电力通信光纤远程切换及自动轮询监测系统设计.pdf

信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期电力通信光纤远程切换及自动轮询监测系统设计杨浩然,秦泽云,严龙胜,施泽瑶,字成愉(云南电网有限责任公司临沧供电局 云南 临沧 677000)【摘摘要要】电力通信以变电站为通信信号传输节点,在变电站完成物理层光纤的跳接,满足变电站设备的通信需求,变电站分布在各个地区,远程光纤切换及监测耗时耗力,为了实现电力通信光纤远程切换及自动轮询监测,采用光开关技术设计了一套远程切换及自动轮询监测系统。通过光开关的逻辑组合设计实现 32 进纤与 32 出纤之间的光路切换;再通过光开关实现 32 芯光纤自动轮询监测。介绍了系统结构设计、功能设计,并给出了几种应用实例。【关关键键词词】光光纤纤远远程程跳跳纤纤;光光开开关关;监监测测技技术术;电电力力通通信信;自自动动轮轮询询【中中图图分分类类号号】TN914 【文文献献标标识识码码】A 【文文章章编编号号】1009-5624(2023)07-0151-040 引言随着电力智能化的发展,变电站内的设备智能化程度越来越高。而光纤跳纤工作仍然依靠人工跳纤。变电站一般分散在各个地市、县,当光纤网络结构需要调整或出现故障需要紧急跳纤进行临时组网时,需要派人员前往变电站进行人工跳纤,故障排除后,又需要再次前往重新移除临时跳纤。这种人工跳纤方式需要顺应时代向智能化方式转变。其次,业务光纤在目前已经实现远程监测,但空余纤芯未接业务时,还不能实现远程在线监测,造成通信人员对空余纤芯运行情况不清楚,在主用纤芯故障时,存在备用纤芯也不可用的安全隐患。本文研究的光纤远程跳纤功能以及备用纤芯在线监测功能,在发生故障需要临时跳纤形成临时光纤网络结构时,可以快速实现光纤自由跳接,故障排除后又可快速恢复原有光纤网络结构;在需要进行光纤网络结构调整时,可以高效、快速地进行光纤跳接,形成新的光纤网络结构。监测功能单元不仅可以实时监测各纤芯连接状态,还能实时监测接入设备各纤芯运行状态,当发生光纤异常信号、断线等状态变化时进行告警。这是光纤资源配置及光纤网络结构人工管理方式向智能化管理方式的转变,是工作方式的转变、技术的突破,也是电力通信管理工作的进步。1 系统结构设计装置主要由主控电路模块、光开关切换控制电路模块、光时域 反射模块(optical time-domain reflectometer,OTDR)、电源管理模块等部分组成,采用现场总线技术将各部分连接,形成一个完整的控制系统,可以根据控制主机输入指令,实现光路自由切换、光纤状态监测等功能,并在主机做状态展示,系统结构如图 1 所示。1.1 主控模块设计设备采用的 32 路机械式光开关具有掉电锁存功能,在电源突然发生故障时,光路仍然保持不变,对通信状态没有影响。32 路机械式光开关通常需要 9 路 IO 接口控制信号,为了最大限度地简化电路,采用 FPGA 设计控制模块。1.2 光开关切换控制电路模块设计光纤远程切换采用的是光开关阵列模型1。本系统采用 64 组 132 路光开关通过阵列模型实现 32 芯进出光纤自由切换。32 进纤端一共 32 个 132 光开关,32 出纤端一共 32 个 132 光开关。32 进纤端第一个进口是一个 132 光开关,单端口进,32 端口出,这 32 端口分别连接到出纤端各光开关中的 1 个接口,实现 1 进纤到 32 出纤端的跳接。以此类推,进纤端第 2 个端口、第 3 个端口至 32 端口均为 132 光开关,每个端口 32 出口连接到出纤端的各个 32 路光开关其中的一路上,最终实现 32 进纤端到 32 出纤端的光纤跳接。各光开关逻辑连接如图 2所示。1.3 OTDR 状态监测模块设计自动轮询监测采用的是基于 OTDR 及光开关切换技术原理的实现方式2。通过主控电脑与 OTDR 的 RJ45 口连接、与 132 路光开关串口连接,主控电脑部署控制程序,可实现手动或自动测量。测量过程:(1)主控驱动 132 路光开关切换到需监测纤芯,返回执行命令信息;(2)主控驱动 OTDR 激光器发射 1 3101 550 nm 波长激光,同时 OTDR 主控接收返回光信号,经解析后推送至主控电脑;(3)主控电脑存储、分析及展示被测纤芯监测信息;(4)执行自动测量将重复以上步骤。1.4 电源管理模块设计考虑到装置长期可靠的运行,因此设计一种支持双路供电且互为备份的电源分配单元,包括供电端子,供电端子的第一路供电端分别与监控模块一的主路进线端和监控模块二的备份进线端连接,供电端子的第二路供电端分别与监控模块一的备份进线端和监控模块二的主路进线端连接,监控模块一的出线端子与插座模块一的进线端子连接,监控模块二的出线端子与插座模块二的进线端子连接。光路自动切换阵列及轮询监测系统设计了双路供电且互为备份的电源分配单元结构,使用一套电源分配单元,引入两路电源分别为系统供电,当其中任何一路发生故障时,另外一路都能作为备份电源无缝切换,保证系统正常工作3。2 系统电路设计设备采用的 32 路具有掉电锁存功能的光开关4,在电源突然发生故障时,光路仍然保持不变,对通信状态没151信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期图 1 系统结构图有影响。32 路光开关通常需要 9 路 IO 接口控制信号,为了最大程度的简化电路,采用 FPGA 设计控制模块5。设计中采用的是 EP4CE10E22C8 作为控制模块的主控芯片,它有 91 个通用 IO 接口,使用其中 2 个作为串口,其他最多可以控制 9 个光开关,为了保证电路板硬件的一致性,互换性,设计每个控制模块控制 8 个光开关,共使用了 72 个 IO,扩展了 2 个串口,一共使用了 76 个 IO 口,见图 3。设计中使用 C8051F060 作为 OTDR 模块的控制芯片,实现 OTDR 模块的参数设置、数据采样频率等功能,见图 4。同时,考虑到系统的稳定性增加了电源模块的电压实时监测,在电压有波动时记录异常数据并反馈给主控制器,见图 5。3 应用协议设计针对主控制器接收的光纤路由指令设置,需要将指令按一定的算法分解到相关的光开关控制模块,由光开关控制模块执行,这个过程中需要设置一定的规则和执行路径。主控制器接收到光纤路由修改指令,将指令分解到每个光开关的状态上,对每个光开关的状态进行编码,如有改变,则将该光开关相应控制模块的指令进行编辑,并按modbus 协议封装用 16 号指令代码下发。设计中,每个控制模块可以控制 8 路光开关,约定以某 4 个连续寄存器为控制寄存器,每个控制寄存器可以控制 2 个光开关,控制模块根据该 4 个寄存器的值,控制相应的 8 个光开关切换到相应的位置。控制模块收到 16 号协议指令,确定是发给自身的,根据控制寄存器的新值,对每个光开关进行重新设置,完成后发送返回指令给主控制器,完成整个操作过程。OTDR 控制器收到针对其的指令后,对 OTDR 模块进行初始化操作,并开始检测光纤状态,收到返回数据后,用16 号命令将数据连续发送给主控制器相应的寄存器,完成整个操作过程。4 系统功能设计光纤芯远程监测系统能完成光路巡检、找出故障位置,并能对光芯远距离进行跳接,给运行人员的维护和维修带来极大便利。主要功能有以下几个方面:(1)光纤远程跳纤监测技术。利用电力通信光纤远程切换及自动轮询监测系统,使电缆布线的智能化切换系251信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期图 2 光开关逻辑连接图图 3 EP4CE10E22C8 芯片图 4 C8051F060 芯片统在远端运行,实现了在装置中任意两芯光纤的跳接。在出现光纤失效时,根据失效情况,自动地选择最优的路线,并与光缆连接,使其能快速地恢复正常运行。(2)光纤轮询监测与自动数据收集。在过去传统的方法中,都是采用手工带着收集仪器定期前往实地进行收集,在一个区域进行收集需要 35 天的时间,而在偏远的区域,收集的时间可能会超过一星期,而且还会存在一些不安全的问题6。光纤远程跳纤监测可以使目前的工作模式发生变化,可以使光纤衰减和光路路由信息的收集自动进行,从而使测量的准确性和实时性得到了极大提升。光巡的作用是人工设定时段,对链路进行周期性巡查,检查各链路的损失情况,从而及早地找到潜在的危险。(3)故障定位功能。OTDR 能实现对故障点的精准、迅速地应急处理4。5 光纤远程跳纤监测技术系统应用实例公司安装光纤远程跳纤监测技术系统后在变电站实现应用,协助完成公司光缆通道应急抢修的任务,可以保证在短时间内将故障光缆割接到迂回光缆。以下选取了两个应用实例,来说明系统的实际应用效果。(1)实例一。值班人员发现 A 站点发生站点丢失故障,光缆拓扑如下:A 站点通过 A 站点B 站点 24 芯全介质自承式光缆的 1、2 芯跳接至 B 站点C 站点的 1、2 芯连接至 C 站点设备。故障发生后,值班人员通过光纤远程跳纤监测技术系统发现 B 站点C 站点的第二芯存在断点。再测试 B 站点C 站点的第 3、4 芯,测试结果正常。将原先连接的芯数断开把业务跳接到第 3、4 芯,同时也将 B 站点侧 C 站点至 A 站点的业务跳纤至 C 站点至 B站点光缆的第 3、4 芯,完成后业务恢复。(2)实例二。值班人员发现 A 站点至 C 站点误码率偏高。原有光缆路由为 A 站点(3 芯)B 站点(3 芯)C站点。经光纤远程跳纤监测技术系统测试 B 站点(3 芯)351信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期图 5 电压采样监测电路-C 站点光衰耗接近临界值。首先通过光纤远程跳纤监测技术系统建立迂回路由,在 D 站点将 B 站点D 站点第7、8 芯与 D 站点C 站点第 3、4 芯对接,经测试光衰耗符合通道要求。通过 B 站点和 C 站点的系统进行远程跳接 完成迂回路由的接入,迂回路由倒换完成后,查看网管,A站点C 站点误码消失。表 1 为光纤远程跳纤监测技术的应用效果。表 1 光纤远程跳纤监测技术的应用效果优点具体效果缩短光缆跳纤时间,提高维护效率原先光缆跳纤需要到现场进行人工操作,至少需要几小时,但使用光纤芯远程交换系统后在 20 min 内就可以完成跳纤工作,缩短了运维时间,提高了工作效率缩短光缆故障处理时间光纤远程跳纤监测技术系统监测到光缆发生故障时,会快速将情况反馈至网管系统,网管系统发出告警信息提醒值班人员故障点所在位置。同时运维人员可选择手动操作或让系统自动启用预设的切换方案,在最短时间内恢复业务的运行,从而大大缩短了故障处理时间提升光缆资源管理能力光纤远程跳纤监测技术系统实时监测各类光缆性能,为开展光缆寿命预警、故障预警等研究奠定基础,为运维人员开展光缆资源管理和分析提供了技术保障6 结论光纤远程跳纤监测技术系统是将自动控制、光通信、智能路径搜索、自动巡检等技术相结合,为通信网络的运营提供了一种完整的自动化技术。项目研究成果可有效地解决长距离光纤芯线自动转换的难题,提升链路转换的速度及光信道检测的自动化程度,减少光纤网运行成本,使传统的维护方法由人工转向智能的维护方法,有效地改善现有的维护方法存在的费时费力等问题。将使光纤通信网络由传统的手工维修方式向光纤远程跳纤运营与维修方式发生重大变化,提升了光纤通信网络的运营与维修工作的工作效能,为保障电力网的稳定运行奠定坚实的基础。【参考文献】1 王章涛,余金中.NN 集成光开关阵列模型 J.光子学报,2003,32(7):773-776.2 张振军,李敏.多路 EPON 光纤在线并行监测系统 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