基于北斗的光缆定位及故障监测系统研究

高云嵩 陈 健

（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000）

0 引言

我国幅员辽阔，现有的电力通信网络随着电网脉络同步敷设电力通信光缆至地处偏远的变电站、电厂及配电站，给电力通信的运维工作带来一些挑战。

目前，电力通信光缆的运维方式通常是在光缆受损中断出现业务告警时，运维人员至光缆两端站点使用光时域反射仪（OTDR）对故障点进行粗略定位，再派抢修人员进行现场抢修。整个抢修过程根据距离远近往往需要2～8 h才能完成“先抢通，后修复”的工作，所耗费的人力、物力较大。并且在光缆状态监测和主动维护方面存在手段单一，时效性不高，智能化、国产化程度低等问题。

随着新型电力系统大力建设，电力光缆所承载的业务愈发重要。因此，及时发现并定位电力光缆故障或隐患点，为电力通信网络正常运行提供充分的保障维护，对电网系统运行具有重要意义。通过搭建基于北斗系统的光缆定位与监测系统，可实现故障快速响应与故障点精确定位，极大提高了光缆线路排障的整体反应能力。

1 基于北斗的光缆定位及故障监测系统简介及优势

基于北斗的光缆定位及故障监测系统，借助北斗导航系统具备光缆故障快速响应告警、故障点精确定位等功能。与传统的测量手段相比，基于北斗的光缆定位及故障监测系统具有覆盖范围广、抗干扰能力强、设备便携、操作简单、测量精准、可靠性高等优点。

2 基于北斗的光缆定位及故障监测系统原理

2.1 北斗定位原理

卫星定位通过建立伪距观测方程将其线性化，利用卡尔曼滤波模型或最小二乘法对系统状态进行最优估计，并采用差分定位，对伪距、精确位置、接收机钟差进行差分结算或伪距双差运算。

北斗卫星导航系统由静止轨道卫星、中地球轨道卫星、倾斜同步轨道卫星等数十颗卫星组成，并以一个固定的周期绕地球运行。因此，在任何时候，在地面上的任意一点，都可以同时观测到四颗以上的卫星。北斗卫星定位原理如图1所示。

图1 北斗卫星定位原理图

由于三个卫星定位精确，使用距离公式s=vt形成三个方程来求解观测点的位置（X，Y，Z）。

式中：R为卫星与用户之间的距离；c为光速常数；tr和ts分别为卫星信号接收时间和卫星信号发射时间。

R1、R2、R3形成三个方程为：

卫星的时钟和观测点接收器的时钟之间存在误差，除了X、Y和Z这三个未知数之外，还有一个未知的时钟差。因此，需要引入第四颗卫星，形成四个方程求解，以获得接收器的位置。而在现实情况下，接收器通常可以锁定4个以上的卫星。在这种情况下，接收机可以根据卫星的位置分为几个组，每组有4颗卫星，再利用算法选择误差最小的组进行定位，从而提高精度。实验表明，利用差分定位技术，定位精度可提高到米级[1]。

2.2 北斗短报文原理

北斗短报文是相较于其他卫星系统所独有的功能，不依靠移动通信信号，利用卫星进行点对点双向通信，能够提供全覆盖、全天候、无盲区服务[2]。与传统的移动通信系统相比，北斗短报文系统具备覆盖范围广、服务不间断、不受地形条件和环境气候影响等优势，目前已经在森林防火、应急搜救甚至民用信息传输等领域广泛应用。

通常情况下，北斗短报文的长度限制为120个汉字或240个英文字符以内。为了保证数据传输的准确性和安全性，数据应严格符合北斗短报文的格式要求，并经过调制和编码处理，同时加入校验码，发送到指定的北斗地面站。北斗地面站接收到短报文后，自动进行解码和校验参数的运算。在得到正确信息后，便会将它转发给相应的北斗卫星，再通过北斗卫星实现数据的广播和转发。接收方设备通过北斗卫星接收并解码接收到的短报文，接收方可依据系统约定的操作步骤，通过北斗短报文终端对该信息进行处理或回复。

3 系统设计与实现

基于北斗的光缆定位及故障监测系统由终端设备和后台管理中心组成，利用北斗短报文通信及定位技术，并结合温度传感器，把光缆定位数据及温度监测数据通过短报文形式传输到后台管理中心，实时监测状态变化。基于北斗的光缆定位及故障监测系统运作流程如图2所示。

图2 基于北斗的光缆定位及故障监测系统运作流程图

当故障发生时，光缆温度升高，温度监测模块产生告警信息，故障定位模块接收机向北斗卫星发射信号。北斗中心收到卫星转发的故障定位模块接收机通信服务申请，根据短报文接收终端接收信号情况，择优选择卫星下行通道，将光缆定位模块接收机短报文原文向接收终端转发。

3.1 终端设备

基于北斗的光缆定位及故障监测系统的终端设备集北斗三号短报文通信、定位功能、蓝牙通信等功能于一体，具备双向短报文通信、位置报告、定位授时等功能。终端设备采用一体化设计，全向天线无须对星，为适应电力通信光缆所处的野外、山林、高空等恶劣环境，终端的设计充分考虑了防水、防腐蚀等要求。

终端设备如图3所示。终端设备同时支持4G全网通通信、LoRa自组网通信等功能，可与北斗卫星系统同时使用，满足电力通信光缆运维的多元化使用需求。

图3 终端设备示意图

终端设备的北斗短报文和北斗定位主要参数如表1、表2所示。

表1 北斗短报文主要参数

表2 北斗定位主要参数

3.2 后台管理中心

基于北斗的光缆定位及故障监测系统的后台管理中心可实现台账管理、定位展现、北斗设备管理、电子围栏、库存管理和工单流程等功能。运维人员可通过后台管理中心获取故障点定位，并将定位进行可视化展示。后台管理中心管理界面如图4所示。

图4 后台管理中心

4 结束语

本文设计的基于北斗的光缆定位及故障监测系统，利用了北斗导航系统的定位及短报文功能，将北斗卫星导航系统与电力通信光缆运维作业深度融合，得以快速准确判断光缆故障点，有效提升了电力通信光缆运维抢修效率。同时，在电力行业之外，本文设计的系统也可用于电信、铁路、石油、公安等各行业、各领域。