光传输设备状态评价系统的研发及应用

0 引言

随着电网技术的发展,电力通信在电网生产和运营中的作用越来越重要,继而对通信的业务保障水平提出了更高要求,传统的事后检修模式（即出现故障后再检修的模式）已经无法满足运维需求。如果能在光传输设备或光路出现故障前,或有故障趋势和故障隐患时就安排隐患排查或计划检修,将能进一步提高业务保障水平。

状态检修是一种基于设备状态的检修模式,它以数据为依据作出检修决策^[1-2]。光传输设备网管系统中存储大量基础数据,网管系统本身却只有业务配置和告警上报功能,并没有对这些数据进行统计分析,这为科学检修提供了条件。目前,国内外研究人员已经开展了一些对通信光传输网的评估工作,并取得了一定的研究成果。但是,这些研究基本上都是只给出一个是否需要检修的结论,不能直观地反映光通信网络的具体缺陷和薄弱环节,无法为科学检修指明方向。

为此,国网温州供电公司研发了通信光传输设备状态评价系统,开展基于大数据的电力通信光传输设备状态评价、性能趋势分析、故障预警分析等智能化分析研究,提高风险预警与防范的水平,为科学安排运维检修提供数据支撑。

 1 系统架构

1.1 技术架构

通信光传输设备状态评价系统采用了Hadoop体系与列式数据库融合架构,具体如图1所示。

图1 Hadoop体系与列式数据库融合架构Fig.1 Integration framework of Hadoop system and column database

1）采用Hadoop体系进行海量数据的处理运算。海量数据的统计汇总,是大数据分析系统的基础要求^[3-5],而传统的基于数据库的数据运算方式要求数据一次装载后再进行运算,无法满足对实时海量数据的汇总要求,且运行成本高。将待运算的海量数据实时加载到Hadoop平台,利用MapReduce框架进行数据的统计、汇总及特征值等运算,可满足大数据量、高实时性的运算要求。

2）采用列式数据库进行海量数据的存储与查询。列式数据库按列存储的特性使数据存储具有极高的数据压缩比,单位存储空间可存储的数据量是其他存储方式无法比拟的;列式数据库具有很高的海量数据检索查询效率,可满足分析应用的查询要求;同时,列式数据库本身支持完整的SQL规范,有利于应用的开发与维护。

1.2 功能架构

系统从下到上依次是数据采集层、数据处理层、数据服务层以及应用层,系统功能架构如图2所示。

图2 系统功能架构Fig.2 Framework of system function

1）数据采集层。数据采集层主要负责系统基础数据的提取和收集工作,由配置数据采集、性能数据采集2个模块组成,从设备厂商专业网管系统中直接采集网元的配置、性能数据。

2）数据处理层。数据处理层主要负责系统基础数据的存储、提纯和加工工作,由数据清洗、数据预处理、指标计算3个服务和列式数据库、关系数据库2个数据库组成。其中,数据清洗服务主要负责对系统采集的原始数据进行去重和冲突处理;数据预处理服务主要负责对清洗后的原始数据进行归一化、压缩和索引化处理;指标计算服务主要负责依据指标模型周期性地从原始数据中抽取基础数据并进行指标运算,以获得预期的指标数值;列式数据库主要用于存储预处理后的原始数据;关系数据库主要用于存储指标数值等加工后的数据。

3）数据服务层。数据服务层主要负责为系统应用功能提供数据检索和推送服务,由指标发布服务、专题分析服务、专题监视服务和工况监视服务4个服务组成。其中,指标发布服务主要提供指标数值的发布功能,除向系统用户界面提供数据外,还可通过扩展向其他系统提供指标数据;专题分析服务主要提供专题分析结果的数据检索能力;专题监视服务主要提供对专题监视内容的数据推送能力;工况监视服务主要提供对系统自身各构件运行情况的监视结果推送能力。

4）应用层。应用层主要负责为用户提供可视化交互界面,是用户可直接接触的系统功能集,主要由设备状态评估、性能异常统计、专题监视等模块
组成。

 2 光传输设备状态评价体系

对光传输设备进行状态评价必须准确可信地估计或预测通信网状况^[6]。根据缺陷性质和概率统计分析,借鉴以往发现、处理缺陷的方法和经验^[7-11],本文以状态量的表述方式,通过在线监测技术获取状态信息,对全网光传输设备进行状态评估。

通过光接口运行情况、设备级保护、电接口运行情况、设备板卡生命周期等4个方面建立状态量对光传输设备进行评估,并制定评价标准。之所以选定这4个维度作为评价标准,是因为光传输网管系统中包含这些数据,且这些数据实时更新,能准确反映设备的状态信息^[12-14];其次,这4个维度的信息量作为设备状态评价的指标,已经能较全面地评估出一台设备的健康程度,可为设备维护提供数据支撑。本文评估涉及的4个方面及其状态量权重分配主要是基于运维经验^[15-16],该评分模型可作为一种参考,实际应用中可根据重点关注对象的不同进行权重值调整。

2.1 光接口运行情况

1）储备电平。光接口实际收光功率不能高于过载光功率,也不能低于接收机灵敏度,否则该光路失效,不能正常通信。在设备投运之初,收光功率基本都能满足以上条件,随着运行年限的增加,设备逐步老化,光缆性能也逐步劣化,收光功率会慢慢降低。当收光功率降低到接收机灵敏度及以下时,通信误码会增多以致通信中断。因此,本文提出了储备电平的概念,储备电平就是实际收光功率减去光接收机灵敏度。储备电平可反映光传输设备光路的健康程度,因此有必要对储备电平进行实时监控,当储备电平值降低到一定区间时给出预警提示。储备电平概念图如图3所示。

图3 储备电平概念图Fig.3 Reserve level concept

2）光接口温度。对光接口模块寿命影响最大的因素是光接口温度,光接口温度也能一定程度上反映设备的环境温度以及设备的散热情况,因此有必要对光接口温度进行实时监控,当温度升高到一定区间时给出预警提示。

3）光口误码率。误码率是数字传输系统中最重要的指标,光传输系统引起误码的因素很多,比如抖动、色散、交叉复用、电磁干扰、设备故障、电源瞬态干扰、人为活动等。按照ITU-T G.826建议指标,对光口的误块秒（Errored Second,ES）、严重误块秒（Severely Errored Second,SES）、不可用秒（Unavailable Time,UAS）、背景误块（Background Block Error,BBE）进行监测,根据不同的误码类型给出预警提示。

根据以上3个指标,光接口状态评价标准及评分细则见表1所列。

表1 光接口状态评价标准及评分细则Tab.1 The state evaluation standard and scoring rubric of the optical interface

2.2 设备级保护

由于电力系统的特殊性,因此对电力通信业务的保障要求特别高,通信设备的任意硬件故障都不允许造成业务中断。电力光传输设备必须具备两个及以上的光接口板,用来保证光传输设备正常运行的重要板卡必须通过硬件保护来实现。重要板卡一般包括主控板、交叉矩阵板、电源板以及电接口板,有必要对这些重要板卡进行实时监测,任意一块板卡失效时都要给出预警提示。

针对以上4类板卡,提出的设备级保护状态评价标准及评分细则见表2所列。

表2 设备级保护状态评价标准及评分细则Tab.2 The state evaluation standard and scoring rubric of the device level protection

2.3 电接口运行情况

鉴于光传输设备的重要性,有必要对每条通信通道进行误码监测,并列出存在误码的通信通道,对误码原因进行排查。电接口状态评价标准及评价细则见表3所列。

表3 电接口状态评价标准及评价细则Tab.3 The state evaluation standard and scoring rubric of the electrical interface

2.4 设备板卡生命周期

任何电子设备都是有生命周期的,随着运行年限的增加,设备性能将逐步减低,故障率逐步提高,最后需要报废更换。电力系统对光传输设备的寿命设计年限为10年,将新投运光传输设备板卡质量按照满分100分计算,将10年内板卡分为4档进行统计,最后取加权平均就是这台设备的评价得分。板卡质量与运行年限关系如图4所示。

图4 板卡质量与运行年限关系Fig.4 The relationship between board quality and operating life

设备级生命周期评价标准及评价细则见表4所列。

表4 设备级生命周期评价标准及评价细则Tab.4 The state evaluation standard and scoring rubric of the device life cycle

 3 根据评估结果生成检修建议

根据以上设备评分标准,分3档对设备进行状态区分：得分≤80分为“异常”,80分<得分≤90分为“注意”,得分>90分为“正常”。然后再根据设备现象安排不同级别检修,根据检修的影响程度分为“A类检修”、“B类检修”、“C类检修”、“D类检修”。检修分类规则及现象描述见表5所列。

表5 检修分类规则及现象描述Tab.5 The classification rules and phenomena description of the overhaul

 4 系统应用

国网温州供电公司通信光传输设备状态评价检修系统自2016年10月投入试运行以来,共处理状态检修工作50余次,计划外检修次数显著减少。

根据