基于分布式光纤振动传感的电缆外破监测系统

监(jian)测意义

近年来, 为(wei)满足城(cheng)市建(jian)设、环(huan)境美化的要求，越来越多(duo)电(dian)(dian)力(li)线(xian)路采(cai)用电(dian)(dian)缆(lan)(lan)方式建(jian)设，地下电(dian)(dian)缆(lan)(lan)在输配(pei)电(dian)(dian)系统中的比(bi)重越来越大,规模增(zeng)长迅速。但(dan)是在服役过程中，电(dian)(dian)缆(lan)(lan)时(shi)常(chang)受到外力(li)破坏(huai), 故障隐患频发，且(qie)类型、位(wei)置、时刻难以(yi)预知，电(dian)(dian)缆(lan)供电(dian)(dian)安全可靠的(de)优势受到(dao)严重(zhong)影(ying)响。因此,保障电(dian)(dian)缆(lan)供电(dian)(dian)不(bu)受外力破坏(huai)成为(wei)了电(dian)(dian)力运行(xing)部(bu)门急需解决的(de)问题。但传(chuan)统运行(xing)维护技术无法有(you)效匹配电(dian)(dian)力基础设施(shi)的(de)增长速度，致(zhi)使(shi)电(dian)(dian)缆(lan)线路(lu)及电(dian)(dian)缆(lan)通道运维工作面(mian)临着巨大压力。

图(tu) 1 频发的电缆外破事故

基于分布式光纤振动传感的电缆外破监测系统依托分(fen)布式光纤(xian)振动(dong)传(chuan)感技术实现电(dian)缆(lan)外(wai)破监(jian)测，实时测量(liang)传(chuan)输(shu)线(xian)路周围的振动(dong)情况,定位异(yi)常发生地点，并识别潜在威胁(xie)(xie)到光缆(lan)的垂直(zhi)距(ju)离，从而有(you)效评估外(wai)破威胁(xie)(xie)等级。该(gai)系统能够提供可靠的传(chuan)输(shu)线(xian)路防外(wai)力(li)破坏(huai)预(yu)警功能，有(you)力(li)保证电(dian)力(li)系统安全运行。

原理及系统简介

本产品通过Ada-5000系列分布(bu)式光(guang)(guang)纤微(wei)(wei)扰(rao)(rao)动场感测(ce)(ce)仪构(gou)建监测(ce)(ce)平台。在原理(li)上(shang)利(li)用相位敏感型光(guang)(guang)时域反射(she)计（Φ-OTDR）技(ji)术(shu)来探(tan)测(ce)(ce)振(zhen)动，实(shi)现对外破事件的(de)监测(ce)(ce)。Φ-OTDR通常采用kHz级(ji)别的(de)窄线宽激光(guang)(guang)器作(zuo)为光(guang)(guang)源(yuan)，通过向(xiang)传感光(guang)(guang)纤注入探(tan)测(ce)(ce)光(guang)(guang)脉(mai)冲，并检测(ce)(ce)传感光(guang)(guang)纤中由(you)此(ci)产生的(de)瑞(rui)利(li)背(bei)向(xiang)散(san)射(she)（RBS）信号来感知光(guang)(guang)纤所受到的(de)外部扰(rao)(rao)动。该(gai)技(ji)术(shu)灵(ling)敏度*、测(ce)(ce)量(liang)响应速度快，能(neng)够实(shi)现长距离全分布(bu)式的(de)无盲区传感，非常适合对地(di)埋电缆周(zhou)边各类微(wei)(wei)扰(rao)(rao)动事件的(de)监测(ce)(ce)。

图 2 相位敏感型光时域反(fan)射计（Φ-OTDR）工作原理

在(zai)测(ce)量(liang)(liang)原理上(shang)，当外部(bu)扰(rao)(rao)动发生(sheng)(sheng)时，光纤的(de)长度、折射率等会随(sui)着外部(bu)扰(rao)(rao)动事(shi)件发生(sheng)(sheng)变化，最终导(dao)致光纤相(xiang)应位(wei)置(zhi)产(chan)生(sheng)(sheng)的(de)RBS光信(xin)号(hao)相(xiang)位(wei)发生(sheng)(sheng)变化。Φ-OTDR通过分析外部(bu)扰(rao)(rao)动发生(sheng)(sheng)前(qian)后该位(wei)置(zhi)的(de)RBS相(xiang)位(wei)变化，便可以(yi)对(dui)外部(bu)扰(rao)(rao)动事(shi)件进行(xing)定量(liang)(liang)测(ce)量(liang)(liang)。其原理如图2所示(shi)：

图 3外部扰动引起的应变大小与相位变化关系示意图

通过信号处理可以提取出扰动位置的相位变化信息，就可以获得外部扰动作用在待测光纤上引起的光纤长度变化，最终实现外部声场的重构。结合信号分析，就能够对电缆管廊附近发生的施工现象进行精确定位以及快速识别，达到提前预警、快速巡视排查、减少故障发生的几率，保障电缆安全运行的目标。

图 4 电缆外破(po)监测系(xi)统结构框图

电(dian)(dian)缆防(fang)外破监测(ce)(ce)(ce)系(xi)统的(de)(de)(de)(de)核心解(jie)调装置(zhi)(zhi)(zhi)放置(zhi)(zhi)(zhi)于(yu)监控机房，用于(yu)光(guang)信(xin)(xin)号的(de)(de)(de)(de)输出、光(guang)电(dian)(dian)转换处理、采(cai)集信(xin)(xin)号，并能(neng)够通过(guo)数(shu)字信(xin)(xin)号分析(xi)(xi)进行(xing)(xing)事件甄(zhen)别(bie)和报警(jing)信(xin)(xin)息处理。结(jie)(jie)合光(guang)学多(duo)路复用模块，可以实(shi)现单个站点对(dui)多(duo)条线(xian)路的(de)(de)(de)(de)轮询检(jian)测(ce)(ce)(ce)，其结(jie)(jie)构(gou)如图(tu)3所示。装置(zhi)(zhi)(zhi)采(cai)用光(guang)纤单芯定(ding)(ding)位等一系(xi)列创新技术，通过(guo)对(dui)电(dian)(dian)缆线(xian)路上发(fa)(fa)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)对(dui)电(dian)(dian)缆有(you)安全隐(yin)患(huan)的(de)(de)(de)(de)破坏行(xing)(xing)为(wei)、周边(bian)环境(jing)施工等扰动(dong)的(de)(de)(de)(de)实(shi)时(shi)(shi)监测(ce)(ce)(ce), 采(cai)集和分析(xi)(xi)信(xin)(xin)息，判定(ding)(ding)扰动(dong)发(fa)(fa)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)(zhi)(zhi)、类型(xing)、强度，以帮助线(xian)路维护人员(yuan)及(ji)时(shi)(shi)发(fa)(fa)现电(dian)(dian)缆的(de)(de)(de)(de)窃取、入侵和破坏行(xing)(xing)为(wei)。该装置(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)够在(zai)事件发(fa)(fa)生(sheng)时(shi)(shi)实(shi)时(shi)(shi)监测(ce)(ce)(ce)、准(zhun)确定(ding)(ding)位、智(zhi)能(neng)分析(xi)(xi),还可以实(shi)现对(dui)事故发(fa)(fa)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)预警(jing), 有(you)效(xiao)解(jie)决(jue)(jue)对(dui)电(dian)(dian)缆损毁(hui)的(de)(de)(de)(de)预警(jing)监测(ce)(ce)(ce)，为(wei)值(zhi)班人员(yuan)提供告(gao)警(jing)、智(zhi)能(neng)分析(xi)(xi)和辅(fu)助决(jue)(jue)策支持。

图 5 标准机柜4U尺寸的检测(ce)装置硬件外观

   系统的硬件装置采用如图4所示的标准4U结构，其内部结构紧凑，稳定性强，能够安装在变电站通信机房的机柜内。装置安装便捷，只需将一根传感光纤的单端接入就可完成装置安装。内置硬盘矩阵，可以完成长时间的监测数据储存，利用网络接口和4G无线传输，可以实现远程监控与数据传输。

图 6 基于B/S架构的外破信息展示

系统(tong)软(ruan)(ruan)件(jian)中的(de)(de)(de)数据(ju)预处(chu)理(li)模块对采集得到的(de)(de)(de)振(zhen)动(dong)信(xin)号进行(xing)实时的(de)(de)(de)数据(ju)清洗，然后经过数据(ju)分(fen)析(xi)(xi)与模式识别模块，分(fen)析(xi)(xi)沿线(xian)状(zhuang)态量转换为有效(xiao)的(de)(de)(de)机械(xie)作业引(yin)发的(de)(de)(de)振(zhen)动(dong)事件(jian)，再匹配线(xian)路数据(ju)与相关阈值(zhi)参量，形成如图(tu)6所示的(de)(de)(de)实时监测预警数据(ju)，并能够(gou)通过B/S架构的(de)(de)(de)软(ruan)(ruan)件(jian)界面进行(xing)远程展示与查(cha)询。

图 7 报警阈值的本地化自适应设置

为了提高系统的适应性，系统软件将根据布设地点的实测数据，统计线缆周边的环境背景噪声特性，自动生成并动态调整报警阈值，提高设备现场安装、调试的效率，如图6所示。

图(tu) 8 外破事件的精(jing)准识别(bie)

系统对振动信号的时域特征进行统计分析，研究信号的形态随时间变化的规律，抽取短时能量、平均过零率、谐振频率、子频带能量、香农熵等典型特征量作为信号判断和识别的依据，结合谱减、自适应滤波等噪声抑制方法，能够有效降低虚警率。本系统一方面能够实现单条线路或多条串/并联电缆线路外破隐患的监控和定位，形成电缆全线监控体系，另一方面又能够实现对电缆所有外破隐患点的全流程管控，做到线面结合。系统软件通过架设的通信服务器，由GPRS/WIFI/OPGW光纤网络等形式的网络传输，将监测装置主机的实时监测结果连接到远端的监控中心，实时监测预警数据列表，供GIS模块展现及相关管理人员浏览监测运行日志，以事件为单位实现对每个隐患点的发现、处理全流程管控。同时利用移动端APP软件，能够实时发布、接收事件预警信息。通过监控中心的实时数据同享，可及时推送故障预警信息，并可安排距离最近的人员快速达到现场，避免事故发生，并可通过远程终端指导运维检修，实现信息的移动互联。

图 9 基于GIS信息展示、移动端信息推送的智能巡检平台

   依托(tuo)本系(xi)统(tong)(tong)(tong)可(ke)(ke)以有(you)效地(di)(di)实时监(jian)测(ce)(ce)地(di)(di)埋(mai)电(dian)(dian)缆(lan)(lan)周边的(de)施工(gong)振动(dong)情况，及时了(le)解异常(chang)信号，有(you)效减少地(di)(di)埋(mai)电(dian)(dian)缆(lan)(lan)故(gu)(gu)障(zhang)(zhang)发生(sheng)(sheng)的(de)几率(lv)，一(yi)旦(dan)周边有(you)异常(chang)施工(gong)和(he)(he)破坏，系(xi)统(tong)(tong)(tong)就可(ke)(ke)以发出及时预警(jing)。在故(gu)(gu)障(zhang)(zhang)发生(sheng)(sheng)后，能够(gou)做(zuo)到精准定位，快速确定故(gu)(gu)障(zhang)(zhang)点的(de)位置(zhi)，降低(di)人(ren)工(gong)查巡(xun)工(gong)作量(liang)，提(ti)高故(gu)(gu)障(zhang)(zhang)抢(qiang)修的(de)效率(lv)。系(xi)统(tong)(tong)(tong)设备(bei)(bei)安装(zhuang)在机(ji)房，采用通讯光(guang)缆(lan)(lan)的(de)1芯光(guang)纤既作为传感装(zhuang)置(zhi)又做(zuo)数据通讯，无需额外(wai)加装(zhuang)传感器和(he)(he)供电(dian)(dian)电(dian)(dian)源。光(guang)电(dian)(dian)复合(he)缆(lan)(lan)敷设的(de)区(qu)段可(ke)(ke)全(quan)线(xian)监(jian)测(ce)(ce)，全(quan)线(xian)路无盲区(qu)。系(xi)统(tong)(tong)(tong)软件提(ti)供检(jian)测(ce)(ce)预警(jing)数据的(de)访问接口(kou)，以备(bei)(bei)用户的(de)二次开发与(yu)集成。系(xi)统(tong)(tong)(tong)所构建(jian)的(de)“线(xian)面结合(he)、移(yi)动(dong)互联" 监(jian)测(ce)(ce)预警(jing)技(ji)术架构，可(ke)(ke)极(ji)大降低(di)故(gu)(gu)障(zhang)(zhang)发生(sheng)(sheng)率(lv)和(he)(he)巡(xun)检(jian)的(de)工(gong)作强度，提(ti)升工(gong)作质量(liang)，是电(dian)(dian)缆(lan)(lan)外(wai)破监(jian)测(ce)(ce)水平和(he)(he)管理水平的(de)又一(yi)次提(ti)升！