基于光纤芯远程交换技术的电力光网全流程智能运维评估

张源， 张凯， 原军， 药炜

(国网山西省电力公司太原供电公司,山西 太原 030012 )

0 引 言

光纤芯交换是光纤通信网络通道参数测试、光链路切换、路由数据收集和通信质量维护等工作的基础。传统光纤芯交换模式是基于人工操作的，这种方式受到地理位置、人工操作效率低和操作工序复杂等因素的影响，不能够满足现阶段大量光纤通信的要求。

目前针对光纤芯远程交换的研究较少。文献[1]提出了基于光纤远程交换技术的电力光网故障抢修新策略;文献[2]提出了基于光纤交换系统的电力光通信运维新模式;文献[3]针对光纤芯远程智能交换系统的电力运用进行了分析;文献[4]针对电力通信系统中远程光交换技术理论进行了研究;文献[5 ]针对远程仿真系统实时数据智能交换的研究与应用进行了分析;文献[6]提出了基于预期损失模型的电力无线专网运行质量量化评估方案;文献[7]提出了一种基于FMECA的电力通信网运行风险评估方法；文献[8]提出了基于层次分析法的配电通信网运行风险量化评估方法；文献[9]提出了一种智能配用电通信网运行风险综合评估系统。以上文献大多针对传统通信网，而针对光纤芯远程交换的评估仍然不足。

鉴于上述研究成果在光纤芯交换技术中并未涉及智能运维和评估的内容，本文针对光纤芯远程交换技术以及运维智能评估进行了分析，从而提升光纤芯交换技术运维评估水平。

1 光纤芯远程交换方案

光纤芯远程交换系统解决了光纤芯交换的人工操作问题，能够通过计算机通信、测控技术和光传输原理，实现对光节点站交换设备和主站网络控制系统之间的实时通信和动态交换，结构如图1所示。

图1 光纤芯远程交换模块结构

本文所提出的光纤芯远程交换系统包括对接设备、光测试设备、主控器、信号传输设备和控制中心等。光纤远程对接设备能够实现光纤芯的对接操作；光测试设备能够测试光纤性能参数；主控制器用于控制光纤芯远程对接设备进行光纤芯的自动对接，同时控制光测试设备，发出光纤性能参数测试的整体信号等；信号传输设备能够接受主控器发出的信号，并进行信息传输；控制中心负责信号收发的传输中枢，实现信息监测的控制。

故障监测模块用于传输信号过程中对出现的中断和误码进行检测，并且将数据传送至控制中心。当故障监测设备检测到业务传输过程中出现信号中断和误码率较高的情况时，需要下达指令进行光纤运行情况检测；如果出现异常则需要解除原有光纤通信连接关系，通过更改光纤跳接的位置，完成故障修复。流程如图2所示。

图2 光纤芯远程交换流程

(1) 远端主站需要通过通信单元发送远程操作指令至处理器模块。

(2) 通过处理器模块对收到的信息和指令进行解析，获取需要跳接的两个纤芯接口，确定新模块上的具体位置信息。

(3) 通过确定当前位置纤芯接口模块上各接口的连接状态，判断需要调节的两个纤芯接口当前是否已有光纤插入。如果没有则不可以继续进行操作，如果已经至少有一个光纤已插入接头则可以继续操作。

(4) 接着对纤芯接口进行交换操作。通过本文所提的方法能够实现两个纤芯接口的自动调节。

利用本文所提的光纤芯远程交换方法，能够避免光缆出现故障时检修人员的现场光纤跳接操作，缩短了故障修复时间、降低了运维成本。另外，所提方法还能够解决远程光纤纤芯自动交换问题，提高光节点链路切换效率和光通道测试自动化水平，降低运维成本，实现光缆运维智能化。同时，在光纤远程自动交换、性能监测和故障处理方面，可以应用于快速故障切除和故障修复等。

2 智能运维平台

2.1 系统架构

电力光网络智能运维平台架构如图3所示。以故障信息系统、调度系统、电力通信网络系统、设备检修状态系统和安全生产管理系统为基础，实现对光纤通信网络的智能检修平台构建。由于光纤通信网络是与电力系统密切结合的，因此，需要对信息模型作进一步分析。

图3 电力光网络智能运维平台架构

在传统电网的信息模型基础上，针对通信网络信息模型做进一步细分，得到设备状态监测模型、视频环境信息模型、作业管理信息模型、设备评价信息模型以及通信网络信息模型。这类信息模型是实现对光纤通信网络全流程智能化运维的底层数据。利用信息模型得到运维基础数据。首先需要确定通信线路与电力系统相连的变电站等信息，由于通信光缆需要检修，因此需要得到光缆检修日常运维数据，进而得到光缆缺陷信息。通过模型台账、气象信息、遥信遥测遥控信息和其他信息综合构成了基础数据库。

在运维具体操作过程中主要分为实时数据管理、实时预警、运行评估和系统分析。实施数据管理，主要针对光纤通信的运行数据以及检修数据。实时预警主要针对光纤通信进行故障定位和异常信息定位。运行评估体系能够通过链路、路由和光纤接口进行整体性能评估。系统分析需要对光纤通信的各类信息进行综合处理，形成可视化展示平台的应用。

2.2 硬件架构

系统的硬件架构如图4所示，光纤通信系统通过云端进入测试环境系统。测试环境系统由主机和防火墙组成，能够防止信息丢失和信息盗窃等。通过云端与一体化运维平台主站相连，主站平台设有Web服务器、接口服务器、应用服务器等，能够实现运维平台的操作服务和功能实现。通过以太网进行连接，实现与系统主站的通信关系。

图4 一体化运维平台硬件示意

2.3 运维平台功能

光纤芯远程交换系统能够对各光节点站中的主要资源进行远程操控，实现对光纤资源使用情况的实时掌握，从而方便对光纤资源进一步调度，从运行和管理方面提升资源的使用效率。最终通过图形化管理界面实现整个网络资源的可视化、远程化和智能化。运行人员还可以通过状态监测得到的数据实时查询和统计分析，从而不断提升光纤数据资源的完备性和一致性，保证通信系统的可靠运行。

通过部署在光纤主站网络控制系统的图形窗口，可以分类别、分项目查看电网光缆分布的位置情况、网络拓扑结构、网络光纤性能、网络业务分布以及负载情况，从而实现对光纤运行过程中的损耗、温度和应变进行全流程监督。

由于数据获取方式较为多样，因此可以实现对数据的维度进行可视化展示，通过不同的数据水平和数据方式切换数据格式，得到不同情况下的数据重要程度排序，可以查看相应线路的光纤性能和承载业务等信息，实现对多个站点和融合站点的光缆信息动态查询。

由于目前电力系统实现无人值守和操作的方向较为明显，因此光缆运维也逐渐呈现远程化趋势。

随着电网智能化水平的提升，各项设备的运维也呈现智能化态势：通过对光缆运维的水平提升实现光缆运维智能化；通过主站网络控制系统查询相关的光缆投产、运行和退役全寿命周期的信息，建立该光缆的信息档案；通过数据库对比分析光缆的温度、应变、运行时间以及功率损耗之间的关系，实现光缆全寿命周期的状态预警、检修预警等功能；通过相应的数据变化以及数据动态发展趋势，实现多种方式的运维智能化水平。当处于某种运行状态时，光缆的数据，例如温度和应变等，可以实现实时推送和动态上传，将光缆运维信息实现无人化上传，从而推进光缆的运维智能水平的提升。

3 基于层次分析法的运行评估方法

3.1 评价指标

将电力光网运行状态评价A设为目标层，节点业务评价B1、链路业务评价B2和网络业务评价B3作为准则层，两个节点指标C1j(j=1,2)、两个链路指标C2j(j=1,2)和一个网络指标C3j(j=1,2)作为B1、B2和B3的指标层，构建电力光网运行评价指标体系，如图5所示。

图5 运行评价指标

3.2 基于层次分析法的运维评估

具体的评价流程如下：

步骤1：采用改进AHP确定评价指标的主观权重Wj,1。

步骤2：采用熵权法确定各指标客观权重Wj,2。

步骤3：结合主客观权重求出各指标综合权重值Wij。

步骤4：通过加权平均得到电力光网运行质量综合评价指数P(t)，通过综合评价指数P(t)的大小反映和评价光网运行水平。

步骤1的具体计算流程如下：

(1) 构建判断矩阵。利用专家对节点业务、链路业务和网络业务评价结果构建重要性量化和排序，得到判断矩阵，具体方法如下。

根据专家咨询结果得到n个指标的重要性排序为x1≥x2≥…≥xn，对xi与xi+1进行比较，将其对应的标度值记为ti，然后按照指标重要程度的传递性计算出判断矩阵中的其他元素值，最后得到如下判断矩阵。

(1)

(2) 层次总排序。计算各层综合权重并排序[10]，依据表1进行计算。

表1 层次总排序

表1中:b1、b2、…、bn为B层对于A层的指标权重系数;C11、C12、…、Cmn为C层对于B层的指标权重系数。通过一致性检验后可得到各个指标的相对重要性。

步骤2的具体计算流程如下：

(1) 对于n×m维度评价指标的问题，形成原始矩阵如下：

(2)

(3) 计算第j项指标值的比重fij。

(3)

则第j项指标值的信息熵为：

(4)

式中：k=1/lnm。

第j项指标值的熵权值计算式如下：

(5)

式中:(1-Hj)为j项指标的信息效用值。信息效用值越大，对评价的重要性越大，权重也越大。

本文所提综合权重计算公式如式(6)所示。

(6)

最终通过加权平均得到综合评价指数P(t)。

(7)

式中:Wj为第j指标的综合权重；yj为第j个指标数值。

3.3 算例分析

根据专家打分，得到某光纤系统的判断矩阵和主观权重如表2～表5所示。

表2 判断矩阵与指标权重(1)

表3 判断矩阵与指标权重(2)B1C11C12 ωiC111.000.500.331C122.001.000.669表4 判断矩阵与指标权重(3)B2C21C22 ωiC211.001.330.505C220.751.000.495

表5 判断矩阵与指标权重(4)

利用熵权法得到客观熵权和综合权重如表6所示。

表6 指标综合权重计算结果

最终根据专家打分,将分值归一化后乘以相应的权重，得到总分值。

4 结束语

通过本文所提的新型运维模式可以实现对光纤通信中通常引发的光缆纤芯跳接等故障进行及时有效维护。通过智能化水平的提升，可以实现光路切换工作的有效和快速执行。通过测试业务可以减少人工成本，同时在受地形所限地区业务，恢复时间方面也可以得到较大提升。因此，光纤芯远程交换系统不仅能够提升工作效率，而且还可以降低成本。在电网继电保护系统和自动化系统可靠性水平逐渐提升的同时，将相应的业务承载于电力光通信网络中，能够提升电网保护和自动化运行水平，减少线路停电带来的损失。

本文提出的基于层次分析法的运行评估方法能够结合主观权重和客观权重对光纤运行状态进行综合评价，具有较强的可操作性和良好的评价效果，可以为光纤芯远程交换运维提供相应参考。