一種分布式光纖傳感去噪方法及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

張曦壬

【摘 要】在智能電網(wǎng)發(fā)展中，利用傳統(tǒng)的傳感器已無法完成智能實(shí)時(shí)在線分析監(jiān)測(cè)等功能，光纖傳感以其連續(xù)分布式測(cè)量、抗電磁干擾、本征防雷、測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)，成本低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)采集的信號(hào)含大量的噪聲，為了提高信噪比與溫度分辨率，采用小波去噪方法，在確保空間分辨率的前提下提高了溫度分辨率；并分析了在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景。

【關(guān)鍵詞】分布式光纖溫度傳感器；小波去噪；溫度測(cè)量；智能電網(wǎng)

1 應(yīng)用背景

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展，明確要求將將目前電網(wǎng)的“故障報(bào)警”機(jī)制提升至“故障預(yù)測(cè)”機(jī)制。電網(wǎng)中電纜、高壓開關(guān)柜、電纜頭等易出故障處的工作溫度是非常重要的電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，直接關(guān)系到系統(tǒng)是否可以長(zhǎng)期安全、可靠運(yùn)行。為確定系統(tǒng)最佳的和最安全的載流能力，須對(duì)電力系統(tǒng)及其環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的溫度監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)的測(cè)溫法通常采用貼溫度標(biāo)簽法、測(cè)直阻法、紅外溫度測(cè)量等。以上送些方式總有這樣那樣的問題，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求：1.現(xiàn)場(chǎng)施工困難，作業(yè)步驟復(fù)雜；2.不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警；3.無法滿足現(xiàn)場(chǎng)高絕緣要求和高電磁干擾環(huán)境。將點(diǎn)式感溫裝置如熱電偶裝在電網(wǎng)重點(diǎn)檢測(cè)的部位， 只能對(duì)局部位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 無法對(duì)整條線路進(jìn)行監(jiān)控。分布式光纖測(cè)溫技術(shù)只需隨電網(wǎng)監(jiān)測(cè)區(qū)域敷設(shè)的一根光纖就可提供整個(gè)區(qū)域的運(yùn)行溫度， 具有連續(xù)分布式測(cè)量、抗電磁干擾、本征防雷、測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)，成本低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；滿足智能電網(wǎng)發(fā)展需求，在發(fā)、輸、變、配、用等電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中都有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 分布式光纖傳感原理及噪聲分析

分布式光纖測(cè)溫原理[1]如圖1所示，它是基于光時(shí)域反射原理（OTDR）與拉曼散射原理。當(dāng)一束高能脈沖光射入光纖時(shí)，隨著脈沖光的前向傳輸會(huì)產(chǎn)生后向散射現(xiàn)象；其中后向散射光中的拉曼光（斯托克斯光和反斯托克斯光）與溫度相關(guān)，當(dāng)光纖上某一部分溫度升高時(shí)，這部分后向散射的拉曼光強(qiáng)會(huì)升高，當(dāng)溫度降低時(shí)，拉曼散射光強(qiáng)會(huì)降低；利用這一原理就會(huì)推知光纖受到的溫度變化。OTDR原理為：發(fā)射光脈沖時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)采集器收到光脈沖時(shí)停止計(jì)時(shí)，由時(shí)間差乘以光在光纖中傳播的速度就可以對(duì)光纖上某一點(diǎn)進(jìn)行定位。這樣基于OTDR原理與拉曼散射原理，理論上就可以對(duì)光纖上任意一點(diǎn)的溫度變化進(jìn)行測(cè)量和定位。

由于分布式光纖測(cè)溫拉曼散射原理來對(duì)溫度進(jìn)行量測(cè)，光在光纖中傳輸及后向散射都會(huì)引入大量的噪聲；另外，在放大器、探測(cè)器以及數(shù)據(jù)采集過程中也會(huì)引入隨機(jī)噪聲、散粒噪聲等，使得有用信號(hào)（拉曼信號(hào)）被完全淹沒在噪聲中。噪聲有信號(hào)信噪比低、噪聲類型中白噪聲占主要優(yōu)勢(shì)、背向散射的信號(hào)強(qiáng)度隨著距離增加而減弱等特點(diǎn)，如圖2所示，使得信號(hào)提取非常困難。因此，必須對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行去噪處理，提高系統(tǒng)的信噪比。

3 小波去噪

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)信號(hào)去噪技術(shù)為線性累加平均去噪技術(shù)。通過對(duì)微弱光信號(hào)（包括反斯托克斯信號(hào)和斯托克斯信號(hào)）進(jìn)行多次測(cè)量并累加平均處理，消除噪聲，獲得去噪后的微弱光信號(hào)，從而提高系統(tǒng)的信噪比[2]。這是一種批量算法，采集完n個(gè)數(shù)據(jù)后，再由計(jì)算機(jī)計(jì)算其平均值。這種算法的缺點(diǎn)是計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性差；另一方面，累加平均雖簡(jiǎn)便易行但只能去除白噪聲，對(duì)于其它類型的噪聲不能有效去除，使得溫度分辨率難以提高。因此為了提高分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的溫度分辨率，必須在累加平均的基礎(chǔ)上采用新的去噪原理或技術(shù)對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行去噪。

在許多應(yīng)用中，我們借助于基函數(shù)研究信號(hào)的分解，例如，使用傅里葉將穩(wěn)定的信號(hào)分解為傅里葉級(jí)基。對(duì)于非穩(wěn)定信號(hào)（即頻率特性是時(shí)變的信號(hào)），傅里葉基就不適合了，它不適用于時(shí)間局部化。另外，改進(jìn)的短時(shí)傅里葉變換雖然實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在時(shí)-頻域內(nèi)局部的聯(lián)合分析，但其時(shí)間-頻率窗的寬度是固定不變的；因此，短時(shí)傅里葉變換不適應(yīng)于許多復(fù)雜的信號(hào)分析與處理。小波變換核心函數(shù)是小波函數(shù)，他在時(shí)域與頻域方面都是局部化的，而且在時(shí)域與頻域上都有較好的分辨率，被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”；所以，小波變換可對(duì)信號(hào)同時(shí)在時(shí)-頻域內(nèi)進(jìn)行聯(lián)合分析，達(dá)到去噪、平穩(wěn)信號(hào)的目的。

3.1 小波分析[2，3]

許多實(shí)際問題關(guān)心的是信號(hào)在局部范圍內(nèi)的特征。時(shí)-頻分析是描述時(shí)變非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的常用方法，它將一維時(shí)域或頻域信號(hào)映射到一個(gè)二維的時(shí)-頻平面，全面反映被測(cè)信號(hào)的時(shí)-頻特性；對(duì)信號(hào)同時(shí)在時(shí)間和頻率域內(nèi)進(jìn)行聯(lián)合分析。含有噪聲的信號(hào)可表示為：s（t）=f（t）+？滓*e（t） t=0，1，…，n_1

其中，s（t）為采集到的信號(hào)，f（t）為有用信號(hào)，e（t）為噪聲，為噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差。

有用信號(hào)包含在低頻部分；而噪聲信號(hào)通常包含在高頻部分。由于正交小波變換只對(duì)信號(hào)的低頻部分做進(jìn)一步分解，而對(duì)高頻部分也即信號(hào)的細(xì)節(jié)部分不再繼續(xù)分解，所以小波變換能夠很好地表征一大類以低頻信息為主要成分的信號(hào)。采集到的信號(hào)進(jìn)行小波分解，有用信號(hào)在低頻部分，數(shù)目少、幅值大；噪聲信號(hào)主要集中在高頻部分，幅值小、數(shù)目較多。針對(duì)此特點(diǎn)，可以應(yīng)用模極大極小值方法或者閾值值法對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理，達(dá)到去噪的目的。小波分解如圖3所示。

3.2 小波去噪過程[4]

由分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的噪聲分析可知，系統(tǒng)采集到的有用信息主要集中在低頻部分，噪聲信號(hào)多包含在高頻細(xì)節(jié)中。

小波去噪是小波分析在信號(hào)處理方面的具體應(yīng)用。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行了小波分解，用閾值進(jìn)行小波分解系數(shù)的量化處理，然后對(duì)小波信號(hào)再進(jìn)行重構(gòu)，即可達(dá)到信號(hào)去噪的目的。對(duì)含有噪聲的信號(hào)進(jìn)行小波去噪處理主要分為六個(gè)步驟：

（1）選擇合適的小波，根據(jù)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的噪聲分析特性，我們選用db4小波；

（2）確定小波分解的層次，根據(jù)實(shí)際信號(hào)的特點(diǎn)，選用3層分解；

（3）邊界延拓，對(duì)采樣數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是有限的，進(jìn)行延拓處理；endprint

（4）利用相關(guān)算法進(jìn)行小波分解；

（5）對(duì)小波系數(shù)根據(jù)閾值函數(shù)做閾值量化處理，采用軟閾值方法對(duì)小波分解的高頻系數(shù)進(jìn)行去噪處理；

（6）利用相關(guān)算法進(jìn)行小波重構(gòu)，獲得去噪后的信。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 電力電纜的溫度監(jiān)測(cè)

隨著城市建設(shè)發(fā)展的需要，架空線路入地成為發(fā)展趨勢(shì)。電纜隧道潮濕、陰暗、易浸水、含有毒有害氣體；這些情況造成巡檢困難，電力電纜也會(huì)由于長(zhǎng)期運(yùn)行而絕緣老化，造成局部升溫引發(fā)火災(zāi)及其他事故。因此，有必要對(duì)隧道內(nèi)電力電纜進(jìn)行全面連續(xù)實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)，為安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。通過把測(cè)溫光纜捆扎到需要監(jiān)測(cè)的電纜上來獲取沿電纜分布的溫度場(chǎng)的分布，及時(shí)掌握線路的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合環(huán)境溫度分析，有效監(jiān)測(cè)電纜在不同負(fù)載下的溫度變化，提高對(duì)電纜的管理水平[5]。另外，利用測(cè)得的電纜表面溫度計(jì)算出纜芯溫度，通過載流量評(píng)估模型計(jì)算出允許通過的最大載穩(wěn)態(tài)流量以及未來一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)載流量；幫助調(diào)度人員在未來的負(fù)荷分配中做出合理的選擇。

4.2 變電站的溫度監(jiān)測(cè)

變電站中許多高壓電力設(shè)備（如電纜接頭、母排、變壓器等），當(dāng)他們運(yùn)行期間使用時(shí)間過長(zhǎng)、流量過載、發(fā)生絕緣老化或者接觸不良時(shí)，某些部位會(huì)產(chǎn)生熱量聚集，如果不及時(shí)處理可能造成設(shè)備起火、燒毀引發(fā)重大事故。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)電絕緣、本征安全、不受電磁干擾等特性，可以以接觸的方式直接安裝到被測(cè)點(diǎn)上，通過監(jiān)測(cè)被測(cè)部位的溫度異常來預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障，并發(fā)出預(yù)警，防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。

4.3 高壓配電裝置的溫度監(jiān)測(cè)[6]

高壓開關(guān)柜是配電部分重要的電力設(shè)備，在前期施工安裝或者后期投運(yùn)的過程中易在避雷器、母線、動(dòng)靜觸頭、電纜搭接處等地方出現(xiàn)故障，從而對(duì)配網(wǎng)的可靠運(yùn)行帶來了隱患。隨著無人值守增多以及集約化、智能化管理水平的提高，需要對(duì)高壓開關(guān)柜及其他高壓設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)并將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳，便于事故隱患及早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，保證高壓設(shè)備的安全運(yùn)行。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以將光纖敷設(shè)到易出故障點(diǎn)，靈敏的探測(cè)被測(cè)點(diǎn)的溫度細(xì)微變化，根據(jù)差溫、定溫以及溫升速率變化等報(bào)警策略及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)出預(yù)警，有效的避免發(fā)生事故或引起火災(zāi)。

5 結(jié)語(yǔ)

分布式光纖測(cè)溫技術(shù)是近年來剛興起，具有抗電磁干擾、防雷擊、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)； 特別適合對(duì)電網(wǎng)中易發(fā)生故障部位進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；光纖測(cè)溫?zé)o疑是電力系統(tǒng)未來溫度監(jiān)測(cè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。光纖測(cè)溫技術(shù)可以提高分布式光纖傳感在輸電線路和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方面的廣泛應(yīng)用，大幅度增強(qiáng)電網(wǎng)感知的深度和廣度，提升電網(wǎng)交互性、自動(dòng)化、信息化，為智能電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知提供全面泛在支撐。

【參考文獻(xiàn)】

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