楊 斌，田 杰，江健武，段紹輝

（1.上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司，上海 201103；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

引 言

電力電纜是電力傳輸?shù)闹匾d體。但是人為因素（如：施工挖斷、被盜等）和自然災(zāi)害（如：滑坡、塌方、地基沉降、洪水等）會造成電纜線路故障，影響電力電網(wǎng)建設(shè)效能的發(fā)揮。因此，如何應(yīng)用科學(xué)手段實現(xiàn)對電力電纜的運行及環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警和定位、以便及時提醒線路維護人員提前采取預(yù)防措施顯得十分的緊迫和必要。

文中研究一種基于全光纖傳感技術(shù)的智能監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光纖傳感器對電網(wǎng)中的電力電纜線路的運行狀況進行全方位實時智能監(jiān)測。該智能監(jiān)測系統(tǒng)不但可實現(xiàn)對電力電纜線路的溫度、載流量、偷盜入侵等進行監(jiān)測，確保電網(wǎng)安全、高效運行，而且還可綜合分析處理各傳感器信息，在出現(xiàn)異常情況時，通過控制相應(yīng)的聯(lián)動設(shè)備采取一定的措施來保障電網(wǎng)正常運行。

圖1 光纖傳感原理圖Fig.1 Principle scheme of optical fiber sensing

1 光纖傳感原理

分布式光纖傳感技術(shù)是利用光在光纖中傳輸時產(chǎn)生后向散射信號和光時域反射［1－3］（optical time domain reflectometer，OTDR）技術(shù)來獲取溫度等參量的分布信息。當具有一定能量的泵浦光（ν0）注入到光纖中時，入射光子與纖芯分子相互作用，受纖芯的微觀密度變化和成分起伏的影響，會產(chǎn)生Rayleigh（ν0）散射、Anti－stokes（νa＝ν0＋Δν）散射和Stokes（νs＝ν0－Δν）散射（對石英光纖介質(zhì)而言，Δν＝1.32×1013Hz）。

該系統(tǒng)的空間分辨力P與注入光纖的光脈沖寬度ΔT有關(guān)，且有

式（1）中，c為真空中的光速，n為傳輸介質(zhì)折射率。

該系統(tǒng)的被測點位置L為

式（2）中，c為光纖中的光速，t為兩倍定點距離光傳播時間。

2 全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the system

（1）電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測模塊：模塊由主機、光纖（纜）等設(shè)備組成。模塊中采用的光脈沖寬度ΔT為5ns，對應(yīng)理論空間分辨力0.5m，實測空間分辨力小于1m。

（2）電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測模塊：由主機、傳感光纜等設(shè)備構(gòu)成。

（3）信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺：主要由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、通訊模塊、控制模塊、系統(tǒng)展示等部分組成。用以集中連接和控制測溫系統(tǒng)、電纜防盜系統(tǒng)、采集設(shè)備及其他聯(lián)動控制裝置。該平臺實施方式可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模選擇合適的標準硬件平臺。

綜合安全防范系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間采用各自的網(wǎng)口、串口、相關(guān)的協(xié)議，并且具備智能化處理事件的功能。無論在系統(tǒng)的簡約性、可靠性、穩(wěn)定性方面，還是在系統(tǒng)的經(jīng)濟性、前瞻性方面，所設(shè)計的綜合安防系統(tǒng)均超越了傳統(tǒng)的安全防范系統(tǒng)。

3 處理流程

系統(tǒng)處理流程如圖3所示。

全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為一個綜合的溫度監(jiān)測、火災(zāi)告警、安全防范系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方式組成的安全防范系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別，最明顯的一個區(qū)別在于各個子系統(tǒng)依托網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺，通過相關(guān)的協(xié)議互聯(lián)構(gòu)成了一個有機的、完善的整體，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間實現(xiàn)了無縫聯(lián)結(jié)。例如：傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測、火災(zāi)告警、安全防范系統(tǒng)通常各自獨立，聯(lián)動需要通過各自的聯(lián)動設(shè)備、若干的繼電器，然后通過復(fù)雜的連線方式來實現(xiàn)，如果某個中間設(shè)備或某些線路出現(xiàn)故障，則聯(lián)動功能就不能實現(xiàn)。而該綜合安全防范系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間采用各自的網(wǎng)口、串口、相關(guān)的協(xié)議、若干根兩芯的屏蔽線即可實現(xiàn)報警與監(jiān)控的聯(lián)動功能，并且具備智能化處理事件的功能。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Flow chart of system data processing

4 技術(shù)路線

4.1 電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測技術(shù)路線

電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測模塊采用Φ－光時域反射計技術(shù)實現(xiàn)。光波在光纖中傳輸時，會發(fā)生背向散射現(xiàn)象，包括布里淵散射，拉曼散射和瑞利散射，其中瑞利散射光強度最大且不改變散射光的波長。光纖的背向散射是由介質(zhì)不均勻而引起的散射光中，會有一部分光沿著光路傳輸?shù)南喾捶较騻骰匕l(fā)送端。光時域反射儀就是利用光纖中背向散射光的強度具有一定規(guī)律的原理來進行測量的。

電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測模塊與常規(guī)光時域反射計一樣，光脈沖從光纖的一端注人，用光探測器探測后向瑞利散射光。不同的是注入光纖中的光是高度相干的，因此該傳感系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來的瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。定位型全光纖周界安防系統(tǒng)通過測量注人脈沖與接收到的信號之間的時間延遲得到擾動的位置。

圖4 電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Shematic diagram of the distributed optic fiber anti－theft early warning supervising module in cable

4.2 電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測技術(shù)路線

電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測模塊由拉曼分布式光纖溫度傳感器［4－6］、感溫光纜、載流量軟件以及電流記錄儀組成。

拉曼分布式光纖溫度傳感器能對電力電纜全線溫度進行周期性實時在線監(jiān)測，對極易出現(xiàn)故障的電纜接頭進行重點監(jiān)測。該項技術(shù)利用光纖作為傳感器，將光纖直接敷設(shè)在被測物體表面，在一定條件下被測物體各個位置的溫度信號會以光波的形式回傳到光纖端部，最終被提取并顯示出來。這種技術(shù)只需一根或幾根光纖就可以監(jiān)測長達數(shù)公里的線型設(shè)備或點式設(shè)備。

拉曼分布式光纖溫度傳感器同時利用光纖感測信號和傳輸信號，采用先進的OTDR技術(shù)和Raman散射光對溫度敏感的特性，探測出沿著光纖不同位置的溫度的變化，實現(xiàn)真正分布式的測量。

當具有一定能量的泵浦光（ν0）注入到光纖中時，入射光子與纖芯分子相互作用，受纖芯的微觀密度變化和成分起伏的影響，會產(chǎn)生 Anti－stokes（νa＝ν0＋Δν）散射和Stokes（νs＝ν0－Δν）散射（對石英光纖介質(zhì)而言，Δν＝1.32×1013Hz）。拉曼散射光的強弱受到光纖散射點的溫度調(diào)制，背向散射回來的拉曼光經(jīng)過光學(xué)濾波、光電轉(zhuǎn)換、A／D轉(zhuǎn)換后，送入信號處理系統(tǒng)便可將溫度信息顯示出來，同時可根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和背向散射光回波的時間對溫度場的空間信息進行定位。

載流量監(jiān)控軟件監(jiān)控獲得電纜施加負載電流和電纜表面溫度后，通過計算可以取得電纜導(dǎo)體溫度，判斷電纜現(xiàn)場運行時的導(dǎo)體工作溫度是否超過導(dǎo)體最高允許工作溫度，從而判斷電纜是否正常運行還是過載運行，以便于及時調(diào)整負荷電流，對電纜安全運行起到監(jiān)控作用。具體功能如下：

電流記錄儀和電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測子系統(tǒng)將采集到的負荷電流和電纜表面（或內(nèi)部某層）溫度信號傳輸?shù)接嬎銠C，利用已知的電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，計算出相應(yīng)位置的電纜導(dǎo)體溫度，準確判斷電纜的載流能力。

4.3 軟件平臺的設(shè)計

信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺實現(xiàn)在總控中心內(nèi)對所有下屬分部的各監(jiān)控信息資料調(diào)看及控制功能，其采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計方法進行設(shè)計，充分保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和可擴展性。

在總控中心內(nèi)，依據(jù)整個系統(tǒng)的功能要求和管理要求，信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺和各管理平臺接入到專用內(nèi)部以太網(wǎng)中，從而與各現(xiàn)場安防子系統(tǒng)組成一個完整的電力安全保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在相關(guān)管理員的辦公電腦上，安裝相關(guān)的專用電子版地圖客戶端軟件，即可組成網(wǎng)絡(luò)客戶端系統(tǒng)。通過總控中心內(nèi)的權(quán)限分配，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的權(quán)限調(diào)看不同范圍內(nèi)的前端監(jiān)控設(shè)備的信息，并對電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警監(jiān)測子系統(tǒng)和電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測子系統(tǒng)主機進行相關(guān)操作設(shè)置。

信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺可以實現(xiàn)以下功能：

（1）面向服務(wù)的架構(gòu)，采用分層的松耦合結(jié)構(gòu)，包含數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層，每層的功能都能靈活擴展和替換；

（2）統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入管理，訪問層屏蔽底層的物理接入方式，使平臺可靈活接入多種規(guī)約方式，同時為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達和調(diào)用方式；

（3）多級數(shù)據(jù)傳輸與通信模式，實現(xiàn)檢測設(shè)備到子站、子站到主站多級數(shù)據(jù)傳輸模式，實現(xiàn)設(shè)備集中監(jiān)控。

5 試驗結(jié)果

基于全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)投入運行后，對監(jiān)測系統(tǒng)進行了實際測試。試驗選擇在內(nèi)含光纖的20km電力電纜段進行，在整個試驗過程中不斷改變測試點位置，在全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)檢測到的溫度、載流量、振動（偷盜入侵產(chǎn)生）異常時系統(tǒng)可實現(xiàn)自動預(yù)警，顯示異常發(fā)生位置?；谌饫w傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的界面主要實現(xiàn)圖文并茂地顯示被測點的位置L、時間S、電壓V以及相關(guān)的報警信息。

電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測模塊監(jiān)測的溫度和空間分辨力測試曲線見圖5、圖6。當光纖溫度穩(wěn)定時，用水銀溫度計計量電纜測試點的暫態(tài)溫度，然后與分布式實時測取的溫度進行比較，得到該模塊的溫度計量精度；同理，在幾個相鄰光纖位置同時加熱測溫，實際測量兩位置間的距離，并與分布式實時測取的距離進行比較，得到該測溫裝置的空間分辨力，試驗數(shù)據(jù)見表1。

在測試電力電纜中，選取不同光纖位置，傳輸不同電流強度，用電流記錄儀和電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測模塊采集負荷電流和電纜內(nèi)部溫度信號，具體數(shù)值如表2所示。

圖5 電力電纜線路長度方向的長度－溫度曲線圖Fig.5 Curve of temperature vs length along power cable line

圖6 空間分辨力試驗實測曲線圖Fig.6 Curve of real space distinguish ratio detecting

電纜線路被偷盜破壞時系統(tǒng)檢測的振動波形如圖7所示。瑞利曲線圖是沿電纜線路敷設(shè)的整條光纜的后向瑞利散射信號分布曲線，橫坐標為光纜位置L（單位m），縱坐標為瑞利散射信號電壓幅度U（單位V）；振動波形圖是位于區(qū)段位置27 900～27 950m處的振動背景噪聲波形和光纜受到偷盜破壞時產(chǎn)生的振動波形曲線，橫坐標為時間t（單位ms），縱坐標為振動信號電壓幅度U（單位V）。從圖上可看出，被測點位置的振動背景噪聲幅度小于0.01V，被測點位置的偷盜振動信號幅度大于0.02V，系統(tǒng)軟件通過對光纜偷盜圖譜分析對比識別傳感光纜偷盜事件的發(fā)生。

表1 溫度測量試驗結(jié)果Tab.1 Temperature detection results

表2 電纜溫度和電纜載流量測量試驗結(jié)果Tab.2 Temperature and ampacity detection results of power cable

6 結(jié) 論

現(xiàn)研究的基于全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可預(yù)防因電力電纜自身老化等原因誘發(fā)的火災(zāi)，制止因蓄意破壞、偷盜等情況造成的輸電中斷，從而保障中高壓電力電纜的傳輸安全和通暢。當電力電纜線路的溫度、載流量、振動（偷盜入侵產(chǎn)生）發(fā)生異常時該系統(tǒng)自動實現(xiàn)預(yù)警，顯示異常發(fā)生位置，及時通知管理人員對警情進行有效處理，從而提高電網(wǎng)供電的可靠性。

圖7 振動波形圖Fig.7 Vibration waveform

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