（电力系统及其自动化专业论文）光缆在线监测系统规划设计(1).pdf

中国电力科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki si m p o r t a n tt ot h e n o r m a lr , r o d u e t i o o f e l e e l r i ep o w e rs y s t e m f o rs o m cr e a n s ，o p t i c a lf i b e r , w h i e l ai s t h em a i np h y s i c a lm e d i at h a tc , a l t i e sl a r g ea m o u n to fi m p o r t a n ti n f o r m a t i o no fp o w e r s y s t e m , m a yb ei n t e r r u p t e di n e v i t a b l y b a s e do i lm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n to f t h e l a r g ea m o u n to f f i b e rl e s o 嘲，t h ee l e c t r i cf i b e rm o n i t o r i n gs y s t e mw i l lm o n i t o rt h e l ：) e r f o n n a l l c l eo fe l e c t r i cf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki no 】 d e ft od e l e 吐t h ef a u l to f f i b e ri nl i m e ，r e p o r tt h ef a u l tl o c a t i o na r i dt y p ei n f o r m a t i o nt oo p c l f l t t 0 1 瞎h o wt o d e s i g na n dc o n s l l l l c tt h ee l e c t r i cf i b e rm o n i t o r i n gs y s t e mt oa v o i dt h eb l i n d l y i n v e s l m e n ta n da c h i e v el a r g e s tb e n e f i t , i sac r u c i a lp r o b l e mt oe l e c t r i cp o w e r 簋血= r i 耥 f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ei m p o r t a n c eo fe l e c t r i cf i b e rm o n i t o r i n g s y s t e m s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo ft h eo t d rc a r d w h i c hi st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t o ft h es y s t e m , i sa m l y z e c ts o m ek i n d so fm o n i t o r i n gt e e l m o l o g ya n da p p l i e a l i o n e n v i r o n m e n ta m l r o d u e e d o nt h eb a s i so fa b o v ea 1 1 t h i sp a p e rs t u d i e ss d m e p r o b l e m si nd e s i g n a t i o na n de o d s 1 l l c l j o no f e l e c t r i cf i b e rm o n i t o r i n gs y s t e m e l e e l r i ef i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc a nb ed e s i g n e de o , l f o m i n gt oa l a i e r a r e h i e a ll a y o u tt h a ti n c l u d e si n t e r p r o v i n e i a lb a c k b o n e , r e g i o m ln e t w o r k , e o t m t y n e t w o r ka n dt o w nn e t w o r k t h e r ea l ed i s t i n c ta p p l i e a t i o n 捌lr e q u i r e m e n t s0 1 1n e t w o r k t o p o l o g yo fd i f f e r e n tl e v e l s s os o i i i i eb a s a lp r i n c i p l ea 地r e c o m m e n d e df o rb u i l a i g e l e c l r i ef i b e rc o m m t m i e a t i o nn e t w o r k , f o re x a m p l e ，t m i t i e d l a y o u t s t a g e i m p l e m e n t a t i o n , k i e r a r e h i e a lm a n a g e m e n t , a n ds o0 1 3 t h ep r i n c i p l e sa n de x p e r i e n c e s o fm o n i t o r i n gs t a t i o nl o e a t i n g t e s t i n gt o l l t ed e s i g n , m o n i t o ra n dt e s t i n gd e s i g na n d o t d rc h o o s i n ga r cs u m m a r i z e di nt h i sp a s of i n a l l y , 缸e l e e l r i ef i b e rm o n i t o r i n g s y s t e mi sa p p l i e di nt a ia ne l e c t r i cc o m p a n ya c c o r d i n gt ot h er e s e a r e ho f t h i sp a p e r t h ec o n c l u s i o ni sv e r yv a l u a b l et ot h ep l a na n dc o n s t r u c t i o no fe l e c t r i cf i b e r m o n i t o r s y s t e m k e yw o r d s ：f i b e rm o n i t o r , d e s i g na n dc o n s m i e t t r a n s m i s s i o np i 刑碗m 船c e 中置电力科学研究院硕士学位论文 j 绪论 1 绪论 1 1 实现电力系统光缆在线监测的紧迫性 随着光纤通信技术的不断发展，光纤通信在电力系统通信中的地位越来越重 要，电力系统通信调度部门铺设了大量的光缆用来传输电力系统业务。随之而来 的是，如何管理与维护光缆线路确保电力系统的稳定、安全运行成为电力系统通 信调度部门所面临的一个重要问题。 目前电力系统通信调度部门仍然在采用传统手工的被动线路维护方式维护 光缆。在被动光缆线路维护方式中，通信调度部门的工作人员采用手持a r r d r 仪 器人工对线路进行测试，这种传统的光缆维护方式存在很多不足： 首先，这是一种被动测试方式，无法主动、实时监测在线使用的光纤线路传 输质量，只有当通信中断时才可能发现故障，再通过手工测试的方式进行测试与 故障判别，此时通信的中断已经对电力系统的运行造成了影响。因此，实施主动 监测，及时发现潜在的故障隐患，对存在隐患的线路进行主动测试，找到隐患的 位置，判别隐患类型，对隐患进行处理，则可以避免隐患演变成故障，这一点对 提高电力系统运行的安全性、稳定性、可靠性具有重大意义。 其次，传统的故障判别是由光传输系统的光设备告警来提供，但故障可能是 光设备故障，也可能是各种连接设备接触不良，更可能是分布于户外的光缆损坏。 发生故障的原因众多，仅依据光传输系统告警及运行人员的经验通常无法准确判 断故障原因，这将直接影响我们对于故障判别的准确性、科学性、及时性，给我 们的维护工作带来很大困难。如果传输系统网管能够与光缆在线监测系统结合， 则可对光传输系统故障准确判别。 此外，随着电力系统光传输网络的不断发展，光传输网资源的数量和种类不 断增加，普遍存在于电力系统通信调度部门中的一个问题就是如何对电力通信光 传输网资源实旋科学、有效、自动化管理，做到对资源的数量、配置及使用状况 了如指掌，从而优化光传输网资源的配置、合理地调度与分配资源。目前，电力 通信调度部门基本上依靠手工记录去管理光传输网资料，这种管理模式已经无法 满足我们对于光传输网资源自动化的管理要求。 因此，研发一套系统，能够对大量光传输系统资源进行管理；能够实时监测 1 中国电力科学研究院硕士学位论文1 绪论 光传输系统传输性能，及时发现光传输系统故障隐患，避免隐患演变成故障；当 故障发生时，能够快速定位，准确判别光传输系统故障类型并及时将故障信息通 知运行维护人员势在必行。 1 2 实现电力系统光缆在线监测的技术思路 光纤通信技术的不断发展，电力系统光传输网络的规模越来越大，给电力系 统通信调度部门提出了一个新的课题：如何对庞大的光传输网实旖有效的管理， 当电力光缆线路发生故障时，能够迅速判断故障类型与故障点的位置，缩短故障 恢复时间，从而提高网络的稳定性、可靠性和运行率。目前存在的主要问题是： ( 1 ) 光缆线路传输质量无法实时监测； ( 2 ) 对于线路的测试工作主要依靠维护人员手工测试，而这种传统的手工 电力光缆线路方式无法及时响应光缆故障，导致无法及时对故障线路进行抢修； ( 3 ) 传统的传输网管提供光设备的告警信息，但是对于线路的故障无法提 供准确的信息，依靠人工测试判别，其判断结果的准确性依赖于维护人员的工作 经验，如果误判错判则会影响线路的及时抢修； ( 4 ) 对于电力光传输网资源缺乏有效的管理手段，基本上还依靠手工管理 的方式。 针对电力系统通信调度部门所面临的上述问题，需要构建一套电力光缆在线 监测系统，通过该系统提高电力系统通信调度部门对电力光传输网络管理及测试 的自动化水平，提高线路故障判别的及时性、准确性和科学性。 为了解决电力系统中所面临的上述问题，我们决定采用基于s n 肝体系结构， 利用o t d r ( 光时域反射) 测试技术、w d m ( 波分复用) 技术、光功率分段采集技 术、6 i s ( 地理信息系统) 技术、监测站远程控制技术及光开关多级级联等技术 构建基于s n m p 的电力光缆在线监测系统。该系统能够对光缆线路的传输质量进 行实时监测，并将光缆线路故障与自动化测试联动；该系统通过与地理信息系统 相结合，将线路测试的故障信息与以其他的线缆管理维护、参考点信息结合，可 以使线路的维护测试工作更加方便、直观；该系统通过对监测的线路光功率进行 分析，对光缆线路传输进行劣化分析，可以作到线路故障预警；该系统提供丰富 的光传输网资源管理工具，使得用户能够对电力光传输网资源实施科学有效的管 中国电力科学研究院硕士学位论文1 绪论 理。 1 3 实现电力系统光缆在线监测的意义 电力光缆在线监测系统采用先进的s n m p 体系结构构建，系统结合地理信息 系统技术，能够对电力光缆的故障实施准确定位，操作简单、方便直观；同时， 该系统能够对电力光缆实施全程、实时传输质量监测，能够对各种复杂拓扑结构 的电力系统光传输网络进行主动测试；系统集成了电力光传输网资源管理功能， 可以极大提高电力系统通信调度部门对于光传输网资源管理的自动化水平。 该系统在电力系统中的推广应用不仅能够带来良好的直接经济效益，同时由 于该系统的应用提高了电力光缆线路维护质量和线路故障恢复效率，加强了电力 光传输网资源的科学管理与优化配置，节省了大量的人力和物力，因此还可为电 力系统带来巨大的间接经济效益。 如上所述，在电力系统光纤通信网中使用电力光缆在线监测系统，可以真正 有效地保护电力系统光纤通信系统，使之成为一个无阻断的、高可靠性的、安全 的、具有抗灾害能力的光通信网。 1 4 本论文的主要工作 本人在研究生论文期间，有幸参加了泰安供电公司的光缆在线监测系统的开 发与实施工作，主要工作包括：系统总体方案设计规划原则的研究。论文具有以 下创新点； 开发的光缆在线监测系统改变了电力通信调度部门对于光缆线路的测试维 护方式，变被动测试为主动测试。系统将实时监测的光功率与测试联动，当光缆 线路传输性能下降时，系统自动启动测试。 实现了基于地理信息系统的精确故障定位功能。故障点信息与具有地理信息 的管理参考点相结合，具有符合运行维护人员工作习惯，更加直观简单的特点 通过系统的实施，重点研究了电力光缆在线监测系统规划与建设中的若干问 题，并对这些问题进行了讨论分析，总结了监测站选址、测试路由规划、监测方 式规划、o t d r 选型原则与经验，研究结果对于电力系统通信调度部门对光缆在 线监测系统的规划与建设有一定的参考价值。 中田电力科学研究院硕士学位论文i 绪论 论文由六章组成。 第一章，介绍了目前国内电力系统光缆监测和维护的现状，以及实施光缆在 线监测系统的必要性。 第二章，详细说明了o t d r 卡的测试原理，并根据实践经验详细的分析了发 生不同光缆故障事件时，o t d r 卡测试曲线的不同状态。 第三章中，对可以采用的不同光缆线路监测方法及原理进行了详尽的介绍。 第四章，根据不同用户的需求及现状结合实际工程经验，分析并总结了我国 电力系统通讯调度部门在进行光缆在线监测系统规划及设计时应遵从的原则及 方法。 第五章，结合泰安供电公司光缆在线监测系统的成功实施，验证了设计原则 及方法的正确性，并对该系统的体系结构与功能设计进行了说明。 最后一章对论文工作进行了总结，提出了今后需要进一步开发研究的工作。 中国电力科学研究院硕士学位论文 2o t d r 卡的嗣试原理与线路故障特征分析 2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 2 1o t d r 卡测试的物理基础 o t d r 卡之所以能够测出光纤的各种特性，是利用了光信号在光纤中传输的 两个物理现象，瑞利后向散射和菲涅尔反射。下面分别介绍这两个物理现象的原 理。 2 1 1 瑞利后向散射 光纤是由二氧化硅分子构成的，由于构成光纤的二氧化硅材料密度的微观变 化，以及所含的s i 晚、g e q 和p 舡等成分的浓度不均匀。使得光纤魄现一些折 射率分布不均匀的区域( 这些局部区域的几何尺寸，可以与光波长相比拟) ，从 而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤巨 虱引起损耗，这种散射被称为 瑞利( r a y l e i g h ) 散射。瑞利散射的散射光的方向是面向四面八方的，其中总有 一部分光因为入射角度不同的原因，会沿光纤轴反向传输到输入端，这部分光被 称为瑞利后向散射光。虽然瑞利散射造成了入射光光功率的损耗，对光信号的传 输不利，但是我们可以利用瑞利后向散射光来对光纤的性能进行测量，所以在制 造光纤时，还要有意添加一些使瑞利散射增加的材料。瑞利后向散射光能够用来 测量光纤的性能是因为瑞利散射光的波长与入射光的波长相同，光功率与散射点 的入射光的光功率成正比。而散射点的入射光功率和光纤的衰减有直接关系，因 此，瑞利散射光的强弱就反映了入射光传输到光纤上各点时，在光纤上各点剩余 的光功率的大小。也就反映了入射光传输到光纤上各点时已产生的损耗，反映了 光纤的损耗特性。如果传输通道完全中断，则从此点以后的背向散射光的功率也 降低到零，因此根据反向传输回来的散射光的情况，又可以判断出光纤的断点位 置和光纤的长度。 o t d r 发射窄的激光脉冲到被测光纤中后，在接收端o t d r 卡的光接收器获得 瑞利后向散射光功率如下式所示： 匕= 只幸j 幸口，宰k 宰( 兰) 木矿幸p 筋位1 ) z 玎 中国电力科学研究院硕士学位论文 2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 其中，p 0 ：注入光纤光脉冲峰值功率 s ：光纤后向散射系数 os ：光纤散射损耗 k ：光纤近端到检测器光路耦合系数 c ：真空中光速 n ：光纤群折射率 霄：发射光脉冲满幅半宽 1 3 ：光纤衰减系数 l ：对应光纤长度 f ：菲涅尔反射系数 从式( 2 1 ) 可以看出，瑞利后向散射光功率与光纤衰减系数b 和对应的光 纤长度l 成负指数关系；同注入光纤光脉冲峰值功率p o 、光纤后向散射系数s 、 光纤散射损耗os 、光纤近端到检测器光路耦合系数k 、发射光脉冲满幅半宽百 成正比；同光纤群折射率n 成反比。 2 1 2 菲涅尔散射 在光缆在线监测系统的测试原理中，还利用了另一个有用的物理现象，就是 菲涅尔反射。光在均匀媒质里沿直线传播，但是在两种不同媒质的分界面处会发 生反射和折射现象，服从菲涅尔定律。菲涅尔反射一般发生在连接点和故障点 入射光垂直于分界面时，由菲涅尔定律可知，反射光功率： 厂、2 p 反2 【l 嚣j p 入 c z 工， 其中，n ，n 2 分别为两种介质的折射率，p 一为入射光功率。取光纤折射率 n 2 = i 5 ，空气折射率n ，= 1 可得： p 反= 4 厶 ( 2 j ) 0 t d r 卡发出窄的光脉冲对被测光纤进行测试时，遇到连接点或故障点，会 中禹电力科学研究院硕士学位论文 2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 产生菲涅尔反射，菲涅尔反射光也在接收端被o t d r 卡的光接收器接收，反映在 后向散射曲线图上就是一个凸起的峰，这是因为在一般情况下，瑞利后向散射光 功率比菲涅尔反射光功率约低3 0 d b 左右。 2 2o t d r 卡的工作原理 0 t d r 的基本结构框图如图2 1 所示，脉冲发生器产生的脉冲电流信号调制 到激光器，调制激光器产生激光脉冲信号。激光器产生的激光脉冲信号通过光定 向耦合器激励被测光纤。激光脉冲在光纤中传播所产生的瑞利后向散射光和菲涅 尔反射光反向传播到被测光纤的输入端，由定向耦合器耦合进接收器中的光电检 测器，在光电检测器中变换成电信号后，经过放大和处理，从而获得光纤线路上 的各种有用信息。 圈乞1o t o r 的基本结构框图 o t d r 测试光纤的性能是通过发射光脉冲到光纤内，然后在o t d r 端口接收返 回的信息来进行的。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、 结合点、弯曲或其它类似的事件而产生散射光和反射光。其中一部分的散射光和 反射就会返回到0 t d r 中。返回的有用信息由c r r d r 的光接收器来测量，它们就作 为光纤内不同位置上的曲线片断。 知道从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在光纤中的速度，就可以 用下面的公式计算出距离： 中国电力科学研究院硕士学位论文2o t d r 卡的溯试原理与线路故障特征分析 d = ( c f ) 2 ( i o r ) ( 2 4 ) 在这个公式里，c 是光在真空中的速度，而t 是从信号发射后到接收到信号 ( 双程) 的总时间，i o r ( i n d e xo fr e f r a c t i o no ft h ef i b e r ) 是被测光纤的 折射率。由光纤传输理论可知c ( i o r ) 表明了光在被测光纤中传输的速度，再乘 以从信号发射后到接收到信号( 双程) 的总时间，就表明了测试光脉冲这段时间 内在光纤中传输的距离，因为t 是双程的传输时间，所以实际的距离因该是这个 距离的一半。为了精确测量距离，必须指明被测光纤的折射率i o r ，i o r 是由光 纤生产商来标明的。 叽d r 卡使用瑞利后向散射光和菲涅尔反射光来表征光纤的特征。瑞利后向 散射是由于光信号沿着光纤产生无规律的散射而形成的。o t d r 测量回到o t d r 端 口的瑞利后向散射光就可以了解由光纤而导致的衰减( 损耗距离) 程度。由式 ( 2 1 ) 可知，测试到的瑞利后向散射光的光功率形成的轨迹是一条向下的曲线， 它说明了瑞利背向散射光的功率在不断减小，这是因为经过一段距离的传输后入 射光信号的功率和瑞利后向散射光信号的功率都有所损耗的缘故。 图2 2 是一个o t d r 卡曲线的测试图例： 霉端蛙援睾辩 i1 1 ：垭罐斋酝蔓 叫 一5 渡瓢 k f牙照属甜 、- # 4 、 j i 鞋t 蕊；叫。 谶断襞厦材 j 芝 yk 三垫岫。， 啭： - _ u 1 “j、。一 女朔静毓啦q封线囊 。r 州1 旷州 f 謇 ；：番于f 宽鲜磺察翻 田幺2o i d r 卡光纤背i 句散射瞳线舅试图侧 在监测中心为每一条光缆线路保存有特定的背向散射曲线以及测量这条背 向散射曲线的参数，这条背向散射曲线称为这条光缆线路的参考曲线。在实际测 量中，选择此参考曲线的测试参数进行测试后，将实际测试曲线与此参考曲线比 较，可以更好的分析出被测光纤当前的性能品质。系统可以保存多条有不同测试 中国电力科学研究i 完硕士学位论文 2o t d r 卡的铡试原理与线路故障特征分析 参数的参考曲线，以满足不同性能分析的需求。图2 3 显示了将参考曲线与测试 曲线进行对比分析的结果。 謇搿舶i 良 ， 、瓷 瓷 蚁； 一 睾d ，嘱 是 ；0 h 、 | 似代 、专叫 一 鹰鳋盎茸盘- 雄 圈乞3 参考曲线与嚣试曲线的对比分析 2 3 典型测试曲线事件特征 o t m r 卡功能完备，在传统线路维护方式中，o t d r 卡主要作为测距工具， 很多功能不能充分利用。在光缆在线监测系统中，充分挖掘利用o 墩卡的功 能。对o t d r 卡测得的曲线进行综合分析，可以科学准确地根据测试曲线判断 各个光缆线路物理事件点，从而对光缆线路实施有效的维护 o t d r 是光缆工程施工和光缆线路维护工作中最重要的测试仪器，它能将长 1 0 0 多公里光纤的完好情况和故障状态，以一定斜率直线( 曲线) 的形式清晰的 显示在几英寸的液晶屏上。根据事件表的数据，能迅速的查找确定故障点的位置 和判断障碍的性质及类别，对分析光纤的主要特性参数能提供准确的数据。 0 佃r 主要是根据光学原理以及瑞利散射和菲涅尔反射理论制成的。仪表的激光 源发出一定强度和波长的光束至被测光纤，由于光纤本身的缺陷，制作工艺和石 英玻璃材料组分的不均匀性，使光在光纤中传输将产生瑞利散射；由于机械连接 和断裂等原因将造成光在光纤中产生菲涅尔反射，由光纤沿线各点反射回的微弱 的光信号经光定向耦合器到仪器的接收端，通过光电转换器，低噪声放大器，数 字图象信号处理等过程，实现图表、曲线扫迹在屏幕上显现。目前o t d r 型号 种类繁多，操作方式也各不相同，但其工作原理是一致的。在光纤线路的测试中， 应尽量保持使用同一块仪表进行某条线路的测试，各次测试时主要参数值的设置 也应保持一致，这样可以减少测试误差，便于和上次的测试结果比较。即使使用 不同型号的仪表进行测试，只要其动态范围能达到要求，折射率、波长、脉宽、 距离、均化时间等参数的设置亦和上一次的相同，这样测试数据一般不会有大的 差别。 中国电力科学研究院碗士学位论文 2o t d r 卡的测试原理与线路放障特征分析 测试方式：利用o t d r 进行光纤线路的测试，一般有三种方式，自动方式， 手动方式，实时方式。当需要概览整条线路的状况时，采用自动方式，它只需要 设置折射率、波长最基本的参数，其它由仪表在测试中自动设定，按下自动测试 ( 测试) 键，整条曲线和事件表都会被显示，测试时间短，速度快，操作简单， 宣在查找故障的段落和部位时使用。手动方式需要对几个主要的参数全部进行设 置，主要用于对测试曲线上的事件进行详细分析，一般通过交换、移动游标，放 大曲线的某一段落等功能对事件进行准确定位，提高测试的分辨率，增加测试的 精度，在光纤线路的实际测试中常被采用。实时方式是对曲线不断的扫描刷新， 由于曲线在不断的跳动和变化，所以较少使用。 o 田r 可测试的主要参数：( 1 ) 测纤长和事件点的位置。( 2 ) 测光纤的衰减和衰 减分布情况。( 3 ) 测光纤的接头损耗。“) 光纤全回损的测量。光纤距离的测量是以 激光进入光纤到它遇到故障点返回光时域反射仪的时间间隔来计量纤长的。为了 提高测量的精确度，应根据被测纤的长度设置合适的“距离范围”和“脉冲宽度”， 距离一般选被测纤长的1 5 倍，使曲线占满屏的2 3 为宜。脉冲宽度直接影响着 o t d r 的动态范围，随着被测光纤长度的增加，脉冲宽度也应逐渐加大，脉宽越 大，功率越大，可测的距离越长，但分辨率变低。脉宽越窄，分辨率越高，测量 也就越精确。一般根据所测纤长，选择一个适当大小的脉冲宽度，经常是试测两 次后，确定一个最佳值。光纤的衰减是客观的反映光纤制作质量的一个参数，是 光纤固有的损耗，它代表着光在光纤中传输光功率损耗的情况，相同长度的光纤 衰减越小，光可传输的距离就越远。因此在相同条件下，应选用平均每公里损耗 值小的光纤。衰减还包括光纤接头、连接器、光纤弯曲断裂等引起的损耗，在实 际维护中应尽量减少这些衰耗。衰减测试有两点法和五点法，前者适合于图线的 线性较好，噪声较小的情况，在测整条光纤或某两点间的衰减值时一般也采用此 方式。后者适用于光纤的一致性较差，噪声较大的情况，测接头损耗，连接器等 反射引起的损耗也常用此方法，因它基于数学上的求偏差的理论，所以其测量精 度较高，要求高的场合多被采用。在要求不太严格的情况下，也可直接从事件表 中读出各接点衰减值的大小。有的0 珏，r 还具有回损和全回损的测试功能，但 维护中很少使用。全回损测试的是反射光的能量和入射光的能量的比值的对数表 示，而回损测试的原理与全回损有所不同。全回损和回损的测试可以在自动或手 动模式下通过移动游标来实现。 0 t d r 采用的是大功率的脉冲式激光器，通过设置光脉冲的脉宽可以调整发 射光功率。一般的，设置超大的光脉宽，发出的光功率越大，测量的距离就越远。 与此同时，测量的精度也受光脉冲宽度的影响，脉宽越宽，采样的间隔越大，测 量的精度就越差。在本系统中，c r r d r 可以设置2 0 n s 、1 2 0 n s 、4 4 0 n s 、 lps 、2 l is 和1 0 us 六档脉冲宽度。o r d r 的测试距离达到1 4 0k m 以上，测试的衰减盲 中国电力科学研究院硕士学位论文2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 区视线路状况约为2 0 - - 1 0 0 m 。在测试距离为5 0 k i n 以内时，测试精度可达2 珥，测 试距离为5 0 一1 0 0 k i n 时，测试精度达到4 m ，对于1 0 0 k i n 以上的测试距离精度达 到8 m 。需要指出的是，针对具体的应用场合，需要平衡量程和精度之间的关系。 大量程的缺点是测量精度较差，而高精度所带来的不足则是测量距离过近。 光缆线路衰耗增大和中断的原因归纳起来有以下几点： 有弯曲和微弯曲。这里指的是外因造成的光缆变形和弯曲，例如受到外力挤 压，局部弯曲半径过小等，都会使光缆衰耗增大。 因光缆本身质量引起的衰耗增大。例如光缆温度特性不好，当温度交化时， 衰耗增大。或者制造光缆的材料因温度变化引起热胀冷缩不均匀而造成光缆或光 纤的微弯曲。另外，在光纤的制造过程中不可避免有杂质混入。随着时间的增长， 这些杂质的影响会增加，这也是光缆衰耗增加的原因之一。 光纤接头故障。光纤固定接头有粘接法、熔接法、精密套管和三棒法。目 前国内基本上都采用熔接法不管采用何种方法，由于在接头部位光纤的原涂 复层已经去掉，连接后虽经保护但该部位纤维自身的强度、可挠性都比原纤维 差，同时，该部位的可靠性要受到保护工艺和方法、保护材料、操作技巧以及 当时的环境污染、气候等诸多因素的影响。架空光缆还要受到日晒雨淋和风吹 摆动、车辆振动等的影响。这些都有可能使接头部位发生故障。接头部位的故 障多数为中断性，也有少数表现为衰耗大幅度增加，导致全程衰耗超出允许范 围，这种故障发生的前几天，可能出现通信不稳现象。 外因造成的故障；这种故障大多发生在光缆的中间非接头部位( 当然接头 附近也有可能) 例如架空光缆由于外界人为造成的损伤( 如砍树时打断光缆) 、 起大风倒杆或树木刮伤光缆；直埋光缆容易被养路工人挖伤，管道光缆则可能 由于管道损伤、入孔内认为造成损伤、管道内鼠害咬伤光缆等。 网太o t d r 卡的测试流程如图2 4 所示。 中国电力科学研究院硕士学位论文 2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 1 2 中嗣电力科学研究院顼士学位论文 2o t d r 卡的铡试原理与线路故障特征分析 2 3 1 典型测试曲线 圈z 5 典型铡试曲线 ( 1 ) 尖峰值为线路终点反射。 ( 2 ) 不同的光缆线路物理事件会产生不同形态的特征测试曲线，对特征测 试曲线进行分析，就可以判断故障的类型。 中国电力科学研究院硕士学位论文 2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 2 3 2 反射故障曲线 图z 6 反射故障澍试曲线 ( 1 ) 活动连接造成的反射在特征曲线上的表现。 ( 2 ) 活动连接器主要在变电站光纤配线使用，上述测试曲线的尖峰大部分 都在变电站。 中国电力科学研究院硕士学位论文 2 o t d r ，蝗翼蔓堡堡墨垡堕垫堕堂! ! 坌堑 2 3 3 非反射故障曲线 圈z 7 事反射故障鼍试曲线 ( 1 ) 光缆线路熔接点在测试曲线上的特征表现。 ( 2 ) 损耗值越低，熔接质量越好。 中霉电力科学研究院硕士学位论文2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 2 3 4 光缆段曲线 圈2 8 光缆段澍试曲线 ( 1 ) 光缆线路的特征曲线，描述测试信号在光缆线路上的分布情况。 ( 2 ) 两点的距离越长，曲线越平滑，说明光缆的性能越好，光缆衰减系数 就是两点问的斜率。 中雷电力科学研究院硕士学位论文 2 o i d r 卡的测试原理与缰冀垫堕鳖堡坌堑 2 3 5 正向故障曲线 ( 2 ) ( 3 ) 圈z 9 正自故障滔试曲线 测试曲线表明在光缆熔接点处有明显增益，这是两段光缆瑞利后 向散射系数不同的结果。 测试曲线有降低的迹象，不能表明就是正向故障。 测试曲线如有降低的迹象，可采用双向测试的方法来判定是否是 正向故障。 中国电力科学研究院硕士学位论文 2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 2 3 6 终点反射曲线 圈2 1 0 终点反射曲线 ( 1 ) 终点反射曲线表明光缆的终点在反射指标上的绝对的不连续，主要是 由于光缆的终点断面是玻璃空气所致。 ( 2 ) 终点反射曲线陡峭的下滑部分，表明相对正常的光缆，光缆终点的损 耗很大。 ( 3 ) 陡峭的下滑曲线后边，经常伴随着低水平的噪声峰值。 中国电力科学研究院硕士学位论文2o t d r 卡的铡试原理与线路故障特征分析 2 3 7 量程曲线 圈乞1 1 量程不足测试曲线 ( r ) 曲线表明测试的光缆长度小于被测试线路光缆的真实长度。 ( 2 ) 测试线路畏i 试距离设置不合理，测试光未能测到测试线路的末端。 ( 3 ) 调整测试线路测试距离的设置，让其大于线路真实长度。 1 9 中圈电力科学研究院硕士学位论文 2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 调整测试线路测试距离的设置，使其大于线路真实长度后，测得的曲线。 圈互1 2 量程调整测试曲线 中国电力科学研究院硕：l - e 位论文 2o t d r 卡的测试原理与线路故障特征分析 2 3 8 无终点反射曲线 圈2 1 3 无终点反射涌试曲线 ( 1 ) 无终点反射曲线表明被测光缆可能断缆或破碎，也有可能光缆的终点 有毛刺不平整，还有可能是光缆的终点是用凝胶连接或者连接的是f c p c 连接器。上述情况都有可能使光缆的菲涅尔散射值降到最低。 ( 2 ) 光缆的无终点反射曲线陡峭的下滑部分，表明相对正常的光缆，故障 点或终点的损耗很大。 ( 3 ) 陡峭的下滑曲线后边，经常伴随着低水平的噪声峰值。 中圉电力科学研究院硕士学位论文3 光缆在线监测系统的技术路线 3 光缆在线监测系统的技术路线 3 1 系统体系结构 3 1 1 系统总体体系结构 基于s n 咿的电力系统光缆在线监测系统由监测中心和监测站组成。通常配 置一个监测中心，监测站的数目根据电力光传输网的规模及监测要求而定。 监测中心一方面通过资源管理维护工作站对光传输网资源进行维护；另一方 面对监测站实施远程管理，通过通信链路向监测站发送控制指令，远程控制监测 站对指定的光缆线路进行测试； 监测站是一个独立的自动化测试单元，可以受监测中心的远程控制完成对线 路测试，也可以单独使用对线路进行测试。监测站负责电力系统光缆线路光功率 的实时监测，控制光开关完成光路的切换，测试完毕后，形成测试曲线文件，并 根据监测中心的要求将测试曲线文件发送到监测中心。系统的总体体系结构如图 3 1 所示： 圈3 1 基于跚咿的电力光缆在线篮嚣系统总体体系结构 3 1 2 监测中心体系结构 监测中心一般设置在电力通信调度部门中心机房，监测中心系统包括：电力 光缆在线监测系统监测中心应用系统及资源管理维护系统，是电力通信调度部门 一2 2 中胃电力科学研究院硕士学位论文 3 光缆在线监铡系统的技术路线 对光传输网日常管理、测试、维护的工作平台监铡中心硬件设备包括：监测中 心应用服务器、资源管理维护工作站、数据库服务器、打印机、网桥设备、便携 式维护工作站及语音卡。监测中心体系结构如图3 2 所示： 圈3 2 监潮中心体系结构示意圈 监测中心硬件设备功能分别如下： ( 1 ) 监测中心应用服务器：安装运行监测系统监测中心软件系统； ( 2 ) 资源维护管理工作站：安装运行光传输网资源管理软件系统； ( 3 ) 数据库服务器：保存资源数据、测试曲线文件及系统配置； ( 4 ) 打印机：打印测试曲线与光传输网运行统计分析报表； ( 5 ) 网桥设备：与监测站设备互联； ( 6 ) 语音卡：当监测站上报告警信息时，通过语音卡拨号将告警信息 通知运行维护人员。 3 1 3 监测站体系结构 监测站是基于s n 归的电力系统光缆在线监测系统的基本测试单元，所有的 测试工作都是由监测站来完成。监测站系统通过实时采集各个光传输段的光功 率，对光缆线路的传输质量进行监测。进行测试时，监测站主控模块首先控制光 开关切换，将光开关切换到指定的光路上，然后驱动o t d r 卡，发射激光脉冲， 对线路进行测试。监测站通常由以下硬件设备组成：监测站主控模块( 内置o t d r 卡) 、光功率监测模块、光开关设备、多串口扩展设备及网桥设备。监测站的体 系结构如图3 3 所示： 中目电力科学研究院硕士学位论文 3 光缆在线监测系统的技术路线 圈3 3 篮铡站体系结构示意圈 监测站的硬件设备的功能分别如下： ( 1 ) 监测站主控模块：负责与监测中心通信，接收监测中心的控制指 令，测试完毕后将测试曲线文件传送给监测中心；通过轮询监测 各个传输段的光功率监测模块，负责采集线路的光功率。并将变 化的光功率上报监测中心；负责控制光开关设备的切换，驱动 0 r r 隗完成测试； ( 2 ) o t d r 卡：发射激光脉冲，对线路进行测试，接收测试数据，对测 试数据进行初步分析并形成测试曲线文件； ( 3 ) 光功率监测模块：通过接收在线收光光纤的光功率，实时监测电 力光缆线路传输质量，通过相应监测站的轮询，及时将监测的光 功率变化上报给监测站主控模块； ( 4 ) 光开关设备：光开关设备通过接收监测站主控模块的控制指令负 责光路切换，从而实现自动、多方向测试； ( 5 ) 多串口扩展设备：监测站主控模块通过串口对光功率监测模块进 行轮询完成对光缆线路传输质量的实时监测。监测站主控模块串 口数目有限，通过多串口扩展设备进行串口扩展，将串口延伸到 远程变电站，完成对远程光功率监测模块的控制； 中国电力科学研究院硕士学位论文3 光缆在线监测系统的技术路线 ( 6 ) 网桥设备：实现与监测中心的互联。 3 2 电力系统光缆线路监测技术研究 基于s n 船的电力系统光缆在线监测系统在线路监测上主要分为两个方面： 即监和测，监测联动即为主动测试。对于如何实现电力光缆传输线路的光功率实 时监测及如何测试两个问题进行研究，我们提出了各纤+ 光源及在线采集两种光 功率监测方式，提出了备纤测试、在线测试两种线路测试方式，并利用w 嘲原理 解决了光纤工作波长与测试波长耦合的问题。 3 2 1 光功率监测技术研究 ( 1 ) 备纤+ 光源监测 备纤+ 光源的光功率监测方式采用一根从监测始端到末端的各纤进行光功 率监测。采用备纤+ 光源的监测方式的示意图如图3 4 所示： 圈3 4 备纤+ 光澈的光功率篮涓原理示意圉 由于备纤中没有光注入，因此须要在监测的末端配置一台可控光源设备，通 过光源设备发光，在测试始端震佣光功率监测模块接收，并监测光功率的变化。 采用这种方式监视光功率，可以节省大量的光功率监铡模块，但是需要一根从监 测始端到末端的一根备纤，在电力光缆纤芯资源比较丰富的情况下，可以采用这 种方式监测线路光功率，如果电力光缆纤芯资源比较紧张的情况时，则可以采用 中国电力科学研究院硕士学位论文 3 光缆在线监测系统的技术路线 在线采集光功率的方法监测光功率的变化。 ( 2 ) 在线监测光功率 在线监测光功率的方式是通过采集在线光纤的光功率来监测线路的光功率 变化，其监测示意图如图3 5 所示： 光功率监测模块接收来自收光光纤的光，其内部内置9 7 ：3 的分光器，通过 3 的分光监溯线路的光功率变化。这种光功率监视方式采集在线工作光纤的光， 能够真实反映工作光纤的实时传输性能 圈3 5 在线监舅光功率腮示意图 3 2 2 线路测试技术研究 对于电力光缆线路测试提出两种测试方式：备纤测试和在线光纤测试。各纤 测试利用从测试始端到测试末端的一根顺序跳接的备用光纤进行测试；如果纤芯 资源比较紧张，则使用在线光纤测试方式。在线光纤测试使用正在工作的光纤进 行测试，因此需要使用波分复用技术对测试光和工作光进行耦合。利用波分复用 原理的在线光纤测试示意图如图3 6 所示： 中舀电力科学研究院硕士学位论文 3 光缆在线监测系统的技术路线 3 6 利用波分复用j 曛理的在线测试示意图 3 3 复杂网络结构监测技术研究 电力系统光传输网网络结构复杂，分枝线路与节点较多，对于如何能够实现 包括主干网以外的分支线路、节点的全面监测，我们对复杂网络结构下的光传输 网监测方案进行了研究，并结合实际的工程经验，提出了“各纤迂回法”和“光 开关级联法”两种监测组网方式。这两种方式在具体项目中都有实际应用。 3 3 1 备纤迂回法 电力光传输网网络结构比较复杂，如果需要实现主干线路和分支线路的全面 监测，则需要根据网络的拓扑配置大量的监测站。监测站是系统中投资最昂贵的 设备，为了提高监铡站的利用效率，在纤芯资源丰富的情况下，可以采用各纤迂 回法实现主干线路和分支线路的监测。备纤迂回法的示意图如图3 7 所示： 中田电力科学研究院硕士学位论文3 光缆在线监铡系统的技术路线 圈3 7 备纤迂曰法示意圈 图中需要监测从a b c d 的一段主干网线路，对于分支线路b e ，c f ，f g 则无法实施监测，可以利用备纤迂回将分支线路接续到主干线路上，如图所示， 从而实现对于分支线路的测试。 3 3 2 光开关级连法 通过远程光开关级联可以节省大量的备纤资源，对于备纤资源比较紧张的情 况，可以通过采用光开关远程级联的方式，完成对分支线路的测试。光开关级联 法进的示意图如图3 8 所示： 圈3 8 光开关级联法示意圈 中国电力科学研究院硕士学位论文3 光缆在线监测系统的技术路线 3 4 工作流程及故障定位 传统的测试方式是被动的测试方式，即只有当通信中断以后才可能发现线路 故障，并对线路进行测试。这种测试方式无法做到对线路的实时监测，更无法做 到对线路故障隐患进行预警。主动测试技术就是为了解决被动测试存在的种种问 题提出来的。主动测试技术将对线路传输质量的实时监测结果与线路测试结合起 来，一旦发现线路光功率异常，立即对该线路段启动测试，从而及早发现存在的 隐患或线路故障，及时将隐患或故障信息通知给运行维护人员，尽量缩短线路故 障时间。主动测试技术工作流程图如图3 。9 所示： 圉3 9 主动舅试技术工作蒎程圈 传统的线路维护方式，采用手持o t d r 仪对故障线路进行测试，测试的结果 是该测试线路的光学长度，并不是我们通常意义上的光缆长度。基于g i s 的故障 定位技术将故障信息与地理信息系统相结合，将这个抽象的光学长度测试值转变 成为运行维护人员都熟悉的带有地理信息特征的线路管理参考点信息，使管理、 维护更加方便直观。 中田电力科学研究院硕士学位论文4 光绩在线监测系统规划设计原则的研究 4 光缆在线监测系统规划设计原则的研究 当前电力系统通信调度部门对于光缆线路维护中传统维护手段存在严重的 不足，建设电力系统光缆在线监测系统对于提高电力通信调度部门对光缆线路管 理、测试维护水平有相当重要的意义。 如何科学规划建设电力光缆在线监测系统，避免投资的盲目性，并充分发挥 该系统的功能，做到物尽其用是电力系统面临的很实际的问题。在骨干网大型光 缆干线监测系统设计时，既要考虑干线监测的需要，同时要兼顾各城区网建设本 地光缆监测系统的需要，这样建设的系统，既能满足干线光缆监测的功能，又为 地市局建设自