基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鄧紀(jì)倫 翁志輝 金智群

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基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鄧紀(jì)倫1翁志輝2金智群2

（1.廣東省東莞供電局長(zhǎng)安供電分局 2.廣州勁聯(lián)智能科技有限公司）

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜隧道內(nèi)電纜、設(shè)備等資產(chǎn)安全，確保電網(wǎng)可靠運(yùn)行，提出一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)電纜隧道的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特殊性，設(shè)計(jì)并優(yōu)化事件識(shí)別算法以及布線方式，建立基于Web平臺(tái)的管理系統(tǒng)，提出基于地理信息系統(tǒng)的標(biāo)定方法。該系統(tǒng)在南方電網(wǎng)某區(qū)進(jìn)行了工程試點(diǎn)，取得良好的效果。

分布式光纖傳感；電纜隧道；事件識(shí)別算法

0　引言

隨著城市高壓線纜從空中向地下鋪設(shè)工程的實(shí)施，目前城市輸電線路基本采用地下隧道的形式運(yùn)輸電力。對(duì)城市輸電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全健康監(jiān)測(cè)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、確保社會(huì)的正常運(yùn)行越來(lái)越重要。但是電纜隧道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，常規(guī)安防報(bào)警設(shè)備完全無(wú)法應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況：1) 地下電纜溝長(zhǎng)時(shí)間使用后，容易積水、積淤泥，常規(guī)電子設(shè)備無(wú)法在如此惡劣的環(huán)境內(nèi)長(zhǎng)期工作；2) 電纜隧道內(nèi)無(wú)220 VAC供電電源，常規(guī)電子設(shè)備無(wú)法供電，且由于地下電纜溝內(nèi)環(huán)境惡劣，長(zhǎng)距離220 VAC供電也容易引起漏電危險(xiǎn)。

為解決電纜溝內(nèi)輸電電纜防盜預(yù)警的問(wèn)題，有廠家提出利用低壓脈沖反射[1]原理的思路，并推出相應(yīng)產(chǎn)品。其基本原理是首先把輸電電纜的接地屏蔽層對(duì)地電壓抬高，然后向輸電電纜屏蔽層注入低壓脈沖。當(dāng)該脈沖沿輸電電纜屏蔽層傳播到阻抗不匹配點(diǎn)，如短路點(diǎn)、故障點(diǎn)、中間接頭等位置即產(chǎn)生反向脈沖，該反向脈沖回送到測(cè)量點(diǎn)被儀器記錄下來(lái)。通過(guò)計(jì)算發(fā)生脈沖與反射脈沖的時(shí)間差和脈沖在屏蔽層的波速度，即可計(jì)算阻抗不匹配點(diǎn)。但這種產(chǎn)品存在2個(gè)問(wèn)題：1) 把輸電電纜的接地屏蔽層對(duì)地電壓抬高，會(huì)給輸電電纜的正常運(yùn)行帶來(lái)新的不安全、不穩(wěn)定因素，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)新的安全隱患；2) 電纜溝內(nèi)輸電電纜眾多，每條輸電電纜的屏蔽層都要抬升對(duì)地電壓，改造工作量繁重，人力物力投入巨大。為此，本文提出基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用分布式光纖入侵傳感系統(tǒng)，可有效解決以上問(wèn)題。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，光纖傳感主機(jī)采用基于偏振光時(shí)域反射（polarization optical time-domain reflectometer，POTDR）[2-6]原理的傳感系統(tǒng)，光纖傳感主機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與安全狀態(tài)發(fā)布服務(wù)器相連，用戶可使用個(gè)人電腦、智能手機(jī)等終端設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器連接，進(jìn)而獲取電纜隧道的安全狀態(tài)。當(dāng)隧道內(nèi)電纜受到外力破壞（如盜竊、施工等行為）時(shí)，運(yùn)維人員可第一時(shí)間獲取破壞點(diǎn)地理位置信息，趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。

圖1　基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光纖傳感主機(jī)放置在電纜隧道的始發(fā)點(diǎn)或者中繼點(diǎn)（一般為變電房）內(nèi)。變電房?jī)?nèi)提供200 VAC市政供電，配備互聯(lián)網(wǎng)連接接口。傳感光纜沿電纜隧道進(jìn)行鋪設(shè)。光纜自身具有防腐蝕、防電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)電纜隧道惡劣的環(huán)境。由于光纜作為傳感單元，傳感現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需供電，所以不存在傳感設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)供電難的問(wèn)題。光纜沿被保護(hù)的電纜鋪設(shè)，未對(duì)電網(wǎng)任何設(shè)備進(jìn)行改造，對(duì)電網(wǎng)的安全未引入新的不確定因素。

2　布線方式

全分布式光纖傳感技術(shù)[7-9]，因不需要傳感器（只需要采用光纖）即可測(cè)量沿光纖路徑的時(shí)間和空間連續(xù)分布信息，克服了點(diǎn)式傳感器（如光纖光柵傳感器）難以全方位連續(xù)監(jiān)測(cè)被測(cè)場(chǎng)的缺陷，并具有損耗低、耐腐蝕、易安裝鋪設(shè)、抗電磁干擾、信號(hào)數(shù)據(jù)可多路傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)安防產(chǎn)品不具備的優(yōu)點(diǎn)，從而成為目前安防領(lǐng)域最理想的大型設(shè)施無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。但實(shí)際電纜隧道中線纜繁雜，環(huán)境復(fù)雜，不良的布線方式嚴(yán)重影響光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用效果和穩(wěn)定性。本文根據(jù)實(shí)際工程對(duì)傳感光纜布線方式進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，提了S形的傳感光纜敷設(shè)方法。一根光纜根據(jù)電纜隧道的整體走向，按照S形與多根電纜捆綁，如圖2所示。該敷設(shè)方法的優(yōu)點(diǎn)有：1) 一根光纜覆蓋多條電纜，節(jié)約光纜用量；2) 當(dāng)存在偷盜行為時(shí)，由于S形光纜的非繃直狀態(tài)，會(huì)造成光纜的形變量較大，有利于光纖傳感的信號(hào)檢測(cè)。

圖2　傳感光纜敷設(shè)方法示意圖

3　算法原理

一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于POTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　基于POTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

脈沖光源發(fā)射監(jiān)測(cè)脈沖進(jìn)入傳感光纖，光電探測(cè)器探測(cè)傳感光纖瑞利散射光經(jīng)過(guò)檢偏之后的強(qiáng)度信息，此強(qiáng)度信息為沿著光纖分布的強(qiáng)度信息。當(dāng)傳感光纖未受任何外界擾動(dòng)時(shí)，隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為緩變的過(guò)程，圖4為未擾動(dòng)時(shí)相鄰2個(gè)脈沖周期的POTDR曲線。當(dāng)傳感光纖受到外界擾動(dòng)并引起光纖的位移時(shí)，隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為快速的變化過(guò)程，圖5為當(dāng)1350 m處受到擾動(dòng)時(shí)，相鄰2個(gè)脈沖周期去噪后的POTDR曲線。由圖5可知，在1400 m左右位置，開(kāi)始出現(xiàn)較大的差異（圖中圓圈所示區(qū)域）。但是由于光電探測(cè)器的熱噪聲、外界環(huán)境干擾等因素影響，從圖5中2條曲線差值看，很難直接準(zhǔn)確判斷擾動(dòng)位置為1350 m處。為此本文提出改進(jìn)的判斷算法。

注：T1、T2為2個(gè)相鄰周期的數(shù)據(jù)；|T1-T2|為2組數(shù)據(jù)差的絕對(duì)值

圖5 在1350 m處擾動(dòng)時(shí)，相鄰周期的POTDR曲線及其差值圖

雖然有時(shí)2組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差和偏態(tài)系數(shù)都相同，但它們分布曲線頂端的高聳程度卻不同。峰度系數(shù)可描述這種數(shù)組之間的差異，它反映了頻數(shù)分布曲線頂端尖峭或扁平程度。統(tǒng)計(jì)學(xué)用四階中心矩來(lái)測(cè)定峰度。當(dāng)有信號(hào)差異的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，由于數(shù)據(jù)處于不同的分布狀態(tài)，其峰度系數(shù)必定存在較大差異，可利用四階中心矩來(lái)區(qū)分有無(wú)信號(hào)差異。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理算法，首先對(duì)相鄰2個(gè)周期去噪后的POTDR曲線作差處理，得到2條曲線的差異；然后對(duì)進(jìn)行分組處理，設(shè)數(shù)組為的前100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；數(shù)組為的第2至第101共計(jì)100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；數(shù)組為的第3至第102共計(jì)100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；以此類推；最后分別求出數(shù)組1，2，… ，Y-n+1的四階中心距：

按照上述數(shù)據(jù)處理算法對(duì)圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，設(shè)定強(qiáng)度閾值為1011時(shí)，超過(guò)強(qiáng)度閾值的位置在1365 m處。這個(gè)結(jié)果和實(shí)際擾動(dòng)位置（1350 m）存在一定的誤差。產(chǎn)生誤差的原因有：1) 由于實(shí)驗(yàn)中POTDR的脈沖寬度為1μs，對(duì)應(yīng)的空間分辨率為100 m；2) 由于整個(gè)系統(tǒng)存在環(huán)境噪聲、光電探測(cè)器熱噪聲等各種噪聲，所以強(qiáng)度閾值不能設(shè)置太低，以免引起誤報(bào)警。

然而實(shí)際工程中由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，僅靠閾值判定報(bào)警誤報(bào)率較高。如降雨或者老鼠等小動(dòng)物擾動(dòng)光纖可能會(huì)引起信號(hào)超過(guò)閾值。為此本文設(shè)計(jì)了振鈴算法。設(shè)振鈴寬度和振鈴次數(shù)閾值，將連續(xù)個(gè)周期的分段四階矩波形與強(qiáng)度閾值進(jìn)行比較，記錄每個(gè)周期內(nèi)距離最近的超過(guò)閾值點(diǎn)。當(dāng)超過(guò)個(gè)周期都存在超過(guò)閾值點(diǎn)時(shí)觸發(fā)報(bào)警，報(bào)警點(diǎn)為所有超過(guò)閾值的點(diǎn)中距離最近的點(diǎn)。和的值可根據(jù)具體的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。在南方電網(wǎng)某局的現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)工程中測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)和分別選擇150和10時(shí)，報(bào)警效果較好。

4　標(biāo)定方法

由于光纖傳感系統(tǒng)檢測(cè)距離和實(shí)際地理位置難以標(biāo)定，特別是采用S形敷設(shè)方法后，事件發(fā)生點(diǎn)到光纖傳感主機(jī)的光纜長(zhǎng)度和實(shí)際地理位置更加難以對(duì)應(yīng)。本文建立基于Web平臺(tái)[10]的管理系統(tǒng)，提出基于地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）[11]的標(biāo)定方法，可快速準(zhǔn)確地對(duì)分布式光纖入侵系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

基于GIS的定位算法流程圖如圖7所示。首先，在服務(wù)平臺(tái)添加報(bào)警節(jié)點(diǎn)表單，表單包括節(jié)點(diǎn)名稱（實(shí)際地理位置常用名稱）、距離（光纖傳感主機(jī)到此點(diǎn)所敷設(shè)的光纜長(zhǎng)度）、經(jīng)緯度（唯一標(biāo)示此點(diǎn)在地圖上的位置）等參數(shù)；然后，當(dāng)管理平臺(tái)接收到光纖傳感主機(jī)發(fā)來(lái)的報(bào)警信號(hào)后，提取報(bào)警信息中的距離信息，將報(bào)警距離和表單中的節(jié)點(diǎn)距離信息依次比較，找到最接近的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，判斷此節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)入侵事件并提醒用戶注意。

圖7　基于GIS的定位算法流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合電纜隧道安全監(jiān)測(cè)的具體應(yīng)用場(chǎng)景，本文提出了一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。與典型的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式（如基于低壓脈沖原理的系統(tǒng)、基于電子振動(dòng)傳感的智能井蓋、視頻監(jiān)控等）相比，光纖傳感系統(tǒng)在電纜隧道的監(jiān)控應(yīng)用中有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1) 現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需供電，解決了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、取電難等問(wèn)題；2) 無(wú)需對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行任何改造，避免引入新的不安全因素。此外本文根據(jù)電纜隧道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的特殊性，在分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)已有成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了事件識(shí)別算法和布線方式，建立了基于Web平臺(tái)的管理系統(tǒng)，提出了基于GIS的標(biāo)定方法。研究成果在南方某轄區(qū)進(jìn)行了工程試點(diǎn)，取得了良好的效果。

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Online Monitoring System for Cable Tunnel Safety Based on Distributed Fiber Sensor

(1. Dongguan Power Supply Bureau 2.Guangzhou JinLink Intelligence Technology Co., Ltd.)

In order to monitor the equipment and other assets’ safety of the cable tunnel for real-time online, and ensure the power grids running reliable, an online cable tunnel security status monitoring system based on distributed fiber sensor was proposed in this article. According to the special environmental particularity of cable tunnel, the event recognition algorithms and the method of laying fiber were special designed and optimized based on the existing achievements in the distributed optical fiber vibration sensing technology. The management system based on Web platform was established for online monitoring. And the calibration method based on geographic information system (GIS) was proposed. Field tests were presented at a certain area in the South and achieved good results.

Distributed Fiber Optic Sensing; Cable Tunnel; Event Recognition Algorithms

鄧紀(jì)倫，男，1976年生，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：供配電管理。E-mail: 13602302232@139.com

翁志輝，男，1973年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：光纖傳感、物聯(lián)網(wǎng)等。

金智群，男，1962年生，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：光纖傳感、物聯(lián)網(wǎng)等。