获多项华 北电网公司科技成果奖励。华北电力技术院信息与电力市场专 业一级专家。 [8]苏同华.行为金融学教程[M].北京:中国金融出版 社.2006. (本文编辑刘生仁) [9]Kahneman D,Tversky A.Prospect Theory:An Analysis of 业 宣 业§ 业业 j 9 业盥业j 业 业业业业 业妊 } 业坐 业j 韭j 业 妇 (上接第8页) 大大提高企业运维效率。当光缆线路中被监测 光纤发生障碍时,迅速、准确地确定故障点的位 置,并立即向中心传报。配合光缆线路障碍的抢 修,生成相应的施工指导单,压缩故障历时。根 参考文献 [1]杨同友,刘炎卿.光纤通信与系统测试[M].北京:人 民邮电出版社,1993. [2]赵子岩.电力系统光纤传输网络在线监测系统.电力 系统通信,2003,24(2). 据不同时期,不同线路的情况设置不同的障碍分 析参数,查询光缆运行数据文件,自动分析所监 测光缆线路劣化的趋势。 [3]孟嗣仪.电力系统光缆自动监测系统的设计及实现 [J].北方交通大学学报,2002,26(6). [4]黄衍堂.远端光纤监测系统[J].光通信技术,2000,24 (2). 4 小结 电力系统光缆自动监测系统在北京超高压 公司500 kV线路OPGW光缆监测上的应用,将 大大降低生产维护人员的工作量,同时缩短故 障查找及处理时间,为电网的安全稳定运行提 [5]孙绵湘.光缆自动监测系统简介[J].电信技术,1996 (1O). [6]陈希.光纤和光缆的监测与管理系统[J].电力系统通 信,2002(5). [7]曹俊忠,鲍振武,张国柱.光缆线路自动监测相关问题 供可靠的保障。这种系统完全可以取代传统的 人工加仪器的光缆维护方式,为维护人员提供 了一个先进的维护测试平台,同时,通过对系 的探讨[J].光纤与电缆及其应用技术,2002(6). 收稿日期:2011-09-09 作者简介:张慧(1982一),女,北京交通大学电气工程学院在读 电气工程硕士,助理工程师,华北电网有限公司北京超高压公司 生产技术处自动化及通信专业高级主管,主要从事电力系统自动 化、通信专业相关技术管理工作。 统的历史数据及曲线的分析对比,可以更好地 了解光缆的运行情况,对传输网络存在的隐患 提前预警。 (本文编辑刘生仁)