CN114039656B - 一种基于botdr和otdr的opgw故障定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法及装置，属于光纤通信领域，用以解决现有技术中由于不能精确定位杆塔的位置导致故障定位不准确的问题。本发明首先利用BOTDR测量布里渊频移跳变，并结合杆塔明细表中档距、塔高及杆塔类型信息，识别接续点并定位接续杆塔；进一步利用OTDR测量损耗来识别利用BOTDR不能识别到的接续点，从而精确定位所有接续点；对于非接续杆塔定位，根据OPGW光缆内部纤芯受力形态或根据相邻接续杆塔的定位结构获取非接续杆塔位置及其对应的累计光纤长度；最后利用BOTDR或者OTDR测量待测光缆，并结合接续杆塔及非接续杆塔位置及其对应的累计光纤长度判断故障所处杆塔。本发明可以精准定位接续点，为维护和校验杆塔明细表提供重要参考。

Description

一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法及装置

技术领域

本发明属于光纤通信领域，具体涉及一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法及装置。

背景技术

电力OPGW(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纤复合架空地线)光缆是电力通信网的重要信息载体，同时承担着地线功能。由于其架空属性，易受到覆冰、大风舞动、雷击等自然灾害影响，造成光纤衰耗增大或者中断，为电力通信网的安全稳定运行带来了挑战。相关测试结果统计，90％以上的光缆故障发生在接头盒或接头盒所在的杆塔上，因此接续点处光纤长度的识别对于故障的定位具有重要意义。

目前在OPGW光缆检修工作中应用最广泛的检测设备是OTDR(Optical TimeDomain Reflectometer，光时域反射仪)，可以测量OPGW光缆内部纤芯长度和损耗。OPGW光缆由一段段光缆熔接组成整条光缆线路，利用OTDR对OPGW损耗点的测量也可以定位熔接点即接续点，但是由于熔接工艺水平的提升和OTDR长距离测量时动态范围及空间分辨率的局限性，OTDR并不能判断出OPGW光缆线路上的所有接续点，并且存在将衰耗点判定为接续点的问题，所以无法单独用OTDR判定接续点位置。

OPGW线路建设期间都会保存杆塔明细表，用于记录杆塔类型、档距、高差等信息。由于部分线路记录信息未考虑光纤余长、引下线等因素，杆塔明细表中记录的距离与OPGW光缆内光纤实际长度会存在较大偏差，常规做法是通过系数换算推断光纤长度，精度较差。同时，在后期维护过程中存在换线、增塔等现象，杆塔明细表记录的信息可能不准确。

BOTDR(Brillouin optical time-domain reflectometry，布里渊光时域反射技术)利用布里渊频移与温度和应变呈线性关系的原理，可以分布式测量OPGW光缆的温度和应变。由于不同厂家、不同型号、不同批次的光纤初始布里渊频移存在差异，接续杆塔熔接处光纤布里渊频移会出现跳变，BOTDR利用熔接处布里渊频移跳变来定位熔接点。当两根布里渊频移接近的光纤熔接时在熔接点处不会出现明显的布里渊频移跳变，因此，利用单根纤芯布里渊频移跳变定位熔接点存在漏判熔接点的风险。由于利用档距累加和与光纤长度进行计算，若中间存在漏判的熔接点，可能会导致后续所有判断的接续杆塔存在偏差。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法及装置，用以解决现有技术中由于不能精确定位杆塔的位置导致故障定位不准确的问题。

根据本发明一方面，提出一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用BOTDR和OTDR获取接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；具体步骤包括：

步骤一一、利用BOTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量布里渊频移数据，获取基础布里渊频移曲线，所述基础布里渊频移曲线由多段光缆的布里渊频移数据组成；利用OTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量损耗，获取基础损耗数据；

步骤一二、根据基础布里渊频移曲线寻找多段光缆对应的阶跃跳变点，将出现频移跳变的一段光缆的位置记为接续点，将该段光缆对应的布里渊频移数据中频率过渡区的中点记为该接续点处累计光纤长度，从而获取多个接续点和其对应的累计光纤长度；

步骤一三、计算相邻接续点的累计光纤长度的差，获得每段光缆的光纤长度；

步骤一四、根据每段光缆的光纤长度、杆塔明细表中杆塔编号和档距值，将每段光缆的光纤长度和该段光缆对应的起始杆塔后连续多个累计档距值进行比较，确定每个接续点对应的杆塔即为接续杆塔，从而获得接续杆塔的位置编号；所述累计档距值为多个档距值的和；

步骤一五、判断每段光缆对应的累计档距值是否大于预设最大盘长值，若累计档距值大于预设最大盘长值，则根据基础损耗数据进一步判断该段光缆是否存在损耗点，若存在损耗点则该损耗点为增补接续点；

步骤一六、将增补接续点加入到步骤一二获得的多个接续点中，获得总接续点；

步骤一七、对所获得的总接续点执行步骤一三至步骤一四，从而获取所有接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

步骤二、以相邻接续杆塔及其之间的多个连续非接续杆塔及光缆作为一个单元，对一个单元内的多个连续非接续杆塔进行定位，获取非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

步骤三、根据上述接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度，对杆塔上的待测光缆进行故障检测，获得存在故障的杆塔位置编号。

进一步地，步骤一四中累计档距值的计算方法为：定义y_m表示第m-1个杆塔与第m个杆塔之间的档距值，每段光缆对应的累计档距值△SPAN_i为：

式中，N_i、N_i-1表示接续杆塔编号；

将每段光缆的光纤长度和该段光缆对应的起始杆塔后连续多个累计档距值进行比较的方法为：当该段光缆的光纤长度大于该段光缆的前k个杆塔的累计档距值且小于该段光缆的前k+1个杆塔的累计档距值时，确定第k个杆塔为接续杆塔。

进一步地，步骤一四中所述累计档距值为多个档距值的和加上每段光缆首尾两个杆塔的塔高。

进一步地，步骤一中在步骤一七之后还包括步骤一八：根据杆塔明细表中杆塔类型判断步骤一七中确定的接续杆塔是否为耐张塔，若是则保留该接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；若不是则不保留。

进一步地，步骤二的具体步骤包括：

步骤二一、根据应力应变量计算公式计算相邻接续杆塔之间光缆的应力应变量；

步骤二二、比较根据完好纤芯计算获得的基础应力应变量与相邻接续杆塔之间光缆的应力应变量，判断相邻接续杆塔之间的每段光缆是否有明显应变；若有明显应变，则根据悬链线方程曲线将其应力极大值处判定为杆塔位置，从而获得该单元内非接续杆塔塔顶位置，并记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度；所述悬链线方程曲线公式为：

式中，σ₀为一档OPGW光缆中最低点的水平应力，γ为比载，l为档距，

为斜档距与水平方向夹角，x表示水平方向距离，y表示垂直方向距离；

步骤二三、若相邻接续杆塔之间的每段光缆没有明显应变，则估算该单元内非接续杆塔位置，并利用下述公式记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度：

式中，

为第N_i-1+j号非接续杆塔的累计光纤长度；L_i为第N_i号接续杆塔接续点处累计光纤长度；L_i-1为第N_i-1号接续杆塔接续点处累计光纤长度；

为第N_i-1号接续杆塔塔高，

为第N_i号接续杆塔塔高；j为档距个数。

进一步地，步骤二一中应力应变量△ε计算公式如下：

式中，△T表示温度的变化量；△ε表示应力应变量；△v_B表示温度和应变引起的布里渊频移变化量；

和

表示布里渊频移的温度系数和应变系数。

进一步地，步骤三中对杆塔上的待测光缆进行故障检测的步骤包括：利用BOTDR测量待测光缆的布里渊频移数据，并将其和未发生断芯的完好纤芯布里渊频移数据进行比对，根据步骤一和步骤二获得的接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度判断故障所处的杆塔；并根据熔接点阶跃变化的特性以及满足悬链线方程的光缆应变特点评估断点与接续点的位置关系；或者利用OTDR测量待测光缆的长度，根据待测光缆的断点位置结合步骤一和步骤二获得的接续杆塔及非接续杆塔的累计光纤长度，判断故障所处的杆塔。

根据本发明另一方面，提出一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位装置，该装置包括：

接续杆塔定位模块，用于利用BOTDR和OTDR获取接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

非接续杆塔定位模块，用于以相邻接续杆塔及其之间的多个连续非接续杆塔及光缆作为一个单元，根据不存在断芯的OPGW光缆纤芯的基础应力应变量，对一个单元内的多个连续非接续杆塔进行定位，获取非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

故障定位模块，用于根据接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度，对杆塔上的待测光缆进行故障检测，获得存在故障的杆塔位置；包括利用BOTDR测量待测光缆的布里渊频移数据，并将其和未发生断芯的完好纤芯布里渊频移数据进行比对，根据接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度判断故障所处的杆塔；并根据熔接点阶跃变化的特性以及满足悬链线方程的光缆应变特点评估断点与接续点的位置关系；或者利用OTDR测量待测光缆的长度，根据待测光缆的断点位置结合接续杆塔及非接续杆塔的累计光纤长度，判断故障所处的杆塔。

进一步地，所述接续杆塔定位模块中利用BOTDR和OTDR获取接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度的具体步骤包括：

步骤一一、利用BOTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量布里渊频移数据，获取基础布里渊频移曲线，所述基础布里渊频移曲线由多段光缆的布里渊频移数据组成；利用OTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量损耗，获取基础损耗数据；

步骤一二、根据基础布里渊频移曲线寻找多段光缆对应的阶跃跳变点，将出现频移跳变的一段光缆的位置记为接续点，将该段光缆对应的布里渊频移数据中频率过渡区的中点记为该接续点处累计光纤长度，从而获取多个接续点和其对应的累计光纤长度；

步骤一三、计算相邻接续点的累计光纤长度的差，获得每段光缆的光纤长度；

步骤一四、根据每段光缆的光纤长度、杆塔明细表中杆塔编号和档距值，将每段光缆的光纤长度和该段光缆对应的起始杆塔后连续多个累计档距值进行比较，当该段光缆的光纤长度大于该段光缆的前k个杆塔的累计档距值且小于该段光缆的前k+1个杆塔的累计档距值时，确定第k个杆塔为接续杆塔；所述累计档距值为多个档距值的和，其计算方法为：定义y_m表示第m-1个杆塔与第m个杆塔之间的档距值，每段光缆对应的累计档距值△SPAN_i为：

式中，N_i、N_i-1表示接续杆塔编号；从而获得接续杆塔的位置编号；

步骤一五、判断每段光缆对应的累计档距值是否大于预设最大盘长值，若累计档距值大于预设最大盘长值，则根据基础损耗数据进一步判断该段光缆是否存在损耗点，若存在损耗点则该损耗点为增补接续点；

步骤一六、将增补接续点加入到步骤一二获得的多个接续点中，获得总接续点；

步骤一七、对所获得的总接续点执行步骤一三至步骤一四，从而获取所有接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

步骤一八、根据杆塔明细表中杆塔类型判断步骤一七中确定的接续杆塔是否为耐张塔，若是则保留该接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；若不是则不保留。

进一步地，所述非接续杆塔定位模块中获取非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度的具体步骤包括：

步骤二一、根据应力应变量计算公式计算相邻接续杆塔之间光缆的应变量；其中，应力应变量△ε计算公式如下：

式中，△T表示温度的变化量；△ε表示应力应变量；△v_B表示温度和应变引起的布里渊频移变化量；

和

表示布里渊频移的温度系数和应变系数；

步骤二二、比较根据完好纤芯计算获得的基础应力应变量与相邻接续杆塔之间光缆的应力应变量，判断相邻接续杆塔之间的每段光缆是否有明显应变；若有明显应变，则根据悬链线方程曲线将其应力极大值处判定为杆塔位置，从而获得该单元内非接续杆塔塔顶位置，并记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度；所述悬链线方程曲线公式为：

式中，σ₀为一档OPGW光缆中最低点的水平应力，γ为比载，l为档距，

为斜档距与水平方向夹角，x表示水平方向距离，y表示垂直方向距离；

步骤二三、若相邻接续杆塔之间的每段光缆没有明显应变，则估算该单元内非接续杆塔位置，并利用下述公式记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度：

式中，

为第N_i-1+j号非接续杆塔的累计光纤长度；L_i为第N_i号接续杆塔接续点处累计光纤长度；L_i-1为第N_i-1号接续杆塔接续点处累计光纤长度；

为第N_i-1号接续杆塔塔高，

为第N_i号接续杆塔塔高；j为档距个数。

本发明的有益技术效果是：

本发明首先利用BOTDR测量布里渊频移跳变，并结合杆塔明细表中的档距、塔高以及杆塔类型，识别熔接点即接续点并定位接续杆塔；进一步通过利用OTDR测量损耗来识别利用BOTDR不能识别到的接续点，从而精确定位接续点及接续杆塔；对于非接续杆塔定位，根据OPGW光缆内部纤芯的受力形态判断非接续杆塔处的累计光纤长度或根据相邻两个接续杆塔的定位结果进行计算预判其间各个杆塔处的累计光纤长度，从而获取全部杆塔即包括接续杆塔和非接续杆塔的累计光纤长度数据库；最后利用BOTDR测量待测光缆的布里渊频移数据并将其和完好纤芯的布里渊频移数据进行比对，或者利用OTDR测量待测光缆的长度，根据待测光缆的断点位置结合获得的接续杆塔及非接续杆塔的累计光纤长度，判断故障所处的杆塔。

根据本发明方法定位所有杆塔位置并建立杆塔与累计光纤长度的数据库，对于后期的系统维护具有重大作用，进一步在后期维护中仅利用OTDR测试断点长度，通过与数据库进行比对即可实现精确地故障定位，方法简单易操作。本发明精确度高，避免了利用系数换算的传统方法带来的累计误差；可以精准定位熔接点，对线路检修提供了极大的便利，为维护和校验杆塔明细表提供重要参考。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。

图1示出了本发明中接续杆塔定位的一种示例性处理的流程图；

图2示出了本发明中非接续杆塔定位的一种示例性处理的流程图；

图3示出了本发明实施例中基于悬链线曲线形态进行非接续杆塔定位示意图，图中：1-布里渊频移、2-真实比例杆塔图；

图4示出了本发明实施例中基于BOTDR和OTDR的接续杆塔定位的原理示意图，其中，图(a)表示定位的接续杆塔及其对应的纤芯布里渊频移；图(b)表示包含纤芯损耗事件的整体示意图；

图5示出了本发明实施例中基于BOTDR和OTDR的杆塔故障定位的整体原理示意图，其中，图(a)表示利用BOTDR接续杆塔定位图，图(b)表示接续点处故障定位图，图(c)表示档距中故障定位图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，在下文中将结合附图对本发明的示范性实施方式或实施例进行描述。显然，所描述的实施方式或实施例仅仅是本发明一部分的实施方式或实施例，而不是全部的。基于本发明中的实施方式或实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式或实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明提出一种利用OPGW光缆内多根空余纤芯，结合杆塔明细表中档距、高差、耐张塔属性以及OTDR损耗点信息实现熔接点精确判定和定位的方法，从而实现接续点处故障定位。进一步对于非接续杆塔附近发生的故障，根据OPGW光缆内部纤芯的受力形态判断非接续杆塔处光纤的累计长度或根据相邻两个接续杆塔的定位结果进行计算预判期间各个杆塔处的累计光纤长度，实现全部杆塔与光纤累计长度的数据库，从而实现故障的精确定位。

本发明实施例提供一种输电线路OPGW光缆故障定位方法，主要包括三部分：第一部分为熔接点和接续杆塔定位，第二部分为非接续杆塔定位，第三部分为故障定位；其中，第一部分熔接点判定和接续杆塔定位方法，如图1所示，具体步骤包括：

步骤1、在变电站通信机房选取OPGW光缆的空余纤芯，使用OTDR和BOTDR分别测试空余纤芯的损耗和布里渊频移数据，并按芯号保存，获取基础布里渊频移曲线和基础损耗数据，基础布里渊频移曲线由多段光缆的布里渊频移数据组成。其中，选取的纤芯可以是没有业务占用的空余纤芯，应测试所有空余纤芯的长度和损耗，并识别损耗点、断芯等主要事件点信息。

步骤2、利用步骤1测得的多根纤芯布里渊频移数据寻找阶跃跳变点，若其中一根纤芯出现频移跳变，则记录为接续点，将上升沿或者下降沿的中点即频率过渡区的中点记为接续点处累计光纤长度x_i(i＝0,1,…,N)，其中测试点的ODF架光纤长度记为x₀＝0。

根据本发明实施例，应测试所有空余纤芯的长度和布里渊频移，使用布里渊频移跳变可以准确识别熔接点，但在布里渊频移接近时无法识别熔接点，导致漏掉部分接续杆塔，由于两段布里渊频移接近的光纤熔接后不会出现台阶状跳变点，需要对比多根纤芯布里渊频移，出现一处布里渊频移跳变就可以判定此处为熔接点，尽量多的布里渊频移数据可以更准确识别布里渊频移跳变点，使接续杆塔定位更加准确。将上升沿或者下降沿的中点记为熔接点处累计光纤长度x_i(i＝0,1…,N)，其中测试起始端ODF架处记为x₀＝0。

步骤3、计算每相邻两个接续点的光纤长度△L_i＝x_i+1-x_i(i＝0,1,…,N-1)，其中△L₀为测试端构架到ODF架的长度，记录起始点构架为第0个接续杆塔，N₀＝0，对应的光纤长度为△L₀＝x₁-x₀。

根据本发明实施例，计算相邻接续点的光纤长度时测试起始端为ODF架，沟道中铺设的导引光缆在门型构架与OPGW光缆熔接，该门型构架记为第0个接续杆塔，第1段光纤长度为△L₀＝x₁-x₀。

步骤4、根据杆塔明细表中的档距y_m(m＝1,…,M)计算累计档距，y₁为测试端构架至出站第一基杆塔间的档距，计算各段光纤累计档距，若

其中i＝1,2,…N-1，则初步判定第i个接续杆塔为N_i＝N_i-1+k，

为第N_i-1号接续杆塔的塔高，累计档距为

进一步解释为：当一段光缆的光纤长度大于该段光缆的前k个杆塔的累计档距值且小于该段光缆的前k+1个杆塔的累计档距值时，确定第k个杆塔为接续杆塔；确定每个接续点对应的杆塔即为接续杆塔，从而获得接续杆塔的位置编号。

根据本发明实施例，结合杆塔信息表中的档距和杆塔高度计算累计档距，由于OPGW光缆在接续杆塔处熔接，通常两侧会留有一定的余缆，能够满足光缆可以放至地面进行熔接，并留有一定余量，这里近似取为杆塔高度。通常由于弧垂、余长的存在光纤会长于累计档距，据此初步判断接续杆塔。例如第10段光缆对应接续杆塔号为100和110，其光纤长度为△L₁₀，其中，y_m为小号侧档距，档距和塔高总和为△SPAN₁₀＝y₁₀₁+y₁₀₂+…+y₁₁₀+H₁₀₀+H₁₁₀。

步骤5、判断△SPAN_i是否大于6km。

根据本发明实施例，判断累计档距是否大于最大盘长，由于OPGW光缆是由一段段光缆熔接而成，通常根据OPGW光缆的截面大小来确定盘长，小截面的OPGW光缆大盘长可以做到6.5km，截面大的OPGW光缆最大盘长一般可以做到5.5km，该阈值可以根据具体情况设定，此处选取6km。由于两端接续的光缆布里渊频移有可能一致，因此设定该判断条件，若过长距离没有接续点，则利用后续步骤进行接续点的增补，降低漏判率。

步骤6、若△SPAN_i大于6km，判断在x_i至x_i+1之间OTDR是否存在损耗点。

根据本发明实施例，使用OTDR补充判定熔接点，根据步骤5判定的累计档距大于最大盘长，判定OTDR多根纤芯测量结果中在此长度内是否有熔接损耗事件。

步骤7、若x_i至x_i+1之间OTDR存在损耗点，将损耗点判定为接续点，在x_i和x_i+1之间插入新的光纤长度成为新的x_i+1，原x_i+1标号后移，实现接续点的增补，并转到步骤3。

根据本发明实施例，使用OTDR补充判定熔接点，根据步骤6判定该段光缆中间存在未被识别的接续点，由于接续杆塔处布里渊频移接近时，无法通过布里渊频移跳变来判定熔接点，此时可以观察OTDR多根纤芯测量结果中在此处是否有熔接损耗事件，来补充判定熔接点。

步骤8、若△SPAN_i小于6km，或步骤6中x_i至x_i+1之间OTDR无纤芯存在损耗点，判断第N_i个杆塔是否为耐张塔，如果是耐张塔则转到步骤9，如果不是耐张塔转到步骤10。

根据本发明实施例，若累计档距小于最大盘长，或步骤6中x_i至x_i+1之间OTDR无纤芯存在损耗点，则判断第N_i个杆塔是否为耐张塔。因为在OPGW光缆线路中通常在耐张塔进行接续点熔接，而并非所有的耐张塔上都有接续盒，若线路记载资料无任何接续杆塔的记录，可利用耐张塔进行属性判断，若线路中接续杆塔的塔号有部分记录，则直接利用接续杆塔进行校验。

步骤9、确认第N_i号杆塔为第i个接续杆塔，并记录累计光纤长度L_i。

根据本发明实施例，接续杆塔编号的确认，若步骤8中判定的接续杆塔为耐张塔，则进行确认，该杆塔为接续杆塔，并记录该杆塔处累计光纤长度。

步骤10、判断N_i+1是否为耐张塔，如果不是耐张塔，转到步骤9。

根据本发明实施例，根据步骤8判定的结果，若第N_i个杆塔不是耐张塔，判断N_i+1号杆塔是否为耐张塔，若是则进入步骤11，若不是则进入步骤9。

步骤11、如果第N_i+1个杆塔是耐张塔，则判断其为接续杆塔，更新N_i值，N_i＝N_i+1，并重新计算L_i。

根据本发明实施例，根据步骤10判定的结果，若N_i+1号杆塔为耐张塔，则判断其为接续杆塔，并更新N_i＝N_i+1，计算光纤累计长度，转入步骤12。

步骤12、重复步骤1-11，直到计算出所有的接续杆塔编号与累计光纤长度，写入数据库。

根据本发明实施例，根据步骤1～11，逐步迭代，直至所有的接续杆塔均被识别出，记录接续杆塔编号以及累计光纤长度，并写入数据库。

如图2所示，第二部分非接续杆塔定位的具体步骤包括：

步骤1、获取上述第一部分所得的接续杆塔与光纤累计长度的数据库。

根据本发明实施例，以第一部分接续杆塔定位的结果为基础，每两个相邻的接续杆塔N_i-1和N_i间的光缆段作为一个研究单元，包含两个接续杆塔及其中间多个连续的非接续杆塔，第i-1个接续杆塔处(杆塔编号为N_i-1)的累计光纤长度记为L_i-1，第i个接续杆塔处(杆塔编号为N_i)的累计光纤长度记为L_i。

步骤2、根据1根完好纤芯计算应力应变，获得基础应力应变量。

根据本发明实施例，布里渊频移与温度和应变成线性关系，通过下述式(1)转换为应变数据：

式中，△T为温度的变化量，△ε为应力的变化量(应变量)，△v_B为温度和应变引起的布里渊频移变化量，

和

为布里渊频移的温度系数和应变系数，例如可以分别为1.12MHz/℃和0.0482MHz/με，选取引下线(引下线也即为了熔接而从杆塔顶部引下的光缆)处或者线路中平坦区域的光纤布里渊频移作为温度参考点，实现应变与温度的分离。

步骤3、判断各段光缆是否受力。

根据本发明实施例，根据步骤2获得的基础应力应变量，分别判断各个光缆段是否有明显应变，例如判断应变量是否均大于0.02％。

步骤4、如果受力有应变，根据悬链线方程曲线判断各个杆塔处的累计光纤长度，记录所有杆塔的累计光纤长度，存入数据库。

根据本发明实施例，根据步骤3判定的结果，如果有应变，利用悬链线方程曲线(2)判别各个杆塔塔顶位置，根据悬链线方程可知，一档OPGW光缆悬挂点处的应力最大，将悬链线方程曲线的应力极大值处判定为杆塔位置，并记录杆塔处的光纤长度。

其中，σ₀为一档OPGW光缆中最低点的水平应力，γ为比载，l为档距，

为斜档距与水平方向夹角，x表示水平方向距离，y表示垂直方向距离。图3示出了基于悬链线曲线形态进行非接续杆塔定位图。

步骤5、如果不受力无应变，估算各杆塔处光纤的长度，记录所有杆塔的累计光纤长度，存入数据库。

根据本发明实施例，根据步骤3判定的结果，如果无应变，利用公式(3)估算各个杆塔所在位置，并记录杆塔处的光纤长度，公式(3)为：

式中，

为第N_i-1+j号杆塔的累计光纤长度，L_i-1为第N_i-1号杆塔(即接续杆塔)熔接点处光纤累计长度，L_i为第N_i号杆塔(即接续杆塔)熔接点处光纤累计长度，

为第N_i-1号杆塔(即接续杆塔)塔高，

为第N_i号杆塔(即接续杆塔)塔高，j为档距个数。

第三部分故障定位方法包括两种方法：第一种方法是利用OTDR测试结果进行定位，第二种是利用BOTDR测试结果定位。

第一种方法：利用OTDR求取断点的长度，根据第一部分和第二部分得出的杆塔与光纤长度的对应关系，根据OTDR测量的断点长度与各杆塔的累计光纤长度进行对比，判断故障所处的杆塔。

第二种方法：利用BOTDR测得断芯的布里渊频移和未断纤的完好纤芯布里渊频移进行比对，根据第一部分和第二部分结果判断故障所处的杆塔，并根据熔接点阶跃变化的特性以及悬链线方程的特点评估断点与接续点的位置关系。

本发明OTDR测量的是OPGW光缆内光纤的长度，由于光纤余长、线路弧垂、引下线等因素的影响，OTDR的测量距离与接续杆塔档距之间存在差异，这会对故障点检修带来影响，本发明可以精准定位熔接点，对线路检修提供了极大的便利；OPGW线路在后期维护过程中存在换线、增塔等现象，杆塔明细表记录的信息可能不准确，这对线路检修和运维产生较大影响，利用BOTDR测量布里渊频移跳变，结合杆塔明细表中的档距、塔高以及杆塔属性信息，可以识别熔接点并定位接续杆塔，配合OTDR利用衰耗事件点对熔接点进行增补，为维护和校验杆塔明细表提供重要参考。

利用BOTDR和OTDR判断熔接点与接续杆塔，并根据杆塔明细表中的档距、塔高信息或OPGW光缆的悬挂曲线方程计算各个杆塔处的累计光纤长度，建立杆塔与累计光纤长度的数据库，各光缆段计算均以相邻两个接续杆塔处的光纤长度为依据，精确度高，避免了利用系数换算的传统方法带来的累计误差。

杆塔与累计光纤长度的数据库建立后对于后期的系统维护具有重大作用，后期维护中仅利用OTDR测试断点长度，通过与数据库进行比对即可实现精确地故障定位，方法简单易操作。对于精确更高的故障定位需求，可以通过BOTDR采集故障纤芯与完好纤芯的布里渊频移，通过接续点的阶跃属性以及悬挂方程判断断点的精确位置。

进一步通过实验验证本发明的技术效果。对东北三省23个500kv站点、33条线路、上百条纤芯进行测试，测试结果表明，在无需现场踏勘的情况下，本发明方法准确率高达95％以上。且BOTDR和OTDR利用空余纤芯即可完成在线熔接点判定和接续杆塔定位，无需停电，测试方法经济有效。

如图4所示，共有25个熔接杆塔，使用OTDR17芯数据识别到16个熔接杆塔，识别率为64％；使用OTDR21芯数据识别到16个熔接杆塔，识别率为64％，并含有2个非熔接点的大损耗点；使用OTDR24芯数据识别到13个熔接杆塔，识别率为52％；使用BOTDR17芯、21芯、24芯数据识别到22个熔接杆塔，识别率为88％；使用本发明可以识别到25个熔接杆塔，识别率为100％。

利用BOTDR对四川某线故障定位，快速准确的识别了三处故障点，定位精度100％，一次数据采集即可建立光纤长度与杆塔的数据库，后续故障定位均可实现秒级响应速率，米级定位精度，直接定位出故障所处杆塔。如图5所示，线路AB共三处故障，使用BOTDR准确的判别了3个故障点，识别率100％。

本发明另一实施例提供一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位装置，该装置包括：

接续杆塔定位模块，用于利用BOTDR和OTDR获取接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

非接续杆塔定位模块，用于以相邻接续杆塔及其之间的多个连续非接续杆塔及光缆作为一个单元，根据不存在断芯的OPGW光缆纤芯的基础应力应变量，对一个单元内的多个连续非接续杆塔进行定位，获取非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

故障定位模块，用于根据接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度，对杆塔上的待测光缆进行故障检测，获得存在故障的杆塔位置；包括利用BOTDR测量待测光缆的布里渊频移数据，并将其和未发生断芯的完好纤芯布里渊频移数据进行比对，根据接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度判断故障所处的杆塔；并根据熔接点阶跃变化的特性以及满足悬链线方程的光缆应变特点评估断点与接续点的位置关系；或者利用OTDR测量待测光缆的长度，根据待测光缆的断点位置结合接续杆塔及非接续杆塔的累计光纤长度，判断故障所处的杆塔。

其中，接续杆塔定位模块中利用BOTDR和OTDR获取接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度的具体步骤包括：

步骤一一、利用BOTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量布里渊频移数据，获取基础布里渊频移曲线，基础布里渊频移曲线由多段光缆的布里渊频移数据组成；利用OTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量损耗，获取基础损耗数据；

步骤一二、根据基础布里渊频移曲线寻找多段光缆对应的阶跃跳变点，将出现频移跳变的一段光缆的位置记为接续点，将该段光缆对应的布里渊频移数据中频率过渡区的中点记为该接续点处累计光纤长度，从而获取多个接续点和其对应的累计光纤长度；

步骤一三、计算相邻接续点的累计光纤长度的差，获得每段光缆的光纤长度；

步骤一四、根据每段光缆的光纤长度、杆塔明细表中杆塔编号和档距值，将每段光缆的光纤长度和该段光缆对应的起始杆塔后连续多个累计档距值进行比较，当该段光缆的光纤长度大于该段光缆的前k个杆塔的累计档距值且小于该段光缆的前k+1个杆塔的累计档距值时，确定第k个杆塔为接续杆塔；所述累计档距值为多个档距值的和，其计算方法为：定义y_m表示第m-1个杆塔与第m个杆塔之间的档距值，每段光缆对应的累计档距值△SPAN_i为：

式中，N_i、N_i-1表示接续杆塔编号；从而获得接续杆塔的位置编号；

步骤一五、判断每段光缆对应的累计档距值是否大于预设最大盘长值，若累计档距值大于预设最大盘长值，则根据基础损耗数据进一步判断该段光缆是否存在损耗点，若存在损耗点则该损耗点为增补接续点；

步骤一六、将增补接续点加入到步骤一二获得的多个接续点中，获得总接续点；

步骤一七、对所获得的总接续点执行步骤一三至步骤一四，从而获取所有接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

步骤一八、根据杆塔明细表中杆塔类型判断步骤一七中确定的接续杆塔是否为耐张塔，若是则保留该接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；若不是则不保留。

其中，非接续杆塔定位模块中获取非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度的具体步骤包括：

步骤二一、根据应力应变量计算公式计算相邻接续杆塔之间光缆的应变量；其中，应力应变量△ε计算公式如下：

式中，△T表示温度的变化量；△ε表示应力应变量；△v_B表示温度和应变引起的布里渊频移变化量；

和

表示布里渊频移的温度系数和应变系数；

步骤二二、比较根据完好纤芯计算获得的基础应力应变量与相邻接续杆塔之间光缆的应力应变量，判断相邻接续杆塔之间的每段光缆是否有明显应变；若有明显应变，则根据悬链线方程曲线将其应力极大值处判定为杆塔位置，从而获得该单元内非接续杆塔塔顶位置，并记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度；悬链线方程曲线公式为：

式中，s₀为一档OPGW光缆中最低点的水平应力，γ为比载，l为档距，

为斜档距与水平方向夹角，x表示水平方向距离，y表示垂直方向距离；

步骤二三、若相邻接续杆塔之间的每段光缆没有明显应变，则估算该单元内非接续杆塔位置，并利用下述公式记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度：

式中，

为第N_i-1+j号非接续杆塔的累计光纤长度；L_i为第N_i号接续杆塔接续点处累计光纤长度；L_i-1为第N_i-1号接续杆塔接续点处累计光纤长度；

为第N_i-1号接续杆塔塔高，

为第N_i号接续杆塔塔高；j为档距个数。

本发明实施例所述一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位装置的功能可以由前述一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法说明，因此本实施例未详述部分，可参见以上方法实施例，在此不再赘述。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、利用BOTDR和OTDR获取接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；具体步骤包括：

步骤一一、利用BOTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量布里渊频移数据，获取基础布里渊频移曲线，所述基础布里渊频移曲线由多段光缆的布里渊频移数据组成；利用OTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量损耗，获取基础损耗数据；

步骤一二、根据基础布里渊频移曲线寻找多段光缆对应的阶跃跳变点，将出现频移跳变的一段光缆的位置记为接续点，将该段光缆对应的布里渊频移数据中频率过渡区的中点记为该接续点处累计光纤长度，从而获取多个接续点和其对应的累计光纤长度；

步骤一三、计算相邻接续点的累计光纤长度的差，获得每段光缆的光纤长度；

步骤一四、根据每段光缆的光纤长度、杆塔明细表中杆塔编号和档距值，将每段光缆的光纤长度和该段光缆对应的起始杆塔后连续多个累计档距值进行比较，确定每个接续点对应的杆塔即为接续杆塔，从而获得接续杆塔的位置编号；所述累计档距值为多个档距值的和；

步骤一五、判断每段光缆对应的累计档距值是否大于预设最大盘长值，若累计档距值大于预设最大盘长值，则根据基础损耗数据进一步判断该段光缆是否存在损耗点，若存在损耗点则该损耗点为增补接续点；

步骤一六、将增补接续点加入到步骤一二获得的多个接续点中，获得总接续点；

步骤一七、对所获得的总接续点执行步骤一三至步骤一四，从而获取所有接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

步骤二、以相邻接续杆塔及其之间的多个连续非接续杆塔及光缆作为一个单元，对一个单元内的多个连续非接续杆塔进行定位，获取非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

步骤三、根据上述接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度，对杆塔上的待测光缆进行故障检测，获得存在故障的杆塔位置编号。

2.根据权利要求1所述的一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法，其特征在于，步骤一四中累计档距值的计算方法为：定义y_m表示第m-1个杆塔与第m个杆塔之间的档距值，每段光缆对应的累计档距值ΔSPAN_i为：

式中，N_i、N_i-1表示接续杆塔编号；

将每段光缆的光纤长度和该段光缆对应的起始杆塔后连续多个累计档距值进行比较的方法为：当该段光缆的光纤长度大于该段光缆的前k个杆塔的累计档距值且小于该段光缆的前k+1个杆塔的累计档距值时，确定第k个杆塔为接续杆塔。

3.根据权利要求2所述的一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法，其特征在于，步骤一中在步骤一七之后还包括步骤一八：根据杆塔明细表中杆塔类型判断步骤一七中确定的接续杆塔是否为耐张塔，若是则保留该接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；若不是则不保留。

4.根据权利要求3所述的一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法，其特征在于，步骤二的具体步骤包括：

步骤二一、根据应力应变量计算公式计算相邻接续杆塔之间光缆的应力应变量；

步骤二二、比较根据完好纤芯计算获得的基础应力应变量与相邻接续杆塔之间光缆的应力应变量，判断相邻接续杆塔之间的每段光缆是否有明显应变；若有明显应变，则根据悬链线方程曲线将其应力极大值处判定为杆塔位置，从而获得该单元内非接续杆塔塔顶位置，并记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度；所述悬链线方程曲线公式为：

式中，σ₀为一档OPGW光缆中最低点的水平应力，γ为比载，l为档距，

为斜档距与水平方向夹角，x表示水平方向距离，y表示垂直方向距离；

步骤二三、若相邻接续杆塔之间的每段光缆没有明显应变，则估算该单元内非接续杆塔位置，并利用下述公式记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度：

式中，

为第N_i-1+j号非接续杆塔的累计光纤长度；L_i为第N_i号接续杆塔接续点处累计光纤长度；L_i-1为第N_i-1号接续杆塔接续点处累计光纤长度；

为第N_i-1号接续杆塔塔高，

为第N_i号接续杆塔塔高；j为档距个数。

5.根据权利要求4所述的一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法，其特征在于，步骤二一中应力应变量Δε计算公式如下：

式中，ΔT表示温度的变化量；Δε表示应力应变量；Δv_B表示温度和应变引起的布里渊频移变化量；

和

表示布里渊频移的温度系数和应变系数。

6.根据权利要求5所述的一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位方法，其特征在于，步骤三中对杆塔上的待测光缆进行故障检测的步骤包括：利用BOTDR测量待测光缆的布里渊频移数据，并将其和未发生断芯的完好纤芯布里渊频移数据进行比对，根据步骤一和步骤二获得的接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度判断故障所处的杆塔；并根据熔接点阶跃变化的特性以及满足悬链线方程的光缆应变特点评估断点与接续点的位置关系；或者利用OTDR测量待测光缆的长度，根据待测光缆的断点位置结合步骤一和步骤二获得的接续杆塔及非接续杆塔的累计光纤长度，判断故障所处的杆塔。

7.一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位装置，其特征在于，包括：

接续杆塔定位模块，用于利用BOTDR和OTDR获取接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；具体步骤包括：

步骤一一、利用BOTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量布里渊频移数据，获取基础布里渊频移曲线，所述基础布里渊频移曲线由多段光缆的布里渊频移数据组成；利用OTDR对多根OPGW光缆空余纤芯测量损耗，获取基础损耗数据；

步骤一二、根据基础布里渊频移曲线寻找多段光缆对应的阶跃跳变点，将出现频移跳变的一段光缆的位置记为接续点，将该段光缆对应的布里渊频移数据中频率过渡区的中点记为该接续点处累计光纤长度，从而获取多个接续点和其对应的累计光纤长度；

步骤一三、计算相邻接续点的累计光纤长度的差，获得每段光缆的光纤长度；

步骤一四、根据每段光缆的光纤长度、杆塔明细表中杆塔编号和档距值，将每段光缆的光纤长度和该段光缆对应的起始杆塔后连续多个累计档距值进行比较，当该段光缆的光纤长度大于该段光缆的前k个杆塔的累计档距值且小于该段光缆的前k+1个杆塔的累计档距值时，确定第k个杆塔为接续杆塔；所述累计档距值为多个档距值的和，其计算方法为：定义y_m表示第m-1个杆塔与第m个杆塔之间的档距值，每段光缆对应的累计档距值ΔSPAN_i为：

式中，N_i、N_i-1表示接续杆塔编号；从而获得接续杆塔的位置编号；

步骤一五、判断每段光缆对应的累计档距值是否大于预设最大盘长值，若累计档距值大于预设最大盘长值，则根据基础损耗数据进一步判断该段光缆是否存在损耗点，若存在损耗点则该损耗点为增补接续点；

步骤一六、将增补接续点加入到步骤一二获得的多个接续点中，获得总接续点；

步骤一七、对所获得的总接续点执行步骤一三至步骤一四，从而获取所有接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

步骤一八、根据杆塔明细表中杆塔类型判断步骤一七中确定的接续杆塔是否为耐张塔，若是则保留该接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；若不是则不保留；

非接续杆塔定位模块，用于以相邻接续杆塔及其之间的多个连续非接续杆塔及光缆作为一个单元，根据不存在断芯的OPGW光缆纤芯的基础应力应变量，对一个单元内的多个连续非接续杆塔进行定位，获取非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度；

故障定位模块，用于根据接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度，对杆塔上的待测光缆进行故障检测，获得存在故障的杆塔位置；包括利用BOTDR测量待测光缆的布里渊频移数据，并将其和未发生断芯的完好纤芯布里渊频移数据进行比对，根据接续杆塔及非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度判断故障所处的杆塔；并根据熔接点阶跃变化的特性以及满足悬链线方程的光缆应变特点评估断点与接续点的位置关系；或者利用OTDR测量待测光缆的长度，根据待测光缆的断点位置结合接续杆塔及非接续杆塔的累计光纤长度，判断故障所处的杆塔。

8.根据权利要求7所述的一种基于BOTDR和OTDR的OPGW故障定位装置，其特征在于，所述非接续杆塔定位模块中获取非接续杆塔的位置编号及其对应的累计光纤长度的具体步骤包括：

步骤二一、根据应力应变量计算公式计算相邻接续杆塔之间光缆的应变量；其中，应力应变量Δε计算公式如下：

式中，ΔT表示温度的变化量；Δε表示应力应变量；Δv_B表示温度和应变引起的布里渊频移变化量；

和

表示布里渊频移的温度系数和应变系数；

步骤二二、比较根据完好纤芯计算获得的基础应力应变量与相邻接续杆塔之间光缆的应力应变量，判断相邻接续杆塔之间的每段光缆是否有明显应变；若有明显应变，则根据悬链线方程曲线将其应力极大值处判定为杆塔位置，从而获得该单元内非接续杆塔塔顶位置，并记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度；所述悬链线方程曲线公式为：

式中，σ₀为一档OPGW光缆中最低点的水平应力，γ为比载，l为档距，

为斜档距与水平方向夹角，x表示水平方向距离，y表示垂直方向距离；

步骤二三、若相邻接续杆塔之间的每段光缆没有明显应变，则估算该单元内非接续杆塔位置，并利用下述公式记录每个非接续杆塔处的累计光纤长度：

式中，

为第N_i-1+j号非接续杆塔的累计光纤长度；L_i为第N_i号接续杆塔接续点处累计光纤长度；L_i-1为第N_i-1号接续杆塔接续点处累计光纤长度；

为第N_i-1号接续杆塔塔高，

为第N_i号接续杆塔塔高；j为档距个数。

Images