基于分布式光纖振動傳感的電纜外破監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測意義

近年來, 為滿足城市建設、環(huán)境美化的要求，越來越多電力線路采用電纜方式建設，地下電纜在輸配電系統(tǒng)中的比重越來越大,規(guī)模增長迅速。但是在服役過程中，電纜時常受到外力破壞, 故障隱患頻發(fā)，且類型、位置、時刻難以預知，電纜供電安全可靠的優(yōu)勢受到嚴重影響。因此,保障電纜供電不受外力破壞成為了電力運行部門急需解決的問題。但傳統(tǒng)運行維護技術無法有效匹配電力基礎設施的增長速度，致使電纜線路及電纜通道運維工作面臨著巨大壓力。

圖 1 頻發(fā)的電纜外破事故

基于分布式光纖振動傳感的電纜外破監(jiān)測系統(tǒng)依托分布式光纖振動傳感技術實現(xiàn)電纜外破監(jiān)測，實時測量傳輸線路周圍的振動情況,定位異常發(fā)生地點，并識別潛在威脅到光纜的垂直距離，從而有效評估外破威脅等級。該系統(tǒng)能夠提供可靠的傳輸線路防外力破壞預警功能，有力保證電力系統(tǒng)安全運行。

原理及系統(tǒng)簡介

本產品通過Ada-5000系列分布式光纖微擾動場感測儀構建監(jiān)測平臺。在原理上利用相位敏感型光時域反射計（Φ-OTDR）技術來探測振動，實現(xiàn)對外破事件的監(jiān)測。Φ-OTDR通常采用kHz級別的窄線寬激光器作為光源，通過向傳感光纖注入探測光脈沖，并檢測傳感光纖中由此產生的瑞利背向散射（RBS）信號來感知光纖所受到的外部擾動。該技術靈敏度*、測量響應速度快，能夠實現(xiàn)長距離全分布式的無盲區(qū)傳感，非常適合對地埋電纜周邊各類微擾動事件的監(jiān)測。

圖 2 相位敏感型光時域反射計（Φ-OTDR）工作原理

在測量原理上，當外部擾動發(fā)生時，光纖的長度、折射率等會隨著外部擾動事件發(fā)生變化，最終導致光纖相應位置產生的RBS光信號相位發(fā)生變化。Φ-OTDR通過分析外部擾動發(fā)生前后該位置的RBS相位變化，便可以對外部擾動事件進行定量測量。其原理如圖2所示：

圖 3外部擾動引起的應變大小與相位變化關系示意圖

通過信號處理可以提取出擾動位置的相位變化信息，就可以獲得外部擾動作用在待測光纖上引起的光纖長度變化，最終實現(xiàn)外部聲場的重構。結合信號分析，就能夠對電纜管廊附近發(fā)生的施工現(xiàn)象進行精確定位以及快速識別，達到提前預警、快速巡視排查、減少故障發(fā)生的幾率，保障電纜安全運行的目標。

圖 4 電纜外破監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖

電纜防外破監(jiān)測系統(tǒng)的核心解調裝置放置于監(jiān)控機房，用于光信號的輸出、光電轉換處理、采集信號，并能夠通過數字信號分析進行事件甄別和報警信息處理。結合光學多路復用模塊，可以實現(xiàn)單個站點對多條線路的輪詢檢測，其結構如圖3所示。裝置采用光纖單芯定位等一系列創(chuàng)新技術，通過對電纜線路上發(fā)生的對電纜有安全隱患的破壞行為、周邊環(huán)境施工等擾動的實時監(jiān)測, 采集和分析信息，判定擾動發(fā)生的位置、類型、強度，以幫助線路維護人員及時發(fā)現(xiàn)電纜的竊取、入侵和破壞行為。該裝置能夠在事件發(fā)生時實時監(jiān)測、準確定位、智能分析,還可以實現(xiàn)對事故發(fā)生的預警, 有效解決對電纜損毀的預警監(jiān)測，為值班人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

圖 5 標準機柜4U尺寸的檢測裝置硬件外觀

   系統(tǒng)的硬件裝置采用如圖4所示的標準4U結構，其內部結構緊湊，穩(wěn)定性強，能夠安裝在變電站通信機房的機柜內。裝置安裝便捷，只需將一根傳感光纖的單端接入就可完成裝置安裝。內置硬盤矩陣，可以完成長時間的監(jiān)測數據儲存，利用網絡接口和4G無線傳輸，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控與數據傳輸。

圖 6 基于B/S架構的外破信息展示

系統(tǒng)軟件中的數據預處理模塊對采集得到的振動信號進行實時的數據清洗，然后經過數據分析與模式識別模塊，分析沿線狀態(tài)量轉換為有效的機械作業(yè)引發(fā)的振動事件，再匹配線路數據與相關閾值參量，形成如圖6所示的實時監(jiān)測預警數據，并能夠通過B/S架構的軟件界面進行遠程展示與查詢。

圖 7 報警閾值的本地化自適應設置

為了提高系統(tǒng)的適應性，系統(tǒng)軟件將根據布設地點的實測數據，統(tǒng)計線纜周邊的環(huán)境背景噪聲特性，自動生成并動態(tài)調整報警閾值，提高設備現(xiàn)場安裝、調試的效率，如圖6所示。

圖 8 外破事件的精準識別

系統(tǒng)對振動信號的時域特征進行統(tǒng)計分析，研究信號的形態(tài)隨時間變化的規(guī)律，抽取短時能量、平均過零率、諧振頻率、子頻帶能量、香農熵等典型特征量作為信號判斷和識別的依據，結合譜減、自適應濾波等噪聲抑制方法，能夠有效降低虛警率。本系統(tǒng)一方面能夠實現(xiàn)單條線路或多條串/并聯(lián)電纜線路外破隱患的監(jiān)控和定位，形成電纜全線監(jiān)控體系，另一方面又能夠實現(xiàn)對電纜所有外破隱患點的全流程管控，做到線面結合。系統(tǒng)軟件通過架設的通信服務器，由GPRS/WIFI/OPGW光纖網絡等形式的網絡傳輸，將監(jiān)測裝置主機的實時監(jiān)測結果連接到遠端的監(jiān)控中心，實時監(jiān)測預警數據列表，供GIS模塊展現(xiàn)及相關管理人員瀏覽監(jiān)測運行日志，以事件為單位實現(xiàn)對每個隱患點的發(fā)現(xiàn)、處理全流程管控。同時利用移動端APP軟件，能夠實時發(fā)布、接收事件預警信息。通過監(jiān)控中心的實時數據同享，可及時推送故障預警信息，并可安排距離最近的人員快速達到現(xiàn)場，避免事故發(fā)生，并可通過遠程終端指導運維檢修，實現(xiàn)信息的移動互聯(lián)。

圖 9 基于GIS信息展示、移動端信息推送的智能巡檢平臺

   依托本系統(tǒng)可以有效地實時監(jiān)測地埋電纜周邊的施工振動情況，及時了解異常信號，有效減少地埋電纜故障發(fā)生的幾率，一旦周邊有異常施工和破壞，系統(tǒng)就可以發(fā)出及時預警。在故障發(fā)生后，能夠做到精準定位，快速確定故障點的位置，降低人工查巡工作量，提高故障搶修的效率。系統(tǒng)設備安裝在機房，采用通訊光纜的1芯光纖既作為傳感裝置又做數據通訊，無需額外加裝傳感器和供電電源。光電復合纜敷設的區(qū)段可全線監(jiān)測，全線路無盲區(qū)。系統(tǒng)軟件提供檢測預警數據的訪問接口，以備用戶的二次開發(fā)與集成。系統(tǒng)所構建的“線面結合、移動互聯(lián)" 監(jiān)測預警技術架構，可極大降低故障發(fā)生率和巡檢的工作強度，提升工作質量，是電纜外破監(jiān)測水平和管理水平的又一次提升！