一种电力光纤实时监测系统设计

摘 要： 提出了一种电力光纤实时监测系统。根据电力光纤环网的特点进行设计，结合OTDR技术和GPRS技术，实现对光纤的实时监测。当光纤有故障发生时，第一时间向工作人员发送报警短信，同时在网站地图上显示故障点位置。实验证明，该系统能在20秒内完成对光纤故障点定位，发送报警短信，以及在地图上显示故障点位置等操作，具有较强的实用性。

关键词： 光纤监测； 电力环网； OTDR； GPRS

中图分类号：TN929.11 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）08-14-03

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

在电力系统中，光纤网络传输数据的可靠性是电力系统生产安全、正常运行的重要保障。由于光纤网络线路的通信容量大，一旦发生故障，就会严重影响正常通信，因此障碍的修复必须争分夺秒。

传统的光纤维护方式是采用人工方式进行的。当传输系统收无光时，业务设备发出故障告警，工作人员到现场通过光时域反射仪（OTDR）等设备测量出故障点位置，再到相应地点进行维修[1]。这种方式耗时较长，并且比较被动。针对上述问题，本文设计了一套光纤实时监测系统，对光纤线路进行主动监测，当有故障发生时第一时间向工作人员发送报警短信，并在网站地图上显示故障点位置，方便工作人员查看。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

系统主要由以下部分组成：主控模块，光通信模块，OTDR光纤测距模块，光路切换模块，以太网通信模块，GPRS短信发送模块和远端Web服务器。系统结构框图如图1所示。主控模块是整个系统的核心，控制并协调其他模块的工作。光通信模块负责在光纤中传输数据。OTDR光纤测距模块对故障光纤进行测量并返回故障点信息。光路切换模块使光路在光通信模块和OTDR光纤测距模块间进行切换。以太网通信模块负责系统和远端服务器的通信。GPRS短信发送模块向工作人员发送报警短信。远端Web服务器部署在总局机房，在服务器上搭建了整个系统的网站界面，结合webGIS技术，将电力光纤实际布线情况直观地体现到网站地图上，当某段光纤发生故障时，地图上会显示故障点位置。

1.2 监测实施方式设计

光纤实时监测系统按照监测实施方式的不同，可以分为OTDR轮询监测，光功率监测和业务设备告警监测[2]。在监测实施方式上，本系统采用自身集成的光通信模块，在光通信模块上传输数据，通过检测传输数据的误码率来判断光纤状况，实现对光纤线路的监测。当误码率到达阈值时说明光纤线路有故障产生，这种方法不需要光功率计等设备，也不需要从业务设备中接出告警信号，保证了系统的独立性，降低了系统成本。

1.3 监测对象设计

光纤实时监测系统按照监测对象的不同，可以分为备纤监测和在线监测[2]。在监测对象上，为了节约成本，同时因为本系统所部署的光纤网络有一条备纤，在有光纤富余的情况下，结合实际情况，本系统采用备纤监测，不需要对原有线路进行改造，也不需要额外增加波分复用器，滤光器等器件，避免了对业务设备信号传输产生影响，同时降低了系统成本，保证了系统的便捷性。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

主控模块包括ARM处理器和CPLD芯片。

⑴ ARM处理器选用ST公司的STM32F103RBT6，这是一款高性能的基于Cortex-M3内核的32位处理器[3]。在本系统中，ARM处理器主要完成以下工作：控制CPLD芯片通过光通信模块在光纤中传输数据，检测误码率；控制OTDR光纤测距模块对光纤进行测量，并接收返回的光纤故障点信息；控制光路切换模块切换光路；控制以太网通信模块与远端服务器通信；控制GPRS短信发送模块给工作人员发送报警短信。

⑵ CPLD芯片选用ALTERA公司的MAX II系列EPM240T100C5N，它采用新的查表（LUT）体系，具有瞬态启动、非易失性和易用性等优点[4]。该芯片的主时钟为50MHz，通过对它进行分频处理，能够获得不同波形脉冲信号，通过光通信模块，使信号在光纤中传输。

2.2 光通信模块

光通信模块选用1×9引脚封装TTL电平光收发一体模块。该模块有TX和RX两个光接口。该模块接口电平为标准TTL电平，能够和CPLD输出的TTL电平很好的兼容。其典型应用电路如图2所示。ARM处理器将数据发送给CPLD，CPLD将接收到的数据进行编码处理，发送给光模块的TD+引脚，该信号经过光纤传输后到达另一端光模块，CPLD从RD+引脚提取出信号后进行解码处理，再将数据发送给ARM处理器，ARM处理器通过计算接收到的数据误码率来判断光纤状况。同时，该模块还提供了收无光告警信号SD，当RX接口接收不到光时，该引脚电平会从高电平变为低电平，该信号也能作为光纤产生故障的依据。

2.3 光路切换模块

光路切换模块选用1×2机械式光开关。其原理图如图3所示。该光开关为2×5双列直插引脚封装，通过控制引脚1和引脚10的电平高低能使光路在1--2和1--3之间进行切换。在本系统中，备纤接图3中的port1，光通信模块接port2，OTDR光纤测距模块接port3。正常情况下时，光路1--2导通，通过光通信模块在光纤中传输数据。当产生故障告警时，光路切换至1--3这路，开启OTDR对光纤线路进行测量。

2.4 GPRS短信发送模块

GPRS短信发送模块选用华为的EM310模块，EM310是一款GSM/GPRS双频无线模块，支持EGSM900和GSM1800双频，提供数据、语音、短信、传真功能。其电路如图4所示，主要包括网络指示灯电路、启动电路、复位电路。网络指示灯以不同的闪烁频率来指示模块的工作状况：开机、注册网络、发送数据等。启动电路和复位电路接ARM处理器的通用I/O口，ARM处理器给启动端一个大于50ms的低电平可以启动模块，给复位端一个50ms的低电平即可使模块复位[5]。本系统利用GPRS网络短信作为报警方式，当所监测光纤段发生故障时，将故障点位置，故障点类型，故障发生基站等信息发送至指定工作人员手机。

2.5 以太网通信模块

以太网通信模块选用ENC28J60以太网控制器。其原理图如图5所示。该模块通过8个引脚与外部电路相连，这8个引脚分别是：GND、RST、MISO、SCK、MOSI、INT、CS和V3.3。其中GND和V3.3用于给模块供电，MISO/MOSI/SCK用于SPI通信，CS是片选信号，INT为中断输出引脚，RST为模块复位信号。本系统通过ENC28J60以太网控制器和LWIP以太网协议栈实现与远端服务器的通信。

3 系统软件设计

系统软件采用模块化设计，以提高软件的工作效率。系统软件实现的功能包括：控制光模块在光纤中传输数据，检测数据传输误码率；控制OTDR测量光纤；控制EM310模块发送短信；控制ENC28J60以太网控制器与远端服务器通信等。系统总体流程图如图6所示。

[否][否][是][系统初始化][开始][误码率是否达到阈值？] [是][结束][光通信模块传输数据][是否继续监测？] [光路切换模块切换光路][开启OTDR测量光纤][向工作人员发送短信][网站地图显示故障点位置]

图6 系统总体流程图

系统工作流程示意图如图7所示，以在基站A和基站B分别部署一套设备为例，正常情况下，基站A设备的光路切换模块置于光通信模块一路，基站A将数据发送给基站B。当基站B设备的光通信模块产生收无光报警，或主控模块监测到传输数据误码率达到阈值时，说明光纤线路产生故障，基站B设备的主控模块通过以太网向安装在总局机房的服务器报警。服务器接到报警后，向基站A设备发送相关指令。基站A设备的主控模块收到指令后，首先操作光路切换模块，将光路从光模块这路切换至OTDR这路，接着开启OTDR对光纤线路进行测量。OTDR测量得到故障点距离，将故障信息返回给主控模块，主控模块对信息进行处理后，控制EM310模块向工作人员发送报警短信，并将相关信息上报至服务器，服务器在地图上显示故障点位置。

4 结束语

本文设计了一套电力光纤实时监测系统，从系统总体设计，系统硬件设计，系统软件设计等方面进行了阐述。该系统不需要对原有线路进行改造，也不需要从业务设备中接出告警信号，只需一根备纤，就能对光纤进行实时监测，保证了系统的独立性和便捷性。当有故障发生时，系统第一时间向工作人员发送报警短信，并在网站地图上显示故障点位置，达到压缩故障历时，减轻维护人员工作负担的目的。该系统采用备纤监测，适用于光纤资源比较丰富的通信网络。对于如何在光纤资源紧张或没有备纤的情况下使用该系统，仍然是将来需要研究的问题。

参考文献：

[1] 赵泰.光纤在线监测系统在电力环网中的设计与实现[D].华北电力大

学（北京），2004.

[2] 姜子炎.湖北省网光缆线路自动监测系统[D].北京邮电大学，2009.

[3] 孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应

用[J].微计算机应用，2010.12：59-63

[4] 陈曙光.基于EPM240T的CPLD开发板设计与实现[J].高等职业教

育（天津职业大学学报），2010.3：80-82

[5] 刘成岩，孙晶华.EM310无线模块与PIC单片机的接口设计[J].单片

机与嵌入式系统应用，2011.9：46-48