基于分布式光纖溫度傳感器的電纜故障定位研究

徐鴻福， 范偉強(qiáng)

(1.遼寧省電力有限公司阜蒙縣供電分公司，遼寧 阜新 123100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)信息所，北京100083)

基于分布式光纖溫度傳感器的電纜故障定位研究

徐鴻福1， 范偉強(qiáng)2

(1.遼寧省電力有限公司阜蒙縣供電分公司，遼寧 阜新 123100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)信息所，北京100083)

為了提高全分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)輸配電電纜的測(cè)溫準(zhǔn)確度和故障定位精度，建立了基于反斯托克斯與斯托克斯拉曼散射信號(hào)時(shí)間的故障定位數(shù)學(xué)模型，提出了一種電纜表面溫度與拉曼強(qiáng)度比導(dǎo)函數(shù)作為故障閾值的信號(hào)檢測(cè)方法，對(duì)電纜故障信號(hào)檢測(cè)方法的去噪效果和檢測(cè)信號(hào)隨故障時(shí)間變化進(jìn)行了仿真分析。仿真分析結(jié)果表明，電纜表面溫度與拉曼強(qiáng)度比函數(shù)多次平均去噪的方法，能夠降低噪聲對(duì)信號(hào)的干擾；導(dǎo)函數(shù)與故障閾值相比較的電纜檢測(cè)信號(hào)方法，提高了電纜故障點(diǎn)定位的精度。

拉曼強(qiáng)度比；故障閾值；斯托克斯；去噪；定位

目前，配電線纜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過溫度異常點(diǎn)反演故障位置成為了現(xiàn)今的研究熱點(diǎn)。在中國(guó)國(guó)內(nèi)配電線纜溫度監(jiān)測(cè)和故障定位中，主要是通過分布式光纖傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳后終端進(jìn)行綜合分析，最終形成了一個(gè)集溫度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、故障定位等功能于一體的電纜網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。由于分布式拉曼光纖傳感器具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學(xué)腐蝕、可嵌入等特點(diǎn)[2]，因此該傳感技術(shù)不僅能在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)電纜溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以將每個(gè)測(cè)量故障點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確傳送到控制中心[3]。控制中心精確啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)措施和通知檢修人員及時(shí)采取措施進(jìn)行搶修，防止電纜事故進(jìn)一步擴(kuò)大[4]。本文闡述了基于全分布式拉曼光纖傳感器的基本原理，分析了光纖測(cè)溫原理與電纜故障點(diǎn)定位的關(guān)系，根據(jù)全分布式拉曼光纖傳感技術(shù)構(gòu)建了電纜故障定位中的精確測(cè)量模型，并采用溫度與拉曼強(qiáng)度比函數(shù)多次平均去噪的方法，準(zhǔn)確提取了故障點(diǎn)測(cè)溫信號(hào)，通過MATLAB仿真分析驗(yàn)證了溫度與拉曼強(qiáng)度比導(dǎo)函數(shù)作為故障閾值信號(hào)檢測(cè)方法的可靠性。

1 全分布拉曼光纖溫度傳感器的技術(shù)原理

分布式拉曼光纖傳感技術(shù)是一種先進(jìn)的光時(shí)域分析技術(shù)[5]。當(dāng)入射光在光纖中傳播時(shí)與光纖介質(zhì)相互作用后會(huì)使光纖中的各種光學(xué)特性不均勻，并產(chǎn)生三種不同頻移的散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射[6]。光纖中3種散射光的特征散射譜[7]如圖1所示。

圖1 光纖散射頻譜圖

根據(jù)散射光與入射光的頻率關(guān)系，可以將散射光分為彈性散射和非彈性散射。拉曼散射是非彈性散射，當(dāng)拉曼散射光波長(zhǎng)高于入射光波長(zhǎng)時(shí)稱為斯托克斯散射光；拉曼散射光波長(zhǎng)低于入射光波長(zhǎng)時(shí)稱為反斯托克斯散射光。

光纖入射光子吸收一個(gè)聲子產(chǎn)生一個(gè)斯托克斯拉曼光子，同時(shí)釋放一個(gè)反斯托克斯拉曼光子，其表達(dá)式為

hvs=h(vp-Δv)

(1)

hvAS=h(vp-Δv)

(2)

式中：h為普朗克常量；Δv為拉曼聲子頻率1.32×1013Hz；vp、vs、vAS分別為入射光、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光的頻率。

由式(1)、(2)可知，當(dāng)激光脈沖在光纖中傳播時(shí)，每個(gè)激光脈沖產(chǎn)生的背向斯托克斯拉曼散射光的通量為

(3)

背向反斯托克斯拉曼散射光的通量為

(4)

式中：Ks、KAS為與光纖的反斯托克斯拉曼散射和斯托克斯拉曼散射截面有關(guān)的系數(shù)；α0、αAS、αs為光纖入射光、反斯托克斯散射光、斯托克斯散射光的平均傳播損耗；Rs(T)和RAS(T)為與光纖分子能級(jí)有關(guān)的溫度調(diào)制函數(shù)；L為測(cè)量光電纜長(zhǎng)度。

背向斯托克斯拉曼散射與背向反斯托克斯拉曼散射的溫度調(diào)制函數(shù)[6]由玻爾茲曼定律得到與光纖分子能級(jí)有關(guān)的溫度調(diào)制函數(shù)為

Rs(T)=[1-exp(-hΔv/kBT)]-1

(5)

RAS(T)=[exp(-hΔv/kBT)-1]-1

(6)

式中：T為電纜測(cè)量溫度；kB為玻爾茲曼常數(shù);kB=1.380×10-23J·K-1。

根據(jù)玻爾茲曼定律，由式(5)、(6)帶入式(3)、(4)，得到入射激光與被測(cè)光纖分子在非線性互相作用下，反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度比為

exp[-(αAS-αS)·L]

(7)

由式(7)就得到了基于全分布式光纖自發(fā)拉曼散射的各段光纖的溫度信息。

2 基于分布式光纖測(cè)溫的電纜故障定位設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，電纜故障引起的表面溫度升高，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)光纖的斯托克斯和反斯托克斯波段的光纖衰減系數(shù)不可預(yù)知[8]?；谑?7)反演電纜各段的溫度，將會(huì)造成故障點(diǎn)難以定位。下面主要研究采用斯托克斯拉曼散射光子與反斯托克斯拉曼散射光子的雙光路溫度解調(diào)方法來抵消光源波動(dòng)影響[6]和以電纜正常運(yùn)行時(shí)溫度與拉曼強(qiáng)度比函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為故障閾值，同時(shí)以檢測(cè)故障時(shí)間進(jìn)行故障反演的定位技術(shù)。通過該方法來提高待測(cè)信號(hào)的信噪比和實(shí)現(xiàn)電纜故障點(diǎn)精確定位。

2.1 雙光路溫度解調(diào)算法

在拉曼光纖傳感器測(cè)量中，由于系統(tǒng)引入了光學(xué)器件的標(biāo)準(zhǔn)具噪聲和電學(xué)器件的隨機(jī)噪聲等[3]。為了提高電纜溫度測(cè)量的精度，由式(7)與標(biāo)定溫度下反斯托克斯拉曼光與斯托克斯拉曼光的強(qiáng)度比得到的拉曼強(qiáng)度比，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及反演電纜溫度分布場(chǎng)。

在標(biāo)定溫度T0時(shí)，由式(7)得到拉曼強(qiáng)度比F(T)與電纜表面溫度的關(guān)系：

(8)

將式(8)化簡(jiǎn)得出拉曼強(qiáng)度比與待測(cè)溫度的關(guān)系式為

(9)

2.2 電纜故障定位算法

在分布式拉曼光纖傳感器對(duì)輸配電線纜進(jìn)行故障反演時(shí)，通過對(duì)式(9)求導(dǎo)得到溫度閾值函數(shù)，并在多個(gè)輸入脈沖下對(duì)監(jiān)測(cè)到的電纜拉曼溫度數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)溫度曲線大于溫度閾值曲線時(shí)，記錄監(jiān)測(cè)時(shí)刻并通過脈沖在光纖中傳播時(shí)間來反演故障點(diǎn)即可查找故障點(diǎn)準(zhǔn)確位置。

設(shè)正常情況下測(cè)得的電纜溫度函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)為其自適應(yīng)閾值，通過對(duì)溫度函數(shù)多次疊加來減小系統(tǒng)隨機(jī)噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，由式(9)求導(dǎo)得到溫度閾值函數(shù)為

(10)

式中：T′為拉曼強(qiáng)度比與待測(cè)溫度的關(guān)系式T的導(dǎo)函數(shù)。

當(dāng)入射激光脈沖進(jìn)入光纖時(shí)開始計(jì)時(shí)，脈沖在光纖中發(fā)生非彈性拉曼散射后，背向散射信號(hào)會(huì)在接收端的時(shí)刻被接收[9]。由光時(shí)域反射原理的計(jì)時(shí)時(shí)間判斷散射信號(hào)在光纖中的位置[10]，表達(dá)式為

(11)

式中：β為信號(hào)接收延時(shí)系數(shù)；c為光在真空中傳播速度；n為光纖纖芯折射率；t為信號(hào)發(fā)射到接收時(shí)間。

當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)附近的溫度會(huì)上升，其分布式拉曼光纖傳感器監(jiān)測(cè)到的拉曼溫度導(dǎo)函數(shù)曲線值在某一段值大于其溫度閾值，記錄得到對(duì)應(yīng)的異常點(diǎn)接收時(shí)間t，將溫度異常點(diǎn)接收時(shí)間帶入式(11)來反演出電纜故障點(diǎn)[11-12]。

3 電纜故障定位仿真分析

通過采集多個(gè)脈沖輸入下的拉曼溫度反射曲線隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，在監(jiān)控溫度狀態(tài)正常時(shí)將溫度曲線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，實(shí)時(shí)刷新分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并與閾值函數(shù)實(shí)時(shí)對(duì)比。當(dāng)電纜出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)測(cè)的拉曼溫度反射曲線較正常運(yùn)行時(shí)的閾值出現(xiàn)明顯異常。

該MATLAB仿真系統(tǒng)采用斯托克斯拉曼光通量作為參考信號(hào)的斯托克斯拉曼散射光子與反斯托克斯拉曼散射光子的雙光路溫度解調(diào)方法。此解調(diào)方法得到的溫度函數(shù)可以避免系統(tǒng)光源波動(dòng)以及采樣誤差對(duì)溫度檢測(cè)造成的影響。

在正常工作狀態(tài)下，整條線纜溫度保持恒定。在標(biāo)定光纖溫度為時(shí)，經(jīng)過理論計(jì)算得到不同溫度下的拉曼散射強(qiáng)度比[13]如表1所示。根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果繪制溫度與拉曼強(qiáng)度比的關(guān)系曲線如圖2所示。經(jīng)過多次平均去噪算法處理后，溫度與拉曼散射強(qiáng)度比的關(guān)系曲線如圖3所示。

表1 溫度與拉曼散射強(qiáng)度比

圖2 光纖溫度與拉曼強(qiáng)度比關(guān)系

圖3 平均去噪溫度與拉曼強(qiáng)度比導(dǎo)函數(shù)關(guān)系

從圖2可以看出，拉曼強(qiáng)度比與電纜溫度的關(guān)系簡(jiǎn)化為線性關(guān)系，實(shí)際上噪聲的引入、光纖損耗和光纖彎曲等因素將造成系統(tǒng)測(cè)量誤差。為了減小系統(tǒng)誤差，引入電纜溫度與拉曼強(qiáng)度比的閾值函數(shù)關(guān)系，并多次累加求取平均值的算法來提高測(cè)量精度。仿真得到拉曼強(qiáng)度比與溫度導(dǎo)函數(shù)關(guān)系、多次累加求取平均值后得溫度閾值函數(shù)關(guān)系分別如圖4、圖5所示。

圖4 電纜溫度與拉曼強(qiáng)度比導(dǎo)函數(shù)關(guān)系

圖5 多次累加平均后的溫度閾值函數(shù)關(guān)系

根據(jù)圖4和圖5對(duì)比分析，溫度與拉曼強(qiáng)度比函數(shù)經(jīng)過求導(dǎo)并多次累加降噪處理后，得到的溫度閾值函數(shù)更趨于平穩(wěn)，去噪效果更顯著。

在正常工作狀態(tài)下，整條線路溫度保持恒定，同時(shí)隨著線纜長(zhǎng)度增加，拉曼強(qiáng)度比減小。在溫度閾值為30℃時(shí)，仿真線纜拉曼強(qiáng)度與溫度關(guān)系如圖6所示。當(dāng)電纜某處故障發(fā)生時(shí)，其溫度逐漸升高，光纖拉曼傳感器監(jiān)測(cè)到線纜實(shí)時(shí)溫度與拉曼強(qiáng)度比關(guān)系如圖7所示。

圖6 電纜拉曼強(qiáng)度比與溫度閾值函數(shù)關(guān)系

圖7 某點(diǎn)故障時(shí)溫度與全段電纜溫度閾值函數(shù)關(guān)系

從圖6和圖7對(duì)比分析可知，電纜發(fā)生某處故障時(shí)，該處溫度會(huì)升高。故障點(diǎn)在拉曼強(qiáng)度比0.85～0.95時(shí)，線纜溫度大于溫度閾值時(shí)，仿真溫度呈逐漸升高趨勢(shì)，如圖8所示。

在圖8中，獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間為t2>t1>t0。根據(jù)波形變化可知，電纜某一點(diǎn)突發(fā)異常時(shí)，溫度變化值監(jiān)測(cè)時(shí)間發(fā)生變化，溫度閾值函數(shù)能夠準(zhǔn)確分析電纜故障點(diǎn)處溫度值逐漸升高趨勢(shì)。

當(dāng)電纜某處發(fā)生故障時(shí)，分布式光纖傳感器比較該處拉曼強(qiáng)度處溫度變化，發(fā)出報(bào)警和記錄信號(hào)接收時(shí)間。通過記錄激光器發(fā)射入射激光脈沖到拉曼光纖傳感器接收到該異常點(diǎn)的反斯托克斯拉曼散射強(qiáng)度的時(shí)間t，由式(11)準(zhǔn)確計(jì)算出電纜故障點(diǎn)，并及時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的電路保護(hù)設(shè)備，及時(shí)維修。

圖8 電纜故障處實(shí)時(shí)溫度與溫度閾值函數(shù)關(guān)系

4 結(jié) 論

本文以分布式光纖溫度傳感器測(cè)量線纜表面溫度作為監(jiān)測(cè)配電線纜運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，采用溫度與拉曼強(qiáng)度比導(dǎo)函數(shù)作為故障閾值的信號(hào)檢測(cè)方法，通過仿真分析得到配電線纜故障點(diǎn)溫度與拉曼強(qiáng)度曲線隨溫度閾值變化關(guān)系。

1) 對(duì)斯托克斯與反斯托克斯后向散射信號(hào)的拉曼強(qiáng)度進(jìn)行去噪算法處理，能準(zhǔn)確提取電纜故障點(diǎn)的溫度信號(hào)。

2) 系統(tǒng)直接利用降噪后的拉曼強(qiáng)度比導(dǎo)函數(shù)與溫度閾值函數(shù)關(guān)系曲線反演故障點(diǎn)位置，提高了對(duì)電纜的異常溫度變化監(jiān)測(cè)和故障位置的判斷。

3) 基于分布式光纖拉曼故障定位技術(shù)對(duì)于預(yù)防由電纜安全隱患引起的電網(wǎng)事故、快速查找故障點(diǎn)及檢修方面有一定的借鑒作用。

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Study of cable fault location based on distributed optical fiber temperature sensor

XU Hongfu1,FAN Weiqiang2

(1.Fumeng County Power Supply Subsidiary,Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Fuxin 123100,China; 2.Information Institute,China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China)

In order to improve the temperature measurement accuracy and fault location precision of power transmission and distribution cable impacted by fully distributed optical fiber temperature measurement system on, a mathematical model of fault location is built based on anti-Stokes and Stokes Raman scattering signal time; a signal detection method is proposed by taking cable surface temperature and Raman intensity ratio function as fault threshold; and denoising effect and the detection signal through the cable fault signal detection method are simulated and analyzed with the change of the fault time. The simulation results show that the method of using cable surface temperature and Raman intensity ratio function to carry out average denoising for many times can reduce the influence of noise on the signal. Also, the method to detect signal of cable can improve positioning accuracy of the cable fault point.

Raman intensity ratio; failure threshold; Stokes; denoising; positioning

2017-02-07;

2017-06-13。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0801800) 。

徐鴻福(1975—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娋€路運(yùn)行與安全。

TM247;TN818

A

2095-6843(2017)05-0425-05

(編輯侯世春)