基于分布式光纖振動(dòng)傳感的電纜外破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)意義

近年來(lái), 為滿(mǎn)足城市建設(shè)、環(huán)境美化的要求，越來(lái)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(lái)越大,規(guī)模增長(zhǎng)迅速。但是在服役過(guò)程中，電纜時(shí)常受到外力破壞, 故障隱患頻發(fā)，且類(lèi)型、位置、時(shí)刻難以預(yù)知，電纜供電安全可靠的優(yōu)勢(shì)受到嚴(yán)重影響。因此,保障電纜供電不受外力破壞成為了電力運(yùn)行部門(mén)急需解決的問(wèn)題。但傳統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)技術(shù)無(wú)法有效匹配電力基礎(chǔ)設(shè)施的增長(zhǎng)速度，致使電纜線路及電纜通道運(yùn)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(dòng)傳感的電纜外破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依托分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜外破監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)測(cè)量傳輸線路周?chē)恼駝?dòng)情況,定位異常發(fā)生地點(diǎn)，并識(shí)別潛在威脅到光纜的垂直距離，從而有效評(píng)估外破威脅等級(jí)。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(yùn)行。

原理及系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本產(chǎn)品通過(guò)Ada-5000系列分布式光纖微擾動(dòng)場(chǎng)感測(cè)儀構(gòu)建監(jiān)測(cè)平臺(tái)。在原理上利用相位敏感型光時(shí)域反射計(jì)（Φ-OTDR）技術(shù)來(lái)探測(cè)振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外破事件的監(jiān)測(cè)。Φ-OTDR通常采用kHz級(jí)別的窄線寬激光器作為光源，通過(guò)向傳感光纖注入探測(cè)光脈沖，并檢測(cè)傳感光纖中由此產(chǎn)生的瑞利背向散射（RBS）信號(hào)來(lái)感知光纖所受到的外部擾動(dòng)。該技術(shù)靈敏度*、測(cè)量響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離全分布式的無(wú)盲區(qū)傳感，非常適合對(duì)地埋電纜周邊各類(lèi)微擾動(dòng)事件的監(jiān)測(cè)。

圖 2 相位敏感型光時(shí)域反射計(jì)（Φ-OTDR）工作原理

在測(cè)量原理上，當(dāng)外部擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，光纖的長(zhǎng)度、折射率等會(huì)隨著外部擾動(dòng)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(hào)相位發(fā)生變化。Φ-OTDR通過(guò)分析外部擾動(dòng)發(fā)生前后該位置的RBS相位變化，便可以對(duì)外部擾動(dòng)事件進(jìn)行定量測(cè)量。其原理如圖2所示：

圖 3外部擾動(dòng)引起的應(yīng)變大小與相位變化關(guān)系示意圖

通過(guò)信號(hào)處理可以提取出擾動(dòng)位置的相位變化信息，就可以獲得外部擾動(dòng)作用在待測(cè)光纖上引起的光纖長(zhǎng)度變化，最終實(shí)現(xiàn)外部聲場(chǎng)的重構(gòu)。結(jié)合信號(hào)分析，就能夠?qū)﹄娎|管廊附近發(fā)生的施工現(xiàn)象進(jìn)行精確定位以及快速識(shí)別，達(dá)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(yùn)行的目標(biāo)。

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

電纜防外破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心解調(diào)裝置放置于監(jiān)控機(jī)房，用于光信號(hào)的輸出、光電轉(zhuǎn)換處理、采集信號(hào)，并能夠通過(guò)數(shù)字信號(hào)分析進(jìn)行事件甄別和報(bào)警信息處理。結(jié)合光學(xué)多路復(fù)用模塊，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)站點(diǎn)對(duì)多條線路的輪詢(xún)檢測(cè)，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(guò)對(duì)電纜線路上發(fā)生的對(duì)電纜有安全隱患的破壞行為、周邊環(huán)境施工等擾動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 采集和分析信息，判定擾動(dòng)發(fā)生的位置、類(lèi)型、強(qiáng)度，以幫助線路維護(hù)人員及時(shí)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(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確定位、智能分析,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)事故發(fā)生的預(yù)警, 有效解決對(duì)電纜損毀的預(yù)警監(jiān)測(cè)，為值班人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

圖 5 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜4U尺寸的檢測(cè)裝置硬件外觀

   系統(tǒng)的硬件裝置采用如圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)4U結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠安裝在變電站通信機(jī)房的機(jī)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(pán)矩陣，可以完成長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，利用網(wǎng)絡(luò)接口和4G無(wú)線傳輸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(duì)采集得到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)清洗，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析與模式識(shí)別模塊，分析沿線狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為有效的機(jī)械作業(yè)引發(fā)的振動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)，并能夠通過(guò)B/S架構(gòu)的軟件界面進(jìn)行遠(yuǎn)程展示與查詢(xún)。

圖 7 報(bào)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(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)線纜周邊的環(huán)境背景噪聲特性，自動(dòng)生成并動(dòng)態(tài)調(diào)整報(bào)警閾值，提高設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試的效率，如圖6所示。

圖 8 外破事件的精準(zhǔn)識(shí)別

系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究信號(hào)的形態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律，抽取短時(shí)能量、平均過(guò)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(hào)判斷和識(shí)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(duì)電纜所有外破隱患點(diǎn)的全流程管控，做到線面結(jié)合。系統(tǒng)軟件通過(guò)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(cè)裝置主機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果連接到遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)運(yùn)行日志，以事件為單位實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)隱患點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、處理全流程管控。同時(shí)利用移動(dòng)端APP軟件，能夠?qū)崟r(shí)發(fā)布、接收事件預(yù)警信息。通過(guò)監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同享，可及時(shí)推送故障預(yù)警信息，并可安排距離最近的人員快速達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)，避免事故發(fā)生，并可通過(guò)遠(yuǎn)程終端指導(dǎo)運(yùn)維檢修，實(shí)現(xiàn)信息的移動(dòng)互聯(lián)。

圖 9 基于GIS信息展示、移動(dòng)端信息推送的智能巡檢平臺(tái)

   依托本系統(tǒng)可以有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地埋電纜周邊的施工振動(dòng)情況，及時(shí)了解異常信號(hào)，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(shí)預(yù)警。在故障發(fā)生后，能夠做到精準(zhǔn)定位，快速確定故障點(diǎn)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(jī)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(wú)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(cè)，全線路無(wú)盲區(qū)。系統(tǒng)軟件提供檢測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口，以備用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)與集成。系統(tǒng)所構(gòu)建的“線面結(jié)合、移動(dòng)互聯(lián)” 監(jiān)測(cè)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(qiáng)度，提升工作質(zhì)量，是電纜外破監(jiān)測(cè)水平和管理水平的又一次提升！