摘 要： 提出了一種電力光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)電力光纖環(huán)網(wǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合OTDR技術(shù)和GPRS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)光纖有故障發(fā)生時(shí)，第一時(shí)間向工作人員發(fā)送報(bào)警短信，同時(shí)在網(wǎng)站地圖上顯示故障點(diǎn)位置。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能在20秒內(nèi)完成對(duì)光纖故障點(diǎn)定位，發(fā)送報(bào)警短信，以及在地圖上顯示故障點(diǎn)位置等操作，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

　　關(guān)鍵詞： 電力工程論文,光纖監(jiān)測(cè),電力環(huán)網(wǎng),OTDR,GPRS

　　Design of real-time monitoring system for electric power optical fiber

　　Fan Yuchen1， Guo Caifu2， Lin Yijun2， Xu Lingfeng2

　　(1. School of Computer Science and Technology， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China;

　　2. Power supply Branch Company of State Grid Corporation of China in Wenling city of Zhejiang province)

　　Abstract： A real-time monitoring system for electric power optical fiber is realized. The system is designed according to the characteristics of electric power optical fiber ring network， combined with OTDR technology and GPRS technology， realizing real-time monitoring for optical fiber. When a fault occurs， the system will send an alarm message to the staff and display the location of the fault on the site map immediately. The experimental results show that the system can locate the fault， send messages and display the fault location on the map in 20 seconds. The system has a certain practicality.

　　Key words： optical fiber monitoring; electric power ring network; OTDR; GPRS

　　0 引言

　　在電力系統(tǒng)中，光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性是電力系統(tǒng)生產(chǎn)安全、正常運(yùn)行的重要保障。由于光纖網(wǎng)絡(luò)線路的通信容量大，一旦發(fā)生故障，就會(huì)嚴(yán)重影響正常通信，因此障礙的修復(fù)必須爭(zhēng)分奪秒。

　　傳統(tǒng)的光纖維護(hù)方式是采用人工方式進(jìn)行的。當(dāng)傳輸系統(tǒng)收無(wú)光時(shí)，業(yè)務(wù)設(shè)備發(fā)出故障告警，工作人員到現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)光時(shí)域反射儀(OTDR)等設(shè)備測(cè)量出故障點(diǎn)位置，再到相應(yīng)地點(diǎn)進(jìn)行維修[1]。這種方式耗時(shí)較長(zhǎng)，并且比較被動(dòng)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)光纖線路進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)第一時(shí)間向工作人員發(fā)送報(bào)警短信，并在網(wǎng)站地圖上顯示故障點(diǎn)位置，方便工作人員查看。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)主要由以下部分組成：主控模塊，光通信模塊，OTDR光纖測(cè)距模塊，光路切換模塊，以太網(wǎng)通信模塊，GPRS短信發(fā)送模塊和遠(yuǎn)端Web服務(wù)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制并協(xié)調(diào)其他模塊的工作。光通信模塊負(fù)責(zé)在光纖中傳輸數(shù)據(jù)。OTDR光纖測(cè)距模塊對(duì)故障光纖進(jìn)行測(cè)量并返回故障點(diǎn)信息。光路切換模塊使光路在光通信模塊和OTDR光纖測(cè)距模塊間進(jìn)行切換。以太網(wǎng)通信模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)和遠(yuǎn)端服務(wù)器的通信。GPRS短信發(fā)送模塊向工作人員發(fā)送報(bào)警短信。遠(yuǎn)端Web服務(wù)器部署在總局機(jī)房，在服務(wù)器上搭建了整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)站界面，結(jié)合webGIS技術(shù)，將電力光纖實(shí)際布線情況直觀地體現(xiàn)到網(wǎng)站地圖上，當(dāng)某段光纖發(fā)生故障時(shí)，地圖上會(huì)顯示故障點(diǎn)位置。

　　1.2 監(jiān)測(cè)實(shí)施方式設(shè)計(jì)

　　光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照監(jiān)測(cè)實(shí)施方式的不同，可以分為OTDR輪詢監(jiān)測(cè)，光功率監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)設(shè)備告警監(jiān)測(cè)[2]。在監(jiān)測(cè)實(shí)施方式上，本系統(tǒng)采用自身集成的光通信模塊，在光通信模塊上傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)檢測(cè)傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率來(lái)判斷光纖狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖線路的監(jiān)測(cè)。當(dāng)誤碼率到達(dá)閾值時(shí)說(shuō)明光纖線路有故障產(chǎn)生，這種方法不需要光功率計(jì)等設(shè)備，也不需要從業(yè)務(wù)設(shè)備中接出告警信號(hào)，保證了系統(tǒng)的獨(dú)立性，降低了系統(tǒng)成本。

　　1.3 監(jiān)測(cè)對(duì)象設(shè)計(jì)

　　光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，可以分為備纖監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)[2]。在監(jiān)測(cè)對(duì)象上，為了節(jié)約成本，同時(shí)因?yàn)楸鞠到y(tǒng)所部署的光纖網(wǎng)絡(luò)有一條備纖，在有光纖富余的情況下，結(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用備纖監(jiān)測(cè)，不需要對(duì)原有線路進(jìn)行改造，也不需要額外增加波分復(fù)用器，濾光器等器件，避免了對(duì)業(yè)務(wù)設(shè)備信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響，同時(shí)降低了系統(tǒng)成本，保證了系統(tǒng)的便捷性。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 主控模塊

　　主控模塊包括ARM處理器和CPLD芯片。

　�、� ARM處理器選用ST公司的STM32F103RBT6，這是一款高性能的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器[3]。在本系統(tǒng)中，ARM處理器主要完成以下工作：控制CPLD芯片通過(guò)光通信模塊在光纖中傳輸數(shù)據(jù)，檢測(cè)誤碼率;控制OTDR光纖測(cè)距模塊對(duì)光纖進(jìn)行測(cè)量，并接收返回的光纖故障點(diǎn)信息;控制光路切換模塊切換光路;控制以太網(wǎng)通信模塊與遠(yuǎn)端服務(wù)器通信;控制GPRS短信發(fā)送模塊給工作人員發(fā)送報(bào)警短信。 　�、� CPLD芯片選用ALTERA公司的MAX II系列EPM240T100C5N，它采用新的查表(LUT)體系，具有瞬態(tài)啟動(dòng)、非易失性和易用性等優(yōu)點(diǎn)[4]。該芯片的主時(shí)鐘為50MHz，通過(guò)對(duì)它進(jìn)行分頻處理，能夠獲得不同波形脈沖信號(hào)，通過(guò)光通信模塊，使信號(hào)在光纖中傳輸。

　　2.2 光通信模塊

　　光通信模塊選用1×9 引腳封裝TTL電平光收發(fā)一體模塊。該模塊有TX和RX兩個(gè)光接口。該模塊接口電平為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，能夠和CPLD輸出的TTL電平很好的兼容。其典型應(yīng)用電路如圖2所示。ARM處理器將數(shù)據(jù)發(fā)送給CPLD，CPLD將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，發(fā)送給光模塊的TD+引腳，該信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸后到達(dá)另一端光模塊，CPLD從RD+引腳提取出信號(hào)后進(jìn)行解碼處理，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM處理器，ARM處理器通過(guò)計(jì)算接收到的數(shù)據(jù)誤碼率來(lái)判斷光纖狀況。同時(shí)，該模塊還提供了收無(wú)光告警信號(hào)SD，當(dāng)RX接口接收不到光時(shí)，該引腳電平會(huì)從高電平變?yōu)榈碗娖剑�該信�?hào)也能作為光纖產(chǎn)生故障的依據(jù)。

　　2.3 光路切換模塊

　　光路切換模塊選用1×2機(jī)械式光開(kāi)關(guān)。其原理圖如圖3所示。該光開(kāi)關(guān)為2×5雙列直插引腳封裝，通過(guò)控制引腳1和引腳10的電平高低能使光路在1--2 和1--3之間進(jìn)行切換。在本系統(tǒng)中，備纖接圖3中的port1，光通信模塊接port2，OTDR光纖測(cè)距模塊接port3。正常情況下時(shí)，光路 1--2導(dǎo)通，通過(guò)光通信模塊在光纖中傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)產(chǎn)生故障告警時(shí)，光路切換至1--3這路，開(kāi)啟OTDR對(duì)光纖線路進(jìn)行測(cè)量。

　　2.4 GPRS短信發(fā)送模塊

　　GPRS短信發(fā)送模塊選用華為的EM310模塊，EM310是一款GSM/GPRS雙頻無(wú)線模塊，支持EGSM900和GSM1800雙頻，提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短信、傳真功能。其外圍電路如圖4所示，主要包括網(wǎng)絡(luò)指示燈電路、啟動(dòng)電路、復(fù)位電路。網(wǎng)絡(luò)指示燈以不同的閃爍頻率來(lái)指示模塊的工作狀況：開(kāi)機(jī)、注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)等。啟動(dòng)電路和復(fù)位電路接ARM處理器的通用I/O口，ARM處理器給啟動(dòng)端一個(gè)大于50ms的低電平可以啟動(dòng)模塊，給復(fù)位端一個(gè) 50ms的低電平即可使模塊復(fù)位[5]。本系統(tǒng)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)短信作為報(bào)警方式，當(dāng)所監(jiān)測(cè)光纖段發(fā)生故障時(shí)，將故障點(diǎn)位置，故障點(diǎn)類型，故障發(fā)生基站等信息發(fā)送至指定工作人員手機(jī)。

　　2.5 以太網(wǎng)通信模塊

　　以太網(wǎng)通信模塊選用ENC28J60以太網(wǎng)控制器。其原理圖如圖5所示。該模塊通過(guò)8個(gè)引腳與外部電路相連，這8個(gè)引腳分別是：GND、RST、MISO、SCK、MOSI、INT、CS和V3.3。其中GND和V3.3 用于給模塊供電，MISO/MOSI/SCK用于SPI通信，CS是片選信號(hào)，INT為中斷輸出引腳，RST為模塊復(fù)位信號(hào)。本系統(tǒng)通過(guò)ENC28J60 以太網(wǎng)控制器和LWIP以太網(wǎng)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端服務(wù)器的通信。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，以提高軟件的工作效率。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括：控制光模塊在光纖中傳輸數(shù)據(jù)，檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸誤碼率;控制OTDR測(cè)量光纖;控制EM310模塊發(fā)送短信;控制ENC28J60以太網(wǎng)控制器與遠(yuǎn)端服務(wù)器通信等。系統(tǒng)總體流程圖如圖6所示。

　　[否][否][是][系統(tǒng)初始化][開(kāi)始][誤碼率是否達(dá)到閾值?] [是][結(jié)束][光通信模塊傳輸數(shù)據(jù)][是否繼續(xù)監(jiān)測(cè)?] [光路切換模塊切換光路][開(kāi)啟OTDR測(cè)量光纖][向工作人員發(fā)送短信][網(wǎng)站地圖顯示故障點(diǎn)位置]

　　圖6 系統(tǒng)總體流程圖

　　系統(tǒng)工作流程示意圖如圖7所示，以在基站A和基站B分別部署一套設(shè)備為例，正常情況下，基站A設(shè)備的光路切換模塊置于光通信模塊一路，基站A將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站B。當(dāng)基站B設(shè)備的光通信模塊產(chǎn)生收無(wú)光報(bào)警，或主控模塊監(jiān)測(cè)到傳輸數(shù)據(jù)誤碼率達(dá)到閾值時(shí)，說(shuō)明光纖線路產(chǎn)生故障，基站B設(shè)備的主控模塊通過(guò)以太網(wǎng)向安裝在總局機(jī)房的服務(wù)器報(bào)警。服務(wù)器接到報(bào)警后，向基站A設(shè)備發(fā)送相關(guān)指令。基站A設(shè)備的主控模塊收到指令后，首先操作光路切換模塊，將光路從光模塊這路切換至OTDR這路，接著開(kāi)啟OTDR對(duì)光纖線路進(jìn)行測(cè)量。OTDR測(cè)量得到故障點(diǎn)距離，將故障信息返回給主控模塊，主控模塊對(duì)信息進(jìn)行處理后，控制 EM310模塊向工作人員發(fā)送報(bào)警短信，并將相關(guān)信息上報(bào)至服務(wù)器，服務(wù)器在地圖上顯示故障點(diǎn)位置。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了一套電力光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)不需要對(duì)原有線路進(jìn)行改造，也不需要從業(yè)務(wù)設(shè)備中接出告警信號(hào)，只需一根備纖，就能對(duì)光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證了系統(tǒng)的獨(dú)立性和便捷性。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)第一時(shí)間向工作人員發(fā)送報(bào)警短信，并在網(wǎng)站地圖上顯示故障點(diǎn)位置，達(dá)到壓縮故障歷時(shí)，減輕維護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)的目的。該系統(tǒng)采用備纖監(jiān)測(cè)，適用于光纖資源比較豐富的通信網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于如何在光纖資源緊張或沒(méi)有備纖的情況下使用該系統(tǒng)，仍然是將來(lái)需要研究的問(wèn)題。

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