基于分布式光纖振動傳感的電纜外破監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測意義

近年來, 為滿足城市建設(shè)、環(huán)境美化的要求，越來越多電力線路采用電纜方式建設(shè)，地下電纜在輸配電系統(tǒng)中的比重越來越大,規(guī)模增長迅速。但是在服役過程中，電纜時常受到外力破壞, 故障隱患頻發(fā)，且類型、位置、時刻難以預(yù)知，電纜供電安全可靠的優(yōu)勢受到嚴重影響。因此,保障電纜供電不受外力破壞成為了電力運行部門急需解決的問題。但傳統(tǒng)運行維護技術(shù)無法有效匹配電力基礎(chǔ)設(shè)施的增長速度，致使電纜線路及電纜通道運維工作面臨著巨大壓力。

圖 1 頻發(fā)的電纜外破事故

基于分布式光纖振動傳感的電纜外破監(jiān)測系統(tǒng)依托分布式光纖振動傳感技術(shù)實現(xiàn)電纜外破監(jiān)測，實時測量傳輸線路周圍的振動情況,定位異常發(fā)生地點，并識別潛在威脅到光纜的垂直距離，從而有效評估外破威脅等級。該系統(tǒng)能夠提供可靠的傳輸線路防外力破壞預(yù)警功能，有力保證電力系統(tǒng)安全運行。

原理及系統(tǒng)簡介

本產(chǎn)品通過Ada-5000系列分布式光纖微擾動場感測儀構(gòu)建監(jiān)測平臺。在原理上利用相位敏感型光時域反射計（Φ-OTDR）技術(shù)來探測振動，實現(xiàn)對外破事件的監(jiān)測。Φ-OTDR通常采用kHz級別的窄線寬激光器作為光源，通過向傳感光纖注入探測光脈沖，并檢測傳感光纖中由此產(chǎn)生的瑞利背向散射（RBS）信號來感知光纖所受到的外部擾動。該技術(shù)靈敏度*、測量響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離全分布式的無盲區(qū)傳感，非常適合對地埋電纜周邊各類微擾動事件的監(jiān)測。

圖 2 相位敏感型光時域反射計（Φ-OTDR）工作原理

在測量原理上，當(dāng)外部擾動發(fā)生時，光纖的長度、折射率等會隨著外部擾動事件發(fā)生變化，最終導(dǎo)致光纖相應(yīng)位置產(chǎn)生的RBS光信號相位發(fā)生變化。Φ-OTDR通過分析外部擾動發(fā)生前后該位置的RBS相位變化，便可以對外部擾動事件進行定量測量。其原理如圖2所示：

圖 3外部擾動引起的應(yīng)變大小與相位變化關(guān)系示意圖

通過信號處理可以提取出擾動位置的相位變化信息，就可以獲得外部擾動作用在待測光纖上引起的光纖長度變化，最終實現(xiàn)外部聲場的重構(gòu)。結(jié)合信號分析，就能夠?qū)﹄娎|管廊附近發(fā)生的施工現(xiàn)象進行精確定位以及快速識別，達到提前預(yù)警、快速巡視排查、減少故障發(fā)生的幾率，保障電纜安全運行的目標。

圖 4 電纜外破監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電纜防外破監(jiān)測系統(tǒng)的核心解調(diào)裝置放置于監(jiān)控機房，用于光信號的輸出、光電轉(zhuǎn)換處理、采集信號，并能夠通過數(shù)字信號分析進行事件甄別和報警信息處理。結(jié)合光學(xué)多路復(fù)用模塊，可以實現(xiàn)單個站點對多條線路的輪詢檢測，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝置采用光纖單芯定位等一系列創(chuàng)新技術(shù)，通過對電纜線路上發(fā)生的對電纜有安全隱患的破壞行為、周邊環(huán)境施工等擾動的實時監(jiān)測, 采集和分析信息，判定擾動發(fā)生的位置、類型、強度，以幫助線路維護人員及時發(fā)現(xiàn)電纜的竊取、入侵和破壞行為。該裝置能夠在事件發(fā)生時實時監(jiān)測、準確定位、智能分析,還可以實現(xiàn)對事故發(fā)生的預(yù)警, 有效解決對電纜損毀的預(yù)警監(jiān)測，為值班人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

圖 5 標準機柜4U尺寸的檢測裝置硬件外觀

   系統(tǒng)的硬件裝置采用如圖4所示的標準4U結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強，能夠安裝在變電站通信機房的機柜內(nèi)。裝置安裝便捷，只需將一根傳感光纖的單端接入就可完成裝置安裝。內(nèi)置硬盤矩陣，可以完成長時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)儲存，利用網(wǎng)絡(luò)接口和4G無線傳輸，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。

圖 6 基于B/S架構(gòu)的外破信息展示

系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對采集得到的振動信號進行實時的數(shù)據(jù)清洗，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與模式識別模塊，分析沿線狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為有效的機械作業(yè)引發(fā)的振動事件，再匹配線路數(shù)據(jù)與相關(guān)閾值參量，形成如圖6所示的實時監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)，并能夠通過B/S架構(gòu)的軟件界面進行遠程展示與查詢。

圖 7 報警閾值的本地化自適應(yīng)設(shè)置

為了提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，系統(tǒng)軟件將根據(jù)布設(shè)地點的實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計線纜周邊的環(huán)境背景噪聲特性，自動生成并動態(tài)調(diào)整報警閾值，提高設(shè)備現(xiàn)場安裝、調(diào)試的效率，如圖6所示。

圖 8 外破事件的精準識別

系統(tǒng)對振動信號的時域特征進行統(tǒng)計分析，研究信號的形態(tài)隨時間變化的規(guī)律，抽取短時能量、平均過零率、諧振頻率、子頻帶能量、香農(nóng)熵等典型特征量作為信號判斷和識別的依據(jù)，結(jié)合譜減、自適應(yīng)濾波等噪聲抑制方法，能夠有效降低虛警率。本系統(tǒng)一方面能夠?qū)崿F(xiàn)單條線路或多條串/并聯(lián)電纜線路外破隱患的監(jiān)控和定位，形成電纜全線監(jiān)控體系，另一方面又能夠?qū)崿F(xiàn)對電纜所有外破隱患點的全流程管控，做到線面結(jié)合。系統(tǒng)軟件通過架設(shè)的通信服務(wù)器，由GPRS/WIFI/OPGW光纖網(wǎng)絡(luò)等形式的網(wǎng)絡(luò)傳輸，將監(jiān)測裝置主機的實時監(jiān)測結(jié)果連接到遠端的監(jiān)控中心，實時監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)列表，供GIS模塊展現(xiàn)及相關(guān)管理人員瀏覽監(jiān)測運行日志，以事件為單位實現(xiàn)對每個隱患點的發(fā)現(xiàn)、處理全流程管控。同時利用移動端APP軟件，能夠?qū)崟r發(fā)布、接收事件預(yù)警信息。通過監(jiān)控中心的實時數(shù)據(jù)同享，可及時推送故障預(yù)警信息，并可安排距離最近的人員快速達到現(xiàn)場，避免事故發(fā)生，并可通過遠程終端指導(dǎo)運維檢修，實現(xiàn)信息的移動互聯(lián)。

圖 9 基于GIS信息展示、移動端信息推送的智能巡檢平臺

   依托本系統(tǒng)可以有效地實時監(jiān)測地埋電纜周邊的施工振動情況，及時了解異常信號，有效減少地埋電纜故障發(fā)生的幾率，一旦周邊有異常施工和破壞，系統(tǒng)就可以發(fā)出及時預(yù)警。在故障發(fā)生后，能夠做到精準定位，快速確定故障點的位置，降低人工查巡工作量，提高故障搶修的效率。系統(tǒng)設(shè)備安裝在機房，采用通訊光纜的1芯光纖既作為傳感裝置又做數(shù)據(jù)通訊，無需額外加裝傳感器和供電電源。光電復(fù)合纜敷設(shè)的區(qū)段可全線監(jiān)測，全線路無盲區(qū)。系統(tǒng)軟件提供檢測預(yù)警數(shù)據(jù)的訪問接口，以備用戶的二次開發(fā)與集成。系統(tǒng)所構(gòu)建的“線面結(jié)合、移動互聯(lián)" 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)架構(gòu)，可極大降低故障發(fā)生率和巡檢的工作強度，提升工作質(zhì)量，是電纜外破監(jiān)測水平和管理水平的又一次提升！