瑞利散射信號的遠距離OPGW光纜斷纖定位研究

陳小龍,汪 娟,盧 峰,桂 寧,張 婷

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司,安徽 合肥 230041)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會對電力供應不斷增長和能源可靠性的日益關(guān)注,電力輸電線路的運行和維護變得至關(guān)重要。其中,遠距離光纖復合架空地線(optical fiber composite overhead groud wire,OPGW)[1]作為一種集通信和電力傳輸于一體的高層可靠性光纜技術(shù),在電力系統(tǒng)中扮演著重要的角色。然而,由于外界因素的影響和潛在的災害風險,OPGW光纜可能會發(fā)生斷纖故障。這為正常的電力運行和監(jiān)測帶來了挑戰(zhàn)。OPGW[1]作為由電力線路和通信光纖共同組成的傳輸網(wǎng)絡(luò),在電力系統(tǒng)輸電過程中起到傳輸媒介的作用。然而,在給人類生活帶來便利的同時,因長期服役于室外環(huán)境,OPGW光纜存在斷纖的風險。暴雨、暴雪、冰災、高溫等惡劣環(huán)境是造成OPGW光纜斷纖的主要原因。盡管光纖光柵技術(shù)的優(yōu)化在一定程度上提高了OPGW光纜的抗高溫、抗電磁干擾和抗低溫性,但長期服役于惡劣環(huán)境使得OPGW光纜的非彈性形變能力持續(xù)下降。當應力累積超過界限值時,OPGW光纜極易因機械疲勞加重而導致斷纖。由此可見,檢測OPGW光纜狀態(tài)、定位光纜斷纖位置并及時開展運維檢修工作,對電力系統(tǒng)的安全運行具有重大意義。為此,相關(guān)人員對OPGW光纜斷纖定位方法進行研究。

李燦等[2]通過分布式傳感技術(shù)分析OPGW光纜在實際工況下的分布式布里淵頻移特性,并重點標注頻移速率低的線路位置,以此確定OPGW光纜的故障位置,實現(xiàn)遠距離OPGW光纜斷纖定位。阮峻等[3]提出了一種多脈寬組合測量的方法。該方法通過拼接測量結(jié)果,獲取了更遠的測量距離,拓展了光時域反射儀(optical time domain reflectometer,OTDR)的測量動態(tài)范圍。張訢煒等[4]通過采集OPGW光纜發(fā)生細微擾動時的光纖信號,獲取基于OPGW光纜的光纖信號波動曲線,并分別從時域和頻域特性分析該曲線,以實現(xiàn)遠距離OPGW光纜斷纖定位。

但是,以上方法在廣域大范圍的電力系統(tǒng)應用中存在一定問題。主要問題是一旦區(qū)域過大、距離過長,相關(guān)信號會明顯衰減。精準、高效的斷纖定位方法可以減少維護團隊的工作量和時間成本,提高電力系統(tǒng)的可靠性和恢復能力。為了進一步優(yōu)化光纜斷纖定位效果,本文提出一種基于廣域測量的遠距離OPGW光纜斷纖定位方法,實現(xiàn)了OPGW光纜斷纖的精準定位。

1 采集OPGW光纜的瑞利散射信號

1.1 瑞利散射大幅度波動信號特征提取

遠距離OPGW光纜之所以能夠協(xié)助電網(wǎng)運行、完成電力通信任務(wù),是因為OPGW光纜內(nèi)部含有導電性能較為優(yōu)越的材料分子。這些材料分子在光纖纖芯內(nèi)交互纏繞,組成了OPGW光纜的核心結(jié)構(gòu)。正常情況下,室外光線直射OPGW光纜外部,會有部分光子穿過膠質(zhì)進入OPGW光纜的核心結(jié)構(gòu)。這些能夠進入OPGW光纜內(nèi)部的光子被稱為入射光子。由于自然界光子具有布里淵散射特性[5],即光子在接觸光纖時會在脈沖差異的刺激下發(fā)生線性散射,當入射光子非均勻分布于OPGW光纜核心結(jié)構(gòu)時,光纖中的脈沖聲波會使入射光子反射出攜帶超聲波傳感參量信息的瑞利散射信號。這就是光學領(lǐng)域著名的瑞利散射原理。入射光子K的表達式為:

(1)

式中:y為入射光場強;i為超聲波傳感范圍;t為脈沖光能量,J。

布里淵散射特性L為:

(2)

式中:τ為光電轉(zhuǎn)換系數(shù);Δh為臨接散射點的歐氏距離;S為電纜導體橫截面面積,mm2。

瑞利散射信號H的表達式為:

(3)

式中:I1為光信號同向分量;I2為光信號異向分量;α為振幅增益,dB;b為光頻率,Hz。

如果OPGW光纜斷纖,則斷纖部位失去入射光子反射能力,此處瑞利散射信號的振幅也會瞬時下降至斷纖對應反射率的變化量。想要通過定位遠距離OPGW光纜斷纖來保障電網(wǎng)安全運行,可以參考瑞利散射原理,通過識別瑞利散射信號的波動情況來定位遠距離OPGW光纜的斷纖位置。

1.2 廣域測量系統(tǒng)設(shè)計

廣域測量系統(tǒng)是根據(jù)同步相量測量技術(shù)[6]搭建而成的高精度實時信號采集系統(tǒng)。廣域測量系統(tǒng)可以實時監(jiān)測遠距離OPGW光纜各點位的電流、電壓和相角等測量數(shù)據(jù)。當光纜發(fā)生斷纖故障時,電力線路中的測量數(shù)據(jù)會發(fā)生異常變化。通過檢測這些異常變化,可以及時發(fā)現(xiàn)光纜斷纖故障的位置。

廣域測量系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 廣域測量系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

信號采集模塊利用多組廣域測量單元采集電網(wǎng)運行途中遠距離OPGW光纜各點位的瑞利散射信號。信號采集結(jié)果F為:

F=fk(δ)

(4)

式中:fk為采樣間隔,s;δ為光纖沿線的電壓信號幅值,mV。

2 定位方法設(shè)計

由于遠距離OPGW光纜傳輸路徑中存在多徑傳播和隨機散射等因素,瑞利散射信號可能受到不同類型的噪聲影響。經(jīng)過廣域測量系統(tǒng)采集的瑞利散射信號因存在較高分量的噪聲,如熱噪聲、多徑衰落噪聲、信號自相干噪聲、外部干擾等,尚不能作為樣本信號判斷OPGW光纜斷纖位置。為了獲取更精確的定位結(jié)果,本文在應用瑞利散射信號識別OPGW光纜斷纖位置前,利用快速傅里葉變換去除干擾信號中的噪聲。在去除噪聲后,本文利用相位調(diào)制器擬合瑞利散射信號的幅值波動情況,并從中提取大幅變化的瑞利散射信號特征點,從而實現(xiàn)遠距離OPGW光纜斷纖定位。

2.1 基于快速傅里葉變換的信號去噪

局部放電白噪聲降噪方法是信號降噪方法的統(tǒng)稱。根據(jù)能量損耗和數(shù)字化濾波強度的差異,局部放電白噪聲降噪方法可以分為快速傅里葉變換[7]、自適應盲源分離、經(jīng)驗模態(tài)分解、改進模態(tài)分解和小波變換[8]?？紤]到瑞利散射信號具有尖峰或陡峭的波形,且這些波動在識別OPGW光纜斷纖上具有指導意義,因此瑞利散射信號通常采用特征信息保留度最高的快速傅里葉變換[9],即通過重構(gòu)噪聲魯棒性較高的瑞利散射信號獲取更為純凈的優(yōu)化信號。瑞利散射信號尖峰波形的曲率Q為:

(5)

式中:v為自適應閾值;ε為尖峰模態(tài)預估的中心頻率,Hz;r為尖峰模態(tài)的帶寬,bit/s;n為尖峰信號的幅值;weff為衰減振蕩頻率,Hz。

瑞利散射波形陡峭波形的曲率T為:

(6)

快速傅里葉變換結(jié)果D為:

(7)

優(yōu)化后瑞利散射信號J為:

(8)

式中:qi為高頻分量噪聲剔除率,%;bα為波形平滑度;bβ為信號均值;m為信號標準差。

2.2 大幅衰減信號特征提取

使用相位調(diào)制器有助于分離瑞利散射信號中的不同成分,從而更好地了解振幅波動情況。因此,在成功對OPGW光纜瑞利散射信號去噪的基礎(chǔ)上,本文采用相位調(diào)制器擬合三維視角下瑞利散射信號的振幅波動情況。通過調(diào)制相位,可以將瑞利散射信號分解成各頻率成分,使得振幅波動的特性能夠更好地被觀察和分析,以提高大幅衰減信號特征提取精度。相位調(diào)制器[10-11]又稱干涉型光纖傳感器。其核心思路圍繞相位載波解調(diào)原理展開,即從標準正弦信號和標準余弦信號兩種頻譜角度區(qū)分數(shù)公里光路的瑞利散射信號。其中:標準正弦信號對應OPGW光纜未斷纖時,入射光子在光纖中傳播所產(chǎn)生的反射現(xiàn)象;標準余弦信號對應OPGW光纜斷纖時,入射光子無法產(chǎn)生反射現(xiàn)象而出現(xiàn)的“陷波點”。相位調(diào)制器輸出結(jié)果W的表達式為:

(9)

式中:Ψ為瑞利散射信號頻移量,rad/s·V;z為相位信號突變率,%;σ為光纖芯徑,mm;γ為光纖軸向長度,mm。

相位載波解調(diào)結(jié)果B的表達式為:

(10)

式中:kn為解調(diào)瑞利散射信號的重復頻率,Hz;km為入射光子在光纖中的傳播速度,m/s;η為垂直分量。

標準正弦信號R的表達式為:

(11)

式中:ρ為正向散射曲線的總長度;Q′為低頻正交信號;pik為解調(diào)差分強度。

標準余弦信號V的表達式為:

(12)

式中:fi為負向散射曲線的總長度;fj為脈沖光探測波;μ為光纖等效反射率。

“陷波點”波動情況S的表達式為:

(13)

式中:tR為相位載波調(diào)制區(qū)間;v′為“陷波點”擾動強度;x為擾動強度與“陷波點”頻率的關(guān)系。

由相位調(diào)制器擬合的三維視角下,瑞利散射信號幅值波動情況如圖2所示。

圖2 瑞利散射信號幅值波動情況

由圖2可知,通過觀察瑞利散射信號的幅值波動情況,可識別信號幅值大幅跌落的OPGW光纜斷纖位置,從而實現(xiàn)遠距離OPGW光纜斷纖定位。

3 試驗與結(jié)果

為了驗證基于廣域測量的遠距離OPGW光纜斷纖定位的整體有效性,試驗對所提方法進行測試。

3.1 試驗準備

本文隨機選擇國內(nèi)某地區(qū)OPGW光纜作為驗證所提方法定位性能的試驗對象。

3.2 試驗結(jié)果分析

本文以實際瑞利散射信號幅值變化情況為基準進行試驗,從光纜斷纖定位距離、定位精度、定位效率三方面對所提方法進行驗證。

實際瑞利散射信號幅值變化情況如圖3所示。

圖3 實際瑞利散射信號幅值變化情況

①光纜斷纖定位距離。

根據(jù)實際瑞利散射信號幅值變化情況可知,距電力鐵塔最近的光纜斷纖位置在30 km處、最遠的光纜斷纖位置在250 km處。本文分別采用所提方法、文獻[2]的分布式傳感技術(shù)方法和文獻[3]的多脈寬組合測量方法定位遠距離OPGW光纜斷纖位置,并觀察不同方法能夠定位的有效距離。通過對比不同方法的有效距離,可以判斷不同方法對遠距離OPGW光纜斷纖的定位性能。

不同方法的有效距離如圖4所示。

由圖4可知,采用所提方法定位OPGW光纜斷纖位置,其有效距離為300 km。這說明所提方法對光纜斷纖位置的定位范圍較遠,能夠滿足遠距離OPGW的檢修要求。

所提方法在定位OPGW光纜斷纖位置前,優(yōu)先利用快速傅里葉變換優(yōu)化廣域測量系統(tǒng)采集的瑞利散射信號。而采用文獻[2]方法和文獻[3]方法定位OPGW光纜斷纖位置時,兩者的有效距離分別為190 km和210 km。該結(jié)果與所提方法存在較大差距。這說明文獻[2]方法和文獻[3]方法對光纜斷纖位置的定位范圍遠不及所提方法,無法滿足遠距離OPGW的檢修要求。經(jīng)上述對比可知,所提方法的遠距離OPGW光纜斷纖定位距離明顯優(yōu)于兩種對比方法。

②光纜斷纖定位精度。

為保證光纜斷纖定位精度測試的有效性,綜合有效距離試驗結(jié)果,本文將定位范圍設(shè)定為190 km,并分別采用所提方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法定位OPGW光纜斷纖位置。通過將不同方法的定位結(jié)果與圖3中的實際值對比,判斷不同方法對遠距離電力OPGW光纜斷纖的定位精度。

不同方法的對比結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,所提方法獲取的OPGW光纜斷纖定位結(jié)果無論是斷纖位置還是信號幅值波動情況均與實際值高度重合。這說明所提方法的精確度較高。文獻[2]方法和文獻[3]方法獲取的遠距離OPGW光纜斷纖定位結(jié)果無論是斷纖位置還是信號幅值波動情況均與實際值呈現(xiàn)整體偏離的趨勢。這說明文獻[2]方法和文獻[3]方法的精確度較低。經(jīng)上述對比可知,所提方法下遠距離OPGW光纜斷纖定位精度明顯優(yōu)于兩種對比方法。

③光纜斷纖定位效率。

本文分別采用所提方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法定位190 km內(nèi)OPGW光纜斷纖位置,并記錄不同方法消耗的時間。通過對比不同方法消耗的時間,可以判斷不同方法的定位效率。

所提方法定位190 km內(nèi)OPGW光纜斷纖僅花費20 min,即0.105 min/km。這說明所提方法的定位效率較高。文獻[2]方法和文獻[3]方法定位190 km內(nèi)OPGW光纜斷纖分別花費25 min和30 min,即文獻[2]方法約0.132 min/km,文獻[3]方法約0.158 min/km,均較所提方法用時更長。這說明文獻[2]方法和文獻[3]方法的定位效率較低。

經(jīng)上述對比可知,所提方法下遠距離OPGW光纜斷纖定位效率明顯優(yōu)于兩種對比方法。

4 結(jié)論

OPGW光纜作為光纜通信領(lǐng)域的常用線路,不僅便于鋪設(shè),還具備靈敏度高、抗振能力強等優(yōu)點。為保證OPGW光纜遠距離作業(yè)安全,本文提出了基于廣域測量的遠距離OPGW光纜斷纖定位方法。本文利用廣域測量系統(tǒng)采集光纖反射的瑞利散射信號,并結(jié)合快速傅里葉變換消除瑞利散射信號噪聲。通過相位調(diào)制器擬合幅值波動情況,判斷斷纖造成的大幅度跌落信號位置,實現(xiàn)遠距離OPGW光纜斷纖定位。試驗結(jié)果表明,所提方法具有較好的定位效果和效率。如何在保證遠距離OPGW光纜斷纖定位性能的同時,對OPGW光纜斷纖定位過程實行實時監(jiān)控,是研究人員下一步的研究重點。