0 引言

隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,電力通信在電網(wǎng)生產(chǎn)和運營中的作用越來越重要,繼而對通信的業(yè)務(wù)保障水平提出了更高要求,傳統(tǒng)的事后檢修模式（即出現(xiàn)故障后再檢修的模式）已經(jīng)無法滿足運維需求。如果能在光傳輸設(shè)備或光路出現(xiàn)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(jìn)一步提高業(yè)務(wù)保障水平。

狀態(tài)檢修是一種基于設(shè)備狀態(tài)的檢修模式,它以數(shù)據(jù)為依據(jù)作出檢修決策^[1-2]。光傳輸設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)中存儲大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),網(wǎng)管系統(tǒng)本身卻只有業(yè)務(wù)配置和告警上報功能,并沒有對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,這為科學(xué)檢修提供了條件。目前,國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開展了一些對通信光傳輸網(wǎng)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(jié)論,不能直觀地反映光通信網(wǎng)絡(luò)的具體缺陷和薄弱環(huán)節(jié),無法為科學(xué)檢修指明方向。

為此,國網(wǎng)溫州供電公司研發(fā)了通信光傳輸設(shè)備狀態(tài)評價系統(tǒng),開展基于大數(shù)據(jù)的電力通信光傳輸設(shè)備狀態(tài)評價、性能趨勢分析、故障預(yù)警分析等智能化分析研究,提高風(fēng)險預(yù)警與防范的水平,為科學(xué)安排運維檢修提供數(shù)據(jù)支撐。

 1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 技術(shù)架構(gòu)

通信光傳輸設(shè)備狀態(tài)評價系統(tǒng)采用了Hadoop體系與列式數(shù)據(jù)庫融合架構(gòu),具體如圖1所示。

圖1 Hadoop體系與列式數(shù)據(jù)庫融合架構(gòu)Fig.1 Integration framework of Hadoop system and column database

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

2）采用列式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的存儲與查詢。列式數(shù)據(jù)庫按列存儲的特性使數(shù)據(jù)存儲具有極高的數(shù)據(jù)壓縮比,單位存儲空間可存儲的數(shù)據(jù)量是其他存儲方式無法比擬的;列式數(shù)據(jù)庫具有很高的海量數(shù)據(jù)檢索查詢效率,可滿足分析應(yīng)用的查詢要求;同時,列式數(shù)據(jù)庫本身支持完整的SQL規(guī)范,有利于應(yīng)用的開發(fā)與維護(hù)。

1.2 功能架構(gòu)

系統(tǒng)從下到上依次是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層以及應(yīng)用層,系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.2 Framework of system function

1）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提取和收集工作,由配置數(shù)據(jù)采集、性能數(shù)據(jù)采集2個模塊組成,從設(shè)備廠商專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)中直接采集網(wǎng)元的配置、性能數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲、提純和加工工作,由數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預(yù)處理、指標(biāo)計算3個服務(wù)和列式數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫2個數(shù)據(jù)庫組成。其中,數(shù)據(jù)清洗服務(wù)主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去重和沖突處理;數(shù)據(jù)預(yù)處理服務(wù)主要負(fù)責(zé)對清洗后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、壓縮和索引化處理;指標(biāo)計算服務(wù)主要負(fù)責(zé)依據(jù)指標(biāo)模型周期性地從原始數(shù)據(jù)中抽取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行指標(biāo)運算,以獲得預(yù)期的指標(biāo)數(shù)值;列式數(shù)據(jù)庫主要用于存儲預(yù)處理后的原始數(shù)據(jù);關(guān)系數(shù)據(jù)庫主要用于存儲指標(biāo)數(shù)值等加工后的數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)應(yīng)用功能提供數(shù)據(jù)檢索和推送服務(wù),由指標(biāo)發(fā)布服務(wù)、專題分析服務(wù)、專題監(jiān)視服務(wù)和工況監(jiān)視服務(wù)4個服務(wù)組成。其中,指標(biāo)發(fā)布服務(wù)主要提供指標(biāo)數(shù)值的發(fā)布功能,除向系統(tǒng)用戶界面提供數(shù)據(jù)外,還可通過擴(kuò)展向其他系統(tǒng)提供指標(biāo)數(shù)據(jù);專題分析服務(wù)主要提供專題分析結(jié)果的數(shù)據(jù)檢索能力;專題監(jiān)視服務(wù)主要提供對專題監(jiān)視內(nèi)容的數(shù)據(jù)推送能力;工況監(jiān)視服務(wù)主要提供對系統(tǒng)自身各構(gòu)件運行情況的監(jiān)視結(jié)果推送能力。

4）應(yīng)用層。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)為用戶提供可視化交互界面,是用戶可直接接觸的系統(tǒng)功能集,主要由設(shè)備狀態(tài)評估、性能異常統(tǒng)計、專題監(jiān)視等模塊
組成。

 2 光傳輸設(shè)備狀態(tài)評價體系

對光傳輸設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評價必須準(zhǔn)確可信地估計或預(yù)測通信網(wǎng)狀況^[6]。根據(jù)缺陷性質(zhì)和概率統(tǒng)計分析,借鑒以往發(fā)現(xiàn)、處理缺陷的方法和經(jīng)驗^[7-11],本文以狀態(tài)量的表述方式,通過在線監(jiān)測技術(shù)獲取狀態(tài)信息,對全網(wǎng)光傳輸設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評估。

通過光接口運行情況、設(shè)備級保護(hù)、電接口運行情況、設(shè)備板卡生命周期等4個方面建立狀態(tài)量對光傳輸設(shè)備進(jìn)行評估,并制定評價標(biāo)準(zhǔn)。之所以選定這4個維度作為評價標(biāo)準(zhǔn),是因為光傳輸網(wǎng)管系統(tǒng)中包含這些數(shù)據(jù),且這些數(shù)據(jù)實時更新,能準(zhǔn)確反映設(shè)備的狀態(tài)信息^[12-14];其次,這4個維度的信息量作為設(shè)備狀態(tài)評價的指標(biāo),已經(jīng)能較全面地評估出一臺設(shè)備的健康程度,可為設(shè)備維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。本文評估涉及的4個方面及其狀態(tài)量權(quán)重分配主要是基于運維經(jīng)驗^[15-16],該評分模型可作為一種參考,實際應(yīng)用中可根據(jù)重點關(guān)注對象的不同進(jìn)行權(quán)重值調(diào)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(jī)靈敏度,否則該光路失效,不能正常通信。在設(shè)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(shè)備逐步老化,光纜性能也逐步劣化,收光功率會慢慢降低。當(dāng)收光功率降低到接收機(jī)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(jī)靈敏度。儲備電平可反映光傳輸設(shè)備光路的健康程度,因此有必要對儲備電平進(jìn)行實時監(jiān)控,當(dāng)儲備電平值降低到一定區(qū)間時給出預(yù)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(shè)備的環(huán)境溫度以及設(shè)備的散熱情況,因此有必要對光接口溫度進(jìn)行實時監(jiān)控,當(dāng)溫度升高到一定區(qū)間時給出預(yù)警提示。

3）光口誤碼率。誤碼率是數(shù)字傳輸系統(tǒng)中最重要的指標(biāo),光傳輸系統(tǒng)引起誤碼的因素很多,比如抖動、色散、交叉復(fù)用、電磁干擾、設(shè)備故障、電源瞬態(tài)干擾、人為活動等。按照ITU-T G.826建議指標(biāo),對光口的誤塊秒（Errored Second,ES）、嚴(yán)重誤塊秒（Severely Errored Second,SES）、不可用秒（Unavailable Time,UAS）、背景誤塊（Background Block Error,BBE）進(jìn)行監(jiān)測,根據(jù)不同的誤碼類型給出預(yù)警提示。

根據(jù)以上3個指標(biāo),光接口狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及評分細(xì)則見表1所列。

表1 光接口狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及評分細(xì)則Tab.1 The state evaluation standard and scoring rubric of the optical interface

2.2 設(shè)備級保護(hù)

由于電力系統(tǒng)的特殊性,因此對電力通信業(yè)務(wù)的保障要求特別高,通信設(shè)備的任意硬件故障都不允許造成業(yè)務(wù)中斷。電力光傳輸設(shè)備必須具備兩個及以上的光接口板,用來保證光傳輸設(shè)備正常運行的重要板卡必須通過硬件保護(hù)來實現(xiàn)。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(jìn)行實時監(jiān)測,任意一塊板卡失效時都要給出預(yù)警提示。

針對以上4類板卡,提出的設(shè)備級保護(hù)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及評分細(xì)則見表2所列。

表2 設(shè)備級保護(hù)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及評分細(xì)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(shè)備的重要性,有必要對每條通信通道進(jìn)行誤碼監(jiān)測,并列出存在誤碼的通信通道,對誤碼原因進(jìn)行排查。電接口狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及評價細(xì)則見表3所列。

表3 電接口狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及評價細(xì)則Tab.3 The state evaluation standard and scoring rubric of the electrical interface

2.4 設(shè)備板卡生命周期

任何電子設(shè)備都是有生命周期的,隨著運行年限的增加,設(shè)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(tǒng)對光傳輸設(shè)備的壽命設(shè)計年限為10年,將新投運光傳輸設(shè)備板卡質(zhì)量按照滿分100分計算,將10年內(nèi)板卡分為4檔進(jìn)行統(tǒng)計,最后取加權(quán)平均就是這臺設(shè)備的評價得分。板卡質(zhì)量與運行年限關(guān)系如圖4所示。

圖4 板卡質(zhì)量與運行年限關(guān)系Fig.4 The relationship between board quality and operating life

設(shè)備級生命周期評價標(biāo)準(zhǔn)及評價細(xì)則見表4所列。

表4 設(shè)備級生命周期評價標(biāo)準(zhǔn)及評價細(xì)則Tab.4 The state evaluation standard and scoring rubric of the device life cycle

 3 根據(jù)評估結(jié)果生成檢修建議

根據(jù)以上設(shè)備評分標(biāo)準(zhǔn),分3檔對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)區(qū)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(jù)設(shè)備現(xiàn)象安排不同級別檢修,根據(jù)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(guī)則及現(xiàn)象描述見表5所列。

表5 檢修分類規(guī)則及現(xiàn)象描述Tab.5 The classification rules and phenomena description of the overhaul

 4 系統(tǒng)應(yīng)用

國網(wǎng)溫州供電公司通信光傳輸設(shè)備狀態(tài)評價檢修系統(tǒng)自2016年10月投入試運行以來,共處理狀態(tài)檢修工作50余次,計劃外檢修次數(shù)顯著減少。

根據(jù)