基于光纤网的光缆线路故障告警技术研究

The Study of Optical Line Fault Alarm Technology Based on Fiber Optic Network

摘要: 云南地形气候复杂，光缆线路时常存在安全隐患。光缆线路的正常运行是保障电力系统安全稳定运行的重要条件，及时掌握光纤线路的实时运行状态，是保证电力系统信息畅通的基本前提。目前，现有的各类光缆线路需要管理维护，拓扑结构比较复杂，运维任务困难、繁重。本文首先构建了光纤网络智能化监测系统架构，由管理层、监视层、测试层构成，可以实现对主干光缆网络运行状态的实时监测。接着研究了光纤网OTDR检测技术，并建立了包含传感子系统，数据采集处理子系统，专家及测距子系统的光缆故障告警监测系统，结合定位技术，实现光缆故障的精确定位。并采用故障点定位分段函数算法等技术，对光缆故障或异常信息进行分析，提高了运行效率，建设现代化、信息化、智能化电网做出贡献。

Abstract: Yunnan terrain climate is complicated; cable lines often exist security risks. The normal operation of optical fiber cable is an important condition to ensure the safe and stable operation of power system. To grasp the real-time operating status of optical fiber lines in time is the basic prerequisite for ensuring the smooth flow of power system information. At present, the existing types of optical cable lines need to be managed and maintained, the topology is complicated, and the operation and maintenance tasks are difficult and heavy. This paper first builds an optical fiber network intelligent monitoring system architecture, which consists of management layer, monitoring layer and testing layer, which can realize the real-time monitoring of the operating status of the backbone optical cable network. Then, the optical fiber network OTDR detection technology is researched and a fiber optic cable fault alarm monitoring system including sensing subsystem, data acquisition and processing subsystem, expert and distance measuring subsystem is established. With the combination of positioning technology, the accurate positioning of optical fiber cable fault can be realized. And the fault point positioning segmentation function algorithm is used to analysis fiber optic cable fault and abnormal information, which improves operational efficiency and makes a contribution for building a modern, informative and intelligent power grid.

1. 引言

目前国内外对光缆故障监测主要采用光缆监测系统。光缆监测系统主要面向的还是P2P的网络结构，这类结构的网络监测也逐渐成熟。随着接入网技术的发展和重要性的日益提高，光缆监测系统需要面对这类P2MP网络结构的光通信网络监测，这对光缆监测系统的硬件特别是OTDR技术和光开关技术都提出了挑战 [1] [2] [3] 。对于P2MP结构的接入网，特别是电力系统的配电网络，由于靠近用户，环境复杂，动物、施工、水浸等都会造成光缆故障，再加上用户电源、设备等多种因素直接导致网络传输中断。目前缺乏必要的保护或网管监控手段，无法通过关联告警来有效区分用户侧是光缆、光路、设备还是电力故障原因导致通讯中断产生。所以对这类网络监测手段的研究和实验迫在眉睫 [4] [5] [6] 。

此外，目前电缆的光纤网络类型主要通过网元链接，光缆成环率不高，通信维护人员少，站点之间距离远。网络故障或异常时，传统的检测手段费时费力且定位不准确，靠人工开挖、爬杆查找等手段，严重影响了工作效率。不仅如此，不及时的查找并排除故障对电网安全运行构成严重威胁。

因此，本文构建了完整的光纤网光缆线路监测体系，与传统光缆监测系统不同，它在传统的OTDR+光功率计定位的基础上，采用了故障点定位分段函数算法等新技术，由于在传统的检测手段中，故障距离的计算是理论计算的数值，没有很好的考虑光纤实际施工过程中的弯曲、预留、绕道、地形起伏等因素，因此误差较大 [7] [8] 。而本文是基于光纤网技术，GPS定位导航技术结合在一起，并自动通过手机短消息、电子地图等形式派单给各相关人员，方便现场人员快速找到故障位置。根据系统对光缆故障或异常信息的分析，给出告警信息，指导运维人员及时予以处理：若光缆处于故障状态，系统能自动、迅速定位故障，便于运维人员及时抢修并予以排除；若系统处于非故障的异常状态，则运维人员根据告警信息予以排查，防患于未然。将大大提高通信部门的工作效率，为建设现代化、信息化、智能化电网做出贡献。

2. 光纤网光缆线路监测系统架构

本文提出了由管理层、监视层、测试层构成的3层体系架构。底层为测试层，由软件系统控制远程分布的光开关，形成以OTDR为根节点的树状测试链路，通过若干树状测试链路形成对待测范围内光缆网络的覆盖；中间层为监视层，利用通信设备本身的光信号故障检测功能感知光缆故障，使通信网络故障直接映射到光缆监测系统,进行与光缆关联的业务影响分析，并可支持使用传统的/光源+光功率计的光缆故障监视方式；顶层为管理层，监视通信网络网管告警、性能事件等,并触发测试，采用远程控制接口，控制OTDR、光开关等进行测试，提供各种OM (操作维护)界面，并管理系统的硬件设备和软件模块 [9] [10] 。

光纤网光缆监测系统架构示意图如图1所示。

3. 光纤网OTDR检测技术研究

根据模态理论，当边坡形变时，光纤受到微弯时，就会产生模式根据模态理论，当光纤受到微弯时，就会产生模式或模式平均功率的耦合，致使一部分纤芯模转化为包层模泄漏，产生微弯损耗。

对于光纤折射率分布α = 2的梯度光纤，如果只在平面内产生微弯，可以证明其损耗的确切表达式。假设光纤轴与坐标系z轴重合，并且其微弯的曲率脉冲形状为高斯系列，则曲率函数C_G(z)可表示为 [11] ：

$C_G\left(z\right)={\displaystyle \underset{n=1}{\overset{N}{\sum }}{C}_n\left(z\right)}={\displaystyle \underset{n=1}{\overset{N}{\sum }}{A}_n\exp \left[-\frac{4{\left(z-u_n\right)}^2}{W_n^2}\right]}$ (1)

式中，C_n(z)表示光纤第n个微弯的曲率函数，N为光纤总微弯数，A_n、u_n分别是曲率脉冲峰值及峰值坐标，W_n是以曲率值降为峰值的1/e处的脉冲宽度。由功率谱密度可推得 [11] ：

${\zeta }_G\left(\Delta \beta \right)={\left|{\displaystyle {\int }_{-\infty }^{+\infty }{C}_G\left(z\right){\text{e}}^{-j\Delta \beta z}\text{d}z}\right|}^2\approx \frac{\text{π}}{4}N{A}_0\exp \left[-{\left(\Delta \beta \right)}^2{W}_0^2/8\right]$ (2)

式中：A₀、W₀分别为平均曲率脉冲峰值和宽度。利用关系式 $\Delta \beta =-2\sqrt{2\Delta n}/d$ 和微弯损耗表达式，可得高斯型曲率函数引起的微弯损耗为 [11] ：

$L_G=3.06\frac{1}{\Delta n}N{A}_0^2{W}_0\exp \left[-\Delta n\frac{W_0^2}{d^2}\right]$ (3)

式中，Δn为光纤相对折射率差，d光纤芯径。由此可以看出，小小的扰动可以引起光的能量的减小，我们可以利用微扰引起瑞利散射背向散射光能的变化。

OTDR是基于测量后向瑞利散射光信号的实用化测量仪器。利用OTDR可以方便地从单端对光纤进行非破坏性的测量，它能连续显示整个光纤线路的损耗相对于距离的变化。OTDR测试是通过将光脉冲注入到光纤中，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的路径延时返回到OTDR中。OTDR根据入射信号与其返回信号的时间差τ，利用式1就可计算出上述事件点与OTDR的距离 [11] 。

$d=\frac{c\tau }{2n}$ (4)

式中c为光在真空中的速度，n为光纤纤芯的有效折射率。

Figure 1. The system architecture of optical fiber network monitoring

图1. 光纤网光缆监测系统架构

分布式光纤传感网的传感机理如图2所示：边坡发生形变或裂缝时，埋入的边坡光纤，会在形变或裂缝处产生微弯，从而引起光信号出现局部高损耗即微弯损耗，用光时域反射仪OTDR探测后向瑞利散射光损耗的位置和大小，可以推知相应的位置是否出现形变 [11] 。

4. 光缆故障告警监测系统

光缆故障告警监测系统包含传感子系统，数据采集处理子系统，专家及测距子系统等组成。

4.1. 传感子系统

传感子系统基于光纤Bragg光栅传感技术。FBG传感技术 [8] 是利用光纤和光栅信息材料构成的传感器，具有成本低，抗干扰能力强的优点。传感子系统就是通过一定数量的Bragg光栅将待测的信息进行传感。具体如图3所示：

4.2. 专家及测距子系统

专家及测距系统主要由知识库、推理机、动态数据库以及测距计算系统组成，如图4所示。该系统可以根据采集到的光缆动态数据进行推理计算和判断，判断光缆所处状态等。

Figure 2. The mechanism diagram of cable fault monitoring

图2. 光缆故障监测机理示意图

Figure 3. FBG sensor subsystem

图3. FBG传感器子系统

Figure 4. The subsystem of expert and ranging

图4. 专家及测距子系统

4.3. 光缆故障告警监测系统

光缆故障告警监测系统实时监测光缆网络的运行状况，达到对光缆传输故障的预防、告警和定位，根据电力通信光缆的运行维护情况，光缆智能在线状态检修管理系统应具备光缆自动监测功能、光功率自动监测功能和光缆运行维护管理以及光缆资源管理功能，其基本结构如图5所示。主要完成以下任务：对测试曲线进行综合分析，利用电子地图实现光缆线路的准确定位，对监测到的故障实现声音、画面等告警提示，指导在线检修和应急处理工作。对监测数据进行统计、分析，发现光缆的衰减分布趋势，捕

Figure 5. The monitoring system diagram of cable fault alarm

图5. 光缆故障告警监测系统图

捉光缆缺陷、故障的征兆，做到提前检修。高效管理光缆资源，提高运行分析、设备分析、光缆在线检修、工程切改、光缆网优化调整等管理水平 [12] 。

1) 光缆自动测试功能：自动实现光缆点名测试、周期测试，将结果与光缆特性库中的标准数据进行对比分析处理。按缆、段、站、纤、波长、方向、时间分析数据自动入库，自动分析全程衰耗、分段衰耗、接头衰耗和长度衰耗；自动判决当超过设置门限值时，按缆、段、纤分级告警，逐级自动备份所有监控参数数据库和告警记录数据。

2) 光功率监测系统功能：通过实时在线监测光纤收光功率，根据可修改的报警门限值为依据，进行判断，当收光功率变化超常时，将以不同级别输出告警信息。并将触发光缆自动测试子系统工作，启动 OTDR进行故障点位置判断。

3) 光缆运行维护管理功能：光缆运行统计分析管理功能生成光缆故障、光纤故障、光纤资源管理、监测系统设备等报表；提供可闻、可视(图形和文本)告警指示，显示当前告警事件和历史告警事件，并可对告警、事件进行分类保存和管理，灵活查询和统计、分析，形成统计报表；能够对故障按线路、光缆、路由、电路等统计月报表；当受理障碍信息时，能发出障碍通知单，启动光缆检修流程。

4) 光缆资源管理功能：按照国网公司标准命名规范和通信系统管理系统统一格式建立各种统计报表模型，建立光缆各个光纤配线节点、光缆接头盒位置、光传输设备和业务相关通信方式记录，并进行编辑、创建、查询、显示、打印等。

5. 故障测距算法及测试技术研究

5.1. 故障点定位分段函数算法

本文将GPS导航技术与地标参考点方法 [13] 相结合，实现故障准确定位。

地标参考点的选取，必须能够准确反映光缆故障位置和地标之间的关系，光缆线路地标参考点数据表在建立时，首先根据上述规则选取线路地物参考点，将光缆施工时每盘光缆敷设路由范围内所有地标参考点制成一张表，然后扩展至整个光缆线路段，最后完成光缆线路地物参考点数据表的建立，如表1所示。

表中数据每盘光缆按Ａ、Ｂ端采集，每相邻接头之间缆长为 $L_m$ ，可选取 $nm$ 个参考点( $n\in N,m\in N$ )， $x_{nm}$ 为光缆上标识的米数， ${x^{\prime }}_{nm}$ 为对应的纤长，每个光缆接头盒内余留纤长为 $a$ ，线路段总纤长 $L$ 的计算公式为 [12] ：

$L={\displaystyle \underset{m}{\sum }{L}_m\left(1+k\right)+a\left(m-1\right)}$ (5)

Table 1. The data table of fiber optic cable reference point

表1. 光缆线路地物参考点数据表

若以后光缆线路因故障增加接头盒时，可按此法重新采集相邻光缆接头盒之间光缆线路数据，并加入线路上风险系数较高的地物参考点，建立新的光缆线路地物参考点数据表，同时标明光缆线路上预留光缆的位置。

结合地标数据表，把一部分具有明显标志或永久性、重要的地标作为参考点，将光缆路径分段，并建立分段函数。把光纤长度 $x$ 作为自变量，把光缆路径上的某一位置 $y$ 作为因变量，建立函数关系： $y=f\left(x\right)$ 。为使运算简化，预留光缆看作一个点。由于光缆在整个线路上并非平直光滑，因此 $y$ 和 $x$ 之间只能用分段函数表示 [12] ：

$y=\{\begin{array}{l}{y}_0\left(0\le x<x_0\right)\\ y_0+f_1\left(x\right)\left(x_0\le x<x_1\right)\\ y_1\left(x_1\le x<x_2\right)\\ y_1+f_3\left(x\right)\left(x_2\le x<x_3\right)\\ ⋮\\ y_{m-2}+f_m\left(x\right)\left(x_{m-2}\le x<x_{m-1}\right)\\ y_{m-1}\left(x\right)\left(x_{m-1}\le x<x_m\right)\end{array}$

5.2. 测试技术研究

结合云南省某供电局进行测试分析。首先进行检测点优化布置，经过优化设计，共设置6个监测点对主干线进行检测。检测点优化布置图如图6所示。

这些监测点的信息最后均汇集到网管中心进行分析处理。而且考虑了网络的可扩展性及今后系统接入的友好性。

结合输电线路情况，光缆线路1 km，并根据不同地理环境下铺设的电缆状况设定告警阈值，即，当超过这个阈值立即发生告警。为便于推广，本文在研究过程中假设设定告警阈值为单位1。经过研究，得到的仿真波形如下图7所示：

从图7光纤光缆故障点分析仿真图可见，光缆线路1 km，当设定告警阈值为单位量1时，在光缆至起始处约260 m处，发生告警，在光缆至起始处约680 m处，发生临界告警。

Figure 6. The layout of test point optimization

图6. 检测点优化布置图

Figure 7. The simulation of fiber optic cable fault point

图7. 光纤光缆故障点仿真图

通过本文研究的光缆故障告警监测系统可以得到准确的告警数据，然后根据对数据的处理得到相关信息，最后结合故障测距算法可以得到光缆准确位置的故障。

6. 结论

本文首先构建了光纤网络智能化监测系统架构，由管理层、监视层、测试层构成，可以实现对主干光缆网络运行状态的实时监测。接着研究了光纤网OTDR检测技术，并建立了包含传感子系统，数据采集处理子系统，专家及测距子系统的光缆故障告警监测系统，结合定位技术，实现光缆故障的精确定位。并采用故障点定位分段函数算法等技术，对光缆故障或异常信息进行分析，提高了运行效率，建设现代化、信息化、智能化电网做出贡献。

本文研究对光缆线路的监测及其安全运行有一定的指导意义。