基于全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究＊

楊 斌，田 杰，江健武，段紹輝

（1.上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司，上海 201103；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

引 言

電力電纜是電力傳輸?shù)闹匾d體。但是人為因素（如：施工挖斷、被盜等）和自然災(zāi)害（如：滑坡、塌方、地基沉降、洪水等）會(huì)造成電纜線路故障，影響電力電網(wǎng)建設(shè)效能的發(fā)揮。因此，如何應(yīng)用科學(xué)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜的運(yùn)行及環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警和定位、以便及時(shí)提醒線路維護(hù)人員提前采取預(yù)防措施顯得十分的緊迫和必要。

文中研究一種基于全光纖傳感技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光纖傳感器對(duì)電網(wǎng)中的電力電纜線路的運(yùn)行狀況進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)。該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜線路的溫度、載流量、偷盜入侵等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保電網(wǎng)安全、高效運(yùn)行，而且還可綜合分析處理各傳感器信息，在出現(xiàn)異常情況時(shí)，通過控制相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)備采取一定的措施來保障電網(wǎng)正常運(yùn)行。

圖1 光纖傳感原理圖Fig.1 Principle scheme of optical fiber sensing

1 光纖傳感原理

分布式光纖傳感技術(shù)是利用光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生后向散射信號(hào)和光時(shí)域反射［1－3］（optical time domain reflectometer，OTDR）技術(shù)來獲取溫度等參量的分布信息。當(dāng)具有一定能量的泵浦光（ν0）注入到光纖中時(shí)，入射光子與纖芯分子相互作用，受纖芯的微觀密度變化和成分起伏的影響，會(huì)產(chǎn)生Rayleigh（ν0）散射、Anti－stokes（νa＝ν0＋Δν）散射和Stokes（νs＝ν0－Δν）散射（對(duì)石英光纖介質(zhì)而言，Δν＝1.32×1013Hz）。

該系統(tǒng)的空間分辨力P與注入光纖的光脈沖寬度ΔT有關(guān)，且有

式（1）中，c為真空中的光速，n為傳輸介質(zhì)折射率。

該系統(tǒng)的被測(cè)點(diǎn)位置L為

式（2）中，c為光纖中的光速，t為兩倍定點(diǎn)距離光傳播時(shí)間。

2 全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the system

（1）電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測(cè)模塊：模塊由主機(jī)、光纖（纜）等設(shè)備組成。模塊中采用的光脈沖寬度ΔT為5ns，對(duì)應(yīng)理論空間分辨力0.5m，實(shí)測(cè)空間分辨力小于1m。

（2）電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測(cè)模塊：由主機(jī)、傳感光纜等設(shè)備構(gòu)成。

（3）信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺(tái)：主要由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、通訊模塊、控制模塊、系統(tǒng)展示等部分組成。用以集中連接和控制測(cè)溫系統(tǒng)、電纜防盜系統(tǒng)、采集設(shè)備及其他聯(lián)動(dòng)控制裝置。該平臺(tái)實(shí)施方式可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺(tái)。

綜合安全防范系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間采用各自的網(wǎng)口、串口、相關(guān)的協(xié)議，并且具備智能化處理事件的功能。無論在系統(tǒng)的簡(jiǎn)約性、可靠性、穩(wěn)定性方面，還是在系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、前瞻性方面，所設(shè)計(jì)的綜合安防系統(tǒng)均超越了傳統(tǒng)的安全防范系統(tǒng)。

3 處理流程

系統(tǒng)處理流程如圖3所示。

全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一個(gè)綜合的溫度監(jiān)測(cè)、火災(zāi)告警、安全防范系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方式組成的安全防范系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別，最明顯的一個(gè)區(qū)別在于各個(gè)子系統(tǒng)依托網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺(tái)，通過相關(guān)的協(xié)議互聯(lián)構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)的、完善的整體，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了無縫聯(lián)結(jié)。例如：傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)、火災(zāi)告警、安全防范系統(tǒng)通常各自獨(dú)立，聯(lián)動(dòng)需要通過各自的聯(lián)動(dòng)設(shè)備、若干的繼電器，然后通過復(fù)雜的連線方式來實(shí)現(xiàn)，如果某個(gè)中間設(shè)備或某些線路出現(xiàn)故障，則聯(lián)動(dòng)功能就不能實(shí)現(xiàn)。而該綜合安全防范系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間采用各自的網(wǎng)口、串口、相關(guān)的協(xié)議、若干根兩芯的屏蔽線即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警與監(jiān)控的聯(lián)動(dòng)功能，并且具備智能化處理事件的功能。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Flow chart of system data processing

4 技術(shù)路線

4.1 電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測(cè)模塊采用Φ－光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。光波在光纖中傳輸時(shí)，會(huì)發(fā)生背向散射現(xiàn)象，包括布里淵散射，拉曼散射和瑞利散射，其中瑞利散射光強(qiáng)度最大且不改變散射光的波長(zhǎng)。光纖的背向散射是由介質(zhì)不均勻而引起的散射光中，會(huì)有一部分光沿著光路傳輸?shù)南喾捶较騻骰匕l(fā)送端。光時(shí)域反射儀就是利用光纖中背向散射光的強(qiáng)度具有一定規(guī)律的原理來進(jìn)行測(cè)量的。

電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測(cè)模塊與常規(guī)光時(shí)域反射計(jì)一樣，光脈沖從光纖的一端注人，用光探測(cè)器探測(cè)后向瑞利散射光。不同的是注入光纖中的光是高度相干的，因此該傳感系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來的瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。定位型全光纖周界安防系統(tǒng)通過測(cè)量注人脈沖與接收到的信號(hào)之間的時(shí)間延遲得到擾動(dòng)的位置。

圖4 電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Shematic diagram of the distributed optic fiber anti－theft early warning supervising module in cable

4.2 電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測(cè)模塊由拉曼分布式光纖溫度傳感器［4－6］、感溫光纜、載流量軟件以及電流記錄儀組成。

拉曼分布式光纖溫度傳感器能對(duì)電力電纜全線溫度進(jìn)行周期性實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)極易出現(xiàn)故障的電纜接頭進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。該項(xiàng)技術(shù)利用光纖作為傳感器，將光纖直接敷設(shè)在被測(cè)物體表面，在一定條件下被測(cè)物體各個(gè)位置的溫度信號(hào)會(huì)以光波的形式回傳到光纖端部，最終被提取并顯示出來。這種技術(shù)只需一根或幾根光纖就可以監(jiān)測(cè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的線型設(shè)備或點(diǎn)式設(shè)備。

拉曼分布式光纖溫度傳感器同時(shí)利用光纖感測(cè)信號(hào)和傳輸信號(hào)，采用先進(jìn)的OTDR技術(shù)和Raman散射光對(duì)溫度敏感的特性，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度的變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的測(cè)量。

當(dāng)具有一定能量的泵浦光（ν0）注入到光纖中時(shí)，入射光子與纖芯分子相互作用，受纖芯的微觀密度變化和成分起伏的影響，會(huì)產(chǎn)生 Anti－stokes（νa＝ν0＋Δν）散射和Stokes（νs＝ν0－Δν）散射（對(duì)石英光纖介質(zhì)而言，Δν＝1.32×1013Hz）。拉曼散射光的強(qiáng)弱受到光纖散射點(diǎn)的溫度調(diào)制，背向散射回來的拉曼光經(jīng)過光學(xué)濾波、光電轉(zhuǎn)換、A／D轉(zhuǎn)換后，送入信號(hào)處理系統(tǒng)便可將溫度信息顯示出來，同時(shí)可根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和背向散射光回波的時(shí)間對(duì)溫度場(chǎng)的空間信息進(jìn)行定位。

載流量監(jiān)控軟件監(jiān)控獲得電纜施加負(fù)載電流和電纜表面溫度后，通過計(jì)算可以取得電纜導(dǎo)體溫度，判斷電纜現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)的導(dǎo)體工作溫度是否超過導(dǎo)體最高允許工作溫度，從而判斷電纜是否正常運(yùn)行還是過載運(yùn)行，以便于及時(shí)調(diào)整負(fù)荷電流，對(duì)電纜安全運(yùn)行起到監(jiān)控作用。具體功能如下：

電流記錄儀和電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)將采集到的負(fù)荷電流和電纜表面（或內(nèi)部某層）溫度信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，利用已知的電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出相應(yīng)位置的電纜導(dǎo)體溫度，準(zhǔn)確判斷電纜的載流能力。

4.3 軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在總控中心內(nèi)對(duì)所有下屬分部的各監(jiān)控信息資料調(diào)看及控制功能，其采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和可擴(kuò)展性。

在總控中心內(nèi)，依據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的功能要求和管理要求，信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺(tái)和各管理平臺(tái)接入到專用內(nèi)部以太網(wǎng)中，從而與各現(xiàn)場(chǎng)安防子系統(tǒng)組成一個(gè)完整的電力安全保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在相關(guān)管理員的辦公電腦上，安裝相關(guān)的專用電子版地圖客戶端軟件，即可組成網(wǎng)絡(luò)客戶端系統(tǒng)。通過總控中心內(nèi)的權(quán)限分配，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的權(quán)限調(diào)看不同范圍內(nèi)的前端監(jiān)控設(shè)備的信息，并對(duì)電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行相關(guān)操作設(shè)置。

信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）面向服務(wù)的架構(gòu)，采用分層的松耦合結(jié)構(gòu)，包含數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層，每層的功能都能靈活擴(kuò)展和替換；

（2）統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入管理，訪問層屏蔽底層的物理接入方式，使平臺(tái)可靈活接入多種規(guī)約方式，同時(shí)為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)和調(diào)用方式；

（3）多級(jí)數(shù)據(jù)傳輸與通信模式，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備到子站、子站到主站多級(jí)數(shù)據(jù)傳輸模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備集中監(jiān)控。

5 試驗(yàn)結(jié)果

基于全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行后，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。試驗(yàn)選擇在內(nèi)含光纖的20km電力電纜段進(jìn)行，在整個(gè)試驗(yàn)過程中不斷改變測(cè)試點(diǎn)位置，在全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的溫度、載流量、振動(dòng)（偷盜入侵產(chǎn)生）異常時(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警，顯示異常發(fā)生位置?；谌饫w傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的界面主要實(shí)現(xiàn)圖文并茂地顯示被測(cè)點(diǎn)的位置L、時(shí)間S、電壓V以及相關(guān)的報(bào)警信息。

電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)的溫度和空間分辨力測(cè)試曲線見圖5、圖6。當(dāng)光纖溫度穩(wěn)定時(shí)，用水銀溫度計(jì)計(jì)量電纜測(cè)試點(diǎn)的暫態(tài)溫度，然后與分布式實(shí)時(shí)測(cè)取的溫度進(jìn)行比較，得到該模塊的溫度計(jì)量精度；同理，在幾個(gè)相鄰光纖位置同時(shí)加熱測(cè)溫，實(shí)際測(cè)量?jī)晌恢瞄g的距離，并與分布式實(shí)時(shí)測(cè)取的距離進(jìn)行比較，得到該測(cè)溫裝置的空間分辨力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

在測(cè)試電力電纜中，選取不同光纖位置，傳輸不同電流強(qiáng)度，用電流記錄儀和電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測(cè)模塊采集負(fù)荷電流和電纜內(nèi)部溫度信號(hào)，具體數(shù)值如表2所示。

圖5 電力電纜線路長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度－溫度曲線圖Fig.5 Curve of temperature vs length along power cable line

圖6 空間分辨力試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線圖Fig.6 Curve of real space distinguish ratio detecting

電纜線路被偷盜破壞時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)的振動(dòng)波形如圖7所示。瑞利曲線圖是沿電纜線路敷設(shè)的整條光纜的后向瑞利散射信號(hào)分布曲線，橫坐標(biāo)為光纜位置L（單位m），縱坐標(biāo)為瑞利散射信號(hào)電壓幅度U（單位V）；振動(dòng)波形圖是位于區(qū)段位置27 900～27 950m處的振動(dòng)背景噪聲波形和光纜受到偷盜破壞時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波形曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間t（單位ms），縱坐標(biāo)為振動(dòng)信號(hào)電壓幅度U（單位V）。從圖上可看出，被測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)背景噪聲幅度小于0.01V，被測(cè)點(diǎn)位置的偷盜振動(dòng)信號(hào)幅度大于0.02V，系統(tǒng)軟件通過對(duì)光纜偷盜圖譜分析對(duì)比識(shí)別傳感光纜偷盜事件的發(fā)生。

表1 溫度測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Temperature detection results

表2 電纜溫度和電纜載流量測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Temperature and ampacity detection results of power cable

6 結(jié) 論

現(xiàn)研究的基于全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可預(yù)防因電力電纜自身老化等原因誘發(fā)的火災(zāi)，制止因蓄意破壞、偷盜等情況造成的輸電中斷，從而保障中高壓電力電纜的傳輸安全和通暢。當(dāng)電力電纜線路的溫度、載流量、振動(dòng)（偷盜入侵產(chǎn)生）發(fā)生異常時(shí)該系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)警，顯示異常發(fā)生位置，及時(shí)通知管理人員對(duì)警情進(jìn)行有效處理，從而提高電網(wǎng)供電的可靠性。

圖7 振動(dòng)波形圖Fig.7 Vibration waveform

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