分布式光纖傳感技術(shù)助力通信線路維護(hù)智能化

趙錦輝 何濤 張成 胡莉娜 蔣燕

[摘 ? ?要]隨著電力配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、規(guī)模化以及智能化趨勢的不斷顯現(xiàn)，傳統(tǒng)電力通信線路維護(hù)工作中存在的定位不準(zhǔn)確、維護(hù)成本高以及基礎(chǔ)工作量大等問題也在不斷凸顯，在很大程度上制約著電力行業(yè)的服務(wù)水平和盈利能力，因此，如何提升電力通信線路的自動(dòng)化、智能化水平，成為了廣大企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人共同關(guān)注的問題。文章在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，論述了將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于電力通信線路維護(hù)工作的可行性與效益性?，F(xiàn)將相關(guān)研究結(jié)果總結(jié)于下文，以供參考。

[關(guān)鍵詞]分布式光纖傳感;通信線路;維護(hù)智能化;維護(hù)成本

[中圖分類號(hào)]TP212 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–00–03

Distributed Optical Fiber Sensing Technology Helps

Intelligent Maintenance of Communication Lines

Zhao Jin-hui，He Tao，Zhang Cheng，Hu Li-na，Jiang Yan

[Abstract]With the continuous emergence of complex structure， large-scale and intelligent trend of power distribution system， the problems of inaccurate positioning， high maintenance cost and large amount of basic work in the maintenance of traditional power communication lines are also becoming increasingly prominent. To a large extent， it restricts the service level and profitability of the power industry. Therefore， how to improve the automation and intelligence level of power communication lines has become a common concern of business leaders. Based on the previous research results and the author's years of work experience， this paper introduces the feasibility and benefit of applying distributed optical fiber sensing technology to power communication line maintenance. The relevant research results are summarized below for the reference of readers.

[Keywords]distributed optical fiber sensing; communication line; intelligent maintenance; maintenance cost

分布式光纖傳感技術(shù)具有通過感知所處環(huán)境擾動(dòng)情況和振動(dòng)幅度實(shí)現(xiàn)長距離實(shí)時(shí)監(jiān)測的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于電力通信線路的日常維護(hù)工作中，不僅能增強(qiáng)線路的安全性、穩(wěn)定性以及效益性，同時(shí)還可以減少運(yùn)維人員的實(shí)際工作量和電力企業(yè)的運(yùn)維成本。此外，隨著電力通信線路建設(shè)規(guī)模和覆蓋范圍的持續(xù)增加，傳統(tǒng)以人工防護(hù)為主的通信線路維護(hù)模式已表現(xiàn)出明顯的滯后性和片面性，

例如，當(dāng)通信線路發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)維人員只能通過實(shí)地查看的方式確定故障點(diǎn)的位置和故障產(chǎn)生的原因，大幅降低了通信線路維護(hù)工作的質(zhì)量和效率。即使部分線路采用了普通光纖監(jiān)測系統(tǒng)，但也只能在線路發(fā)生故障后才會(huì)發(fā)出預(yù)警，無法實(shí)現(xiàn)提前感知和預(yù)防線路周邊安全隱患的監(jiān)測目的。而分布式光纖傳感技術(shù)是1種在光時(shí)域反射原理上構(gòu)建的傳感測量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測通信線路的運(yùn)行狀態(tài)。

分布式光纖傳感器還具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、監(jiān)測范圍廣以及監(jiān)測結(jié)果精準(zhǔn)等優(yōu)勢，可準(zhǔn)確地測量出通信線路故障點(diǎn)的應(yīng)力大小、溫度高低以及振動(dòng)頻率強(qiáng)弱等數(shù)據(jù)信息，有效降低了運(yùn)維人員定位故障點(diǎn)和排查線路安全隱患的難度。因此，對(duì)本課題進(jìn)行深入的分析與研究，具有十分重要的意義。

1 分布式光纖傳感原理

光波與光介質(zhì)中的粒子相互作用形成的散射現(xiàn)象是分布式光纖傳感技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的核心原理，根據(jù)散射時(shí)光信號(hào)強(qiáng)度的不同，可將散射光劃分為瑞利散射（Rayleigh scattering）、布里淵散射（Brillouin scattering）以及拉曼散射（Raman scattering）3種類型，3種散射光譜分布情況，如圖1所示。

文章介紹的分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)是以布里淵散射原理為基礎(chǔ)建立的。反射光的頻率略低于入射光的頻率，通常用υB表示兩者之間的頻率差，即為布里淵頻移，當(dāng)出現(xiàn)背向布里淵散射現(xiàn)象時(shí)，可通過折射率n、聲學(xué)學(xué)速度νa以及真空波長3個(gè)參數(shù)計(jì)算出υB的數(shù)值。具體計(jì)算公式為：

兩個(gè)相反方向的波會(huì)形成1個(gè)移動(dòng)的折射率光柵;反射功率越大，折射率光柵越強(qiáng)，有效反射率越大。當(dāng)我們將探測脈沖光注入到傳感光纖后，脈沖光會(huì)在做經(jīng)過的區(qū)域產(chǎn)生背向的布里淵散射光，并沿著光纖傳輸路線反射回光纖入射端，此時(shí)，布里淵頻移數(shù)值υB與對(duì)應(yīng)位置處的光纖應(yīng)變量之間的關(guān)系可進(jìn)一步表示為：

式中，υB（ε）表示的是實(shí)際測量后獲得的布里淵頻率漂移量，υB（0）表示的是應(yīng)變等于0時(shí)產(chǎn)生的布里淵頻率的漂移量，表示的是比例系數(shù)。通常情況下，當(dāng)波長為1550 nm波長時(shí)，其比例系數(shù)為493 MHz/%，此時(shí)，可根據(jù)這一數(shù)值進(jìn)一步計(jì)算出光纖背向布里淵散射光的頻率漂移量υB，并以此為依據(jù)確定光纖沿線的應(yīng)變分布信息，最終實(shí)現(xiàn)分布式光纖應(yīng)變傳感的目的。當(dāng)前市場使用最為廣泛的布里淵散射分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)包含了布里淵光時(shí)域反射儀（BOTDR）、布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）以及布里淵光頻域分析儀（BOFDA）3種類型，其中布里淵光時(shí)域反射儀具有只需單端注入光脈沖、不需要搜集回路光纖信息等優(yōu)勢，被廣泛運(yùn)用于環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測距離跨度大的電力通信線路監(jiān)測中，當(dāng)前BOTDR儀器監(jiān)測距離已達(dá)到幾千米到幾十千米，且應(yīng)變測試精準(zhǔn)可控制在幾米至十幾米的范圍。

2 布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展歷程

2.1 布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）

布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）是以應(yīng)變與布里淵頻移之間的關(guān)系為依據(jù)構(gòu)建的1種應(yīng)變測量技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)測量的流程大致如下：由激光器分別向光纖的兩端注入頻差和布里淵頻移相等的泵浦光，利用兩束泵浦信號(hào)強(qiáng)度之間的差異，進(jìn)一步放大布里淵散射光的信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)布里淵散射光產(chǎn)生的信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等數(shù)據(jù)，明確線路產(chǎn)生故障的原因和具體位置，且隨著信噪比和布里淵散射光信號(hào)強(qiáng)度的不斷增加，系統(tǒng)測量的精準(zhǔn)度也會(huì)得到相應(yīng)的提高。布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）的系統(tǒng)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，且需要通過雙端攝入光源、控制兩個(gè)光源頻率差等才能實(shí)現(xiàn)其測量功能，并不適用于電力通信線路的監(jiān)測。

2.2 布里淵光頻域分析儀（BOFDA）

布里淵光頻域分析儀（BOFDA）依然是1種利用布里淵頻移原理實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量線路溫度和應(yīng)力變化情況的光纖傳感測量技術(shù)，但該測量技術(shù)所使用的空間定位技術(shù)不再是傳統(tǒng)的光時(shí)域反射儀，而是通過測量光纖復(fù)合基帶傳輸函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。這主要是由于復(fù)合基帶傳輸函數(shù)能夠顯示出注入光纖的探測光振幅與泵浦光振幅之間的關(guān)系，并計(jì)算出光纖受到?jīng)_擊后產(chǎn)生的響應(yīng)情況，從而根據(jù)沖擊響應(yīng)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息計(jì)算出通信線路的應(yīng)變情況和溫度值。但是，布里淵光頻域分析儀依然存在著需要使用雙光源、雙端攝入等弊端，且使用成本高昂，因此，其在電力通信線路監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍也相對(duì)較小。

2.3 布里淵光時(shí)域反射儀（BOTDR）

布里淵光時(shí)域反射儀（BOTDR）是1項(xiàng)在光時(shí)域反射儀基礎(chǔ)上延伸而來的新型測量技術(shù)，它主要是通過計(jì)算發(fā)端向光纖注入光脈沖和獲取背向布里淵散射光之間的時(shí)間差與光速之間的關(guān)系，確定光纖發(fā)生故障的空間位置，同時(shí)再根據(jù)光纖中光信號(hào)強(qiáng)度的衰減情況測量散射信號(hào)的強(qiáng)度。

隨著溫度和應(yīng)變等外界因素的改變，光纖中形成的布里淵散射信號(hào)的頻移和強(qiáng)度等也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，還可以運(yùn)用光時(shí)域反射儀（BOTDR）測量光纖所處環(huán)境的溫度信息和所受到的外力影響，且基于BOTDR的傳感方式只需要使用單向光源就能實(shí)現(xiàn)定位故障點(diǎn)和判斷故障點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)因素等工作目標(biāo)，可幫助運(yùn)維人員及時(shí)全面地掌握光纖運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行效率，在減少運(yùn)維人員工作負(fù)擔(dān)的同時(shí)，提升通信線路故障的處理質(zhì)量和處理效率。

3 分布式光纖傳感技術(shù)在通信線路維護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 通信線路健康監(jiān)測

覆冰監(jiān)測作為智能電網(wǎng)監(jiān)測工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是決定電網(wǎng)自動(dòng)化和智能化水平的核心因素，受架空線路距離長、所處環(huán)境惡劣以及電磁環(huán)境復(fù)雜等因素的影響，僅僅依靠傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測技術(shù)已無法實(shí)現(xiàn)全面、及時(shí)、準(zhǔn)確檢測架空線路實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的目的。

為有效解決上述問題，電力企業(yè)在很多新建輸電線路中都鋪設(shè)了光纖復(fù)合相線（optical phase conductor，OPPC）和光纖復(fù)合架空地線（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW），為將光纖傳感器應(yīng)用于輸電線路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)條件?？赏ㄟ^將光纖溫度傳感器和光纖應(yīng)變傳感器安裝于輸電線路和輸電桿塔上等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路和桿塔的監(jiān)測。

例如，當(dāng)輸電線路表面出現(xiàn)覆冰情況時(shí)，其所承受的應(yīng)力就會(huì)隨之變大，此時(shí)，可以根據(jù)應(yīng)力的變化情況計(jì)算出線路重量的增加量，并以此為依據(jù)推算出冰層的厚度，為后期維護(hù)工作的開展提供可靠的參考依據(jù)。

可通過在電纜上安裝光纖振動(dòng)傳感器的方式，獲取線路在不同風(fēng)力條件下產(chǎn)生的舞動(dòng)情況，防止因舞動(dòng)幅度過大導(dǎo)致桿塔倒塌的事故發(fā)生。

布里淵分布式光纖傳感器還可以同時(shí)監(jiān)測線路的溫度和應(yīng)力的變化情況，且具有傳感距離長、受電磁干擾能力強(qiáng)以及適用范圍廣等優(yōu)勢，可有效減少線路巡檢人員的工作負(fù)擔(dān)。

3.2 通信線路運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測

分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于通信線路運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測，可有效實(shí)現(xiàn)將電力通信線路監(jiān)測模式由傳統(tǒng)人工巡檢模式轉(zhuǎn)化為技術(shù)監(jiān)測模式的目的，提升通信線路的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效率，為廣大用電客戶提供更加安全穩(wěn)定的電力能源。此外，將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于通信線路維護(hù)，還能從根本上提升線路維護(hù)工作的智能化水平，使預(yù)防、維修以及養(yǎng)護(hù)等工作從傳統(tǒng)的人工模式轉(zhuǎn)化為自動(dòng)化、智能化的傳感監(jiān)控模式，大幅提升了線路維護(hù)工作的實(shí)效性和準(zhǔn)確性。

例如，可通過對(duì)比通信線路各區(qū)域應(yīng)力變化情況的方式，判斷線路經(jīng)過區(qū)域是否出現(xiàn)緊固件松動(dòng)、漂浮物附著以及線路因地震、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害斷裂等情況，為準(zhǔn)確查找和定位線路故障點(diǎn)提供真實(shí)可靠的參考依據(jù)。

電力通信線路作為1個(gè)統(tǒng)一的整體，一旦某個(gè)部位或某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)線路的癱瘓，如果不對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的維修與養(yǎng)護(hù)，勢必會(huì)增強(qiáng)供電企業(yè)的實(shí)際運(yùn)營成本。而以分布式光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的通信線路監(jiān)測系統(tǒng)具有兼容性強(qiáng)、運(yùn)行成本低以及測量結(jié)果精準(zhǔn)等優(yōu)勢，可幫助通信線路運(yùn)維人員準(zhǔn)確定位故障位置和制定故障修復(fù)方案，確保通信線路長期處于一種安全穩(wěn)定的環(huán)境中運(yùn)行。

3.3 通信線路溫度變化情況監(jiān)測

隨著用電設(shè)備的不斷革新，用戶對(duì)電力能源的安全性、便捷性以及穩(wěn)定性等提出了更高的要求，通信線路在實(shí)際運(yùn)行的過程中，常常會(huì)因?yàn)閭鬏旊娏鬟^大、電纜接頭松動(dòng)、絕緣層老化等原因，引起電纜表面溫度升高、絕緣層或保護(hù)層發(fā)生陰燃等安全風(fēng)險(xiǎn)，不僅無法滿足廣大用電客戶的實(shí)際用電需求，還大幅增加了供電企業(yè)的運(yùn)維成本。由于電纜在發(fā)生短路故障之前往往會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，所以，如果能及時(shí)掌握線纜溫度的變化情況，就能提前發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患，確保通信線路的正常運(yùn)行。

傳統(tǒng)的電纜監(jiān)測技術(shù)采用的是感溫電纜技術(shù)，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量電纜溫度、實(shí)時(shí)報(bào)送電纜溫度以及遠(yuǎn)程監(jiān)測電纜溫度等監(jiān)測目的。而基于分布式光纖傳感技術(shù)構(gòu)建的電纜溫度測量系統(tǒng)，不僅可以準(zhǔn)確測量溫度異常的故障區(qū)域，還能判斷出溫度變化的速度和分析出制約電纜流量的具體原因，可實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防電纜故障的監(jiān)測目的。

分布式光纖傳感技術(shù)構(gòu)建的測溫系統(tǒng)還能根據(jù)溫度的變化情況判斷電纜表面的結(jié)構(gòu)、電纜線芯的溫度以及電流量的變化情況等信息，使運(yùn)維人員能夠快速的確定電纜的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)采取調(diào)整負(fù)荷電流等方式增強(qiáng)電纜的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

在分布式光纖傳感技術(shù)日益成熟、大數(shù)據(jù)智能算法不斷完善等因素的共同作用下，通信線路監(jiān)測系統(tǒng)的精準(zhǔn)性、安全性、穩(wěn)定性以及效益性等都得到了顯著的提升，使電力企業(yè)能夠在控制線路運(yùn)維成本的同時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理線路中出現(xiàn)的故障。且該通信線路監(jiān)測系統(tǒng)還具有監(jiān)測距離長、抗電磁次干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，可滿足不同環(huán)境下通信線路的監(jiān)測和維護(hù)需求，值得在今后的工作中不斷推廣和使用。通信線路運(yùn)維人員，也應(yīng)當(dāng)樹立終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，在今后的工作中不斷總結(jié)和積累工作經(jīng)驗(yàn)，積極完善自身的專業(yè)技術(shù)和業(yè)務(wù)水平，以便于可以最大限度地發(fā)揮分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)在電力通信線路監(jiān)測中的作用和價(jià)值，為供電領(lǐng)域通信線路智能化水平的提升提供充足的人力資源保障。

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