0 引言

隨著電網技術的發展,電力通信在電網生產和運營中的作用越來越重要,繼而對通信的業務保障水平提出了更高要求,傳統的事后檢修模式（即出現故障后再檢修的模式）已經無法滿足運維需求。如果能在光傳輸設備或光路出現故障前,或有故障趨勢和故障隱患時就安排隱患排查或計劃檢修,將能進一步提高業務保障水平。

狀態檢修是一種基于設備狀態的檢修模式,它以數據為依據作出檢修決策^[1-2]。光傳輸設備網管系統中存儲大量基礎數據,網管系統本身卻只有業務配置和告警上報功能,并沒有對這些數據進行統計分析,這為科學檢修提供了條件。目前,國內外研究人員已經開展了一些對通信光傳輸網的評估工作,并取得了一定的研究成果。但是,這些研究基本上都是只給出一個是否需要檢修的結論,不能直觀地反映光通信網絡的具體缺陷和薄弱環節,無法為科學檢修指明方向。

為此,國網溫州供電公司研發了通信光傳輸設備狀態評價系統,開展基于大數據的電力通信光傳輸設備狀態評價、性能趨勢分析、故障預警分析等智能化分析研究,提高風險預警與防范的水平,為科學安排運維檢修提供數據支撐。

 1 系統架構

1.1 技術架構

通信光傳輸設備狀態評價系統采用了Hadoop體系與列式數據庫融合架構,具體如圖1所示。

圖1 Hadoop體系與列式數據庫融合架構Fig.1 Integration framework of Hadoop system and column database

1）采用Hadoop體系進行海量數據的處理運算。海量數據的統計匯總,是大數據分析系統的基礎要求^[3-5],而傳統的基于數據庫的數據運算方式要求數據一次裝載后再進行運算,無法滿足對實時海量數據的匯總要求,且運行成本高。將待運算的海量數據實時加載到Hadoop平臺,利用MapReduce框架進行數據的統計、匯總及特征值等運算,可滿足大數據量、高實時性的運算要求。

2）采用列式數據庫進行海量數據的存儲與查詢。列式數據庫按列存儲的特性使數據存儲具有極高的數據壓縮比,單位存儲空間可存儲的數據量是其他存儲方式無法比擬的;列式數據庫具有很高的海量數據檢索查詢效率,可滿足分析應用的查詢要求;同時,列式數據庫本身支持完整的SQL規范,有利于應用的開發與維護。

1.2 功能架構

系統從下到上依次是數據采集層、數據處理層、數據服務層以及應用層,系統功能架構如圖2所示。

圖2 系統功能架構Fig.2 Framework of system function

1）數據采集層。數據采集層主要負責系統基礎數據的提取和收集工作,由配置數據采集、性能數據采集2個模塊組成,從設備廠商專業網管系統中直接采集網元的配置、性能數據。

2）數據處理層。數據處理層主要負責系統基礎數據的存儲、提純和加工工作,由數據清洗、數據預處理、指標計算3個服務和列式數據庫、關系數據庫2個數據庫組成。其中,數據清洗服務主要負責對系統采集的原始數據進行去重和沖突處理;數據預處理服務主要負責對清洗后的原始數據進行歸一化、壓縮和索引化處理;指標計算服務主要負責依據指標模型周期性地從原始數據中抽取基礎數據并進行指標運算,以獲得預期的指標數值;列式數據庫主要用于存儲預處理后的原始數據;關系數據庫主要用于存儲指標數值等加工后的數據。

3）數據服務層。數據服務層主要負責為系統應用功能提供數據檢索和推送服務,由指標發布服務、專題分析服務、專題監視服務和工況監視服務4個服務組成。其中,指標發布服務主要提供指標數值的發布功能,除向系統用戶界面提供數據外,還可通過擴展向其他系統提供指標數據;專題分析服務主要提供專題分析結果的數據檢索能力;專題監視服務主要提供對專題監視內容的數據推送能力;工況監視服務主要提供對系統自身各構件運行情況的監視結果推送能力。

4）應用層。應用層主要負責為用戶提供可視化交互界面,是用戶可直接接觸的系統功能集,主要由設備狀態評估、性能異常統計、專題監視等模塊
組成。

 2 光傳輸設備狀態評價體系

對光傳輸設備進行狀態評價必須準確可信地估計或預測通信網狀況^[6]。根據缺陷性質和概率統計分析,借鑒以往發現、處理缺陷的方法和經驗^[7-11],本文以狀態量的表述方式,通過在線監測技術獲取狀態信息,對全網光傳輸設備進行狀態評估。

通過光接口運行情況、設備級保護、電接口運行情況、設備板卡生命周期等4個方面建立狀態量對光傳輸設備進行評估,并制定評價標準。之所以選定這4個維度作為評價標準,是因為光傳輸網管系統中包含這些數據,且這些數據實時更新,能準確反映設備的狀態信息^[12-14];其次,這4個維度的信息量作為設備狀態評價的指標,已經能較全面地評估出一臺設備的健康程度,可為設備維護提供數據支撐。本文評估涉及的4個方面及其狀態量權重分配主要是基于運維經驗^[15-16],該評分模型可作為一種參考,實際應用中可根據重點關注對象的不同進行權重值調整。

2.1 光接口運行情況

1）儲備電平。光接口實際收光功率不能高于過載光功率,也不能低于接收機靈敏度,否則該光路失效,不能正常通信。在設備投運之初,收光功率基本都能滿足以上條件,隨著運行年限的增加,設備逐步老化,光纜性能也逐步劣化,收光功率會慢慢降低。當收光功率降低到接收機靈敏度及以下時,通信誤碼會增多以致通信中斷。因此,本文提出了儲備電平的概念,儲備電平就是實際收光功率減去光接收機靈敏度。儲備電平可反映光傳輸設備光路的健康程度,因此有必要對儲備電平進行實時監控,當儲備電平值降低到一定區間時給出預警提示。儲備電平概念圖如圖3所示。

圖3 儲備電平概念圖Fig.3 Reserve level concept

2）光接口溫度。對光接口模塊壽命影響最大的因素是光接口溫度,光接口溫度也能一定程度上反映設備的環境溫度以及設備的散熱情況,因此有必要對光接口溫度進行實時監控,當溫度升高到一定區間時給出預警提示。

3）光口誤碼率。誤碼率是數字傳輸系統中最重要的指標,光傳輸系統引起誤碼的因素很多,比如抖動、色散、交叉復用、電磁干擾、設備故障、電源瞬態干擾、人為活動等。按照ITU-T G.826建議指標,對光口的誤塊秒（Errored Second,ES）、嚴重誤塊秒（Severely Errored Second,SES）、不可用秒（Unavailable Time,UAS）、背景誤塊（Background Block Error,BBE）進行監測,根據不同的誤碼類型給出預警提示。

根據以上3個指標,光接口狀態評價標準及評分細則見表1所列。

表1 光接口狀態評價標準及評分細則Tab.1 The state evaluation standard and scoring rubric of the optical interface

2.2 設備級保護

由于電力系統的特殊性,因此對電力通信業務的保障要求特別高,通信設備的任意硬件故障都不允許造成業務中斷。電力光傳輸設備必須具備兩個及以上的光接口板,用來保證光傳輸設備正常運行的重要板卡必須通過硬件保護來實現。重要板卡一般包括主控板、交叉矩陣板、電源板以及電接口板,有必要對這些重要板卡進行實時監測,任意一塊板卡失效時都要給出預警提示。

針對以上4類板卡,提出的設備級保護狀態評價標準及評分細則見表2所列。

表2 設備級保護狀態評價標準及評分細則Tab.2 The state evaluation standard and scoring rubric of the device level protection

2.3 電接口運行情況

鑒于光傳輸設備的重要性,有必要對每條通信通道進行誤碼監測,并列出存在誤碼的通信通道,對誤碼原因進行排查。電接口狀態評價標準及評價細則見表3所列。

表3 電接口狀態評價標準及評價細則Tab.3 The state evaluation standard and scoring rubric of the electrical interface

2.4 設備板卡生命周期

任何電子設備都是有生命周期的,隨著運行年限的增加,設備性能將逐步減低,故障率逐步提高,最后需要報廢更換。電力系統對光傳輸設備的壽命設計年限為10年,將新投運光傳輸設備板卡質量按照滿分100分計算,將10年內板卡分為4檔進行統計,最后取加權平均就是這臺設備的評價得分。板卡質量與運行年限關系如圖4所示。

圖4 板卡質量與運行年限關系Fig.4 The relationship between board quality and operating life

設備級生命周期評價標準及評價細則見表4所列。

表4 設備級生命周期評價標準及評價細則Tab.4 The state evaluation standard and scoring rubric of the device life cycle

 3 根據評估結果生成檢修建議

根據以上設備評分標準,分3檔對設備進行狀態區分：得分≤80分為“異常”,80分<得分≤90分為“注意”,得分>90分為“正常”。然后再根據設備現象安排不同級別檢修,根據檢修的影響程度分為“A類檢修”、“B類檢修”、“C類檢修”、“D類檢修”。檢修分類規則及現象描述見表5所列。

表5 檢修分類規則及現象描述Tab.5 The classification rules and phenomena description of the overhaul

 4 系統應用

國網溫州供電公司通信光傳輸設備狀態評價檢修系統自2016年10月投入試運行以來,共處理狀態檢修工作50余次,計劃外檢修次數顯著減少。

根據