鄧紀(jì)倫 翁志輝 金智群

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基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)

鄧紀(jì)倫1翁志輝2金智群2

（1.廣東省東莞供電局長安供電分局 2.廣州勁聯(lián)智能科技有限公司）

為實時監(jiān)測電纜隧道內(nèi)電纜、設(shè)備等資產(chǎn)安全，確保電網(wǎng)可靠運行，提出一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)電纜隧道的現(xiàn)場環(huán)境特殊性，設(shè)計并優(yōu)化事件識別算法以及布線方式，建立基于Web平臺的管理系統(tǒng)，提出基于地理信息系統(tǒng)的標(biāo)定方法。該系統(tǒng)在南方電網(wǎng)某區(qū)進行了工程試點，取得良好的效果。

分布式光纖傳感；電纜隧道；事件識別算法

0　引言

隨著城市高壓線纜從空中向地下鋪設(shè)工程的實施，目前城市輸電線路基本采用地下隧道的形式運輸電力。對城市輸電網(wǎng)絡(luò)進行安全健康監(jiān)測、及時發(fā)現(xiàn)故障、確保社會的正常運行越來越重要。但是電纜隧道現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，常規(guī)安防報警設(shè)備完全無法應(yīng)用。現(xiàn)場環(huán)境狀況：1) 地下電纜溝長時間使用后，容易積水、積淤泥，常規(guī)電子設(shè)備無法在如此惡劣的環(huán)境內(nèi)長期工作；2) 電纜隧道內(nèi)無220 VAC供電電源，常規(guī)電子設(shè)備無法供電，且由于地下電纜溝內(nèi)環(huán)境惡劣，長距離220 VAC供電也容易引起漏電危險。

為解決電纜溝內(nèi)輸電電纜防盜預(yù)警的問題，有廠家提出利用低壓脈沖反射[1]原理的思路，并推出相應(yīng)產(chǎn)品。其基本原理是首先把輸電電纜的接地屏蔽層對地電壓抬高，然后向輸電電纜屏蔽層注入低壓脈沖。當(dāng)該脈沖沿輸電電纜屏蔽層傳播到阻抗不匹配點，如短路點、故障點、中間接頭等位置即產(chǎn)生反向脈沖，該反向脈沖回送到測量點被儀器記錄下來。通過計算發(fā)生脈沖與反射脈沖的時間差和脈沖在屏蔽層的波速度，即可計算阻抗不匹配點。但這種產(chǎn)品存在2個問題：1) 把輸電電纜的接地屏蔽層對地電壓抬高，會給輸電電纜的正常運行帶來新的不安全、不穩(wěn)定因素，給電網(wǎng)運行帶來新的安全隱患；2) 電纜溝內(nèi)輸電電纜眾多，每條輸電電纜的屏蔽層都要抬升對地電壓，改造工作量繁重，人力物力投入巨大。為此，本文提出基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用分布式光纖入侵傳感系統(tǒng)，可有效解決以上問題。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，光纖傳感主機采用基于偏振光時域反射（polarization optical time-domain reflectometer，POTDR）[2-6]原理的傳感系統(tǒng)，光纖傳感主機通過互聯(lián)網(wǎng)與安全狀態(tài)發(fā)布服務(wù)器相連，用戶可使用個人電腦、智能手機等終端設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器連接，進而獲取電纜隧道的安全狀態(tài)。當(dāng)隧道內(nèi)電纜受到外力破壞（如盜竊、施工等行為）時，運維人員可第一時間獲取破壞點地理位置信息，趕赴現(xiàn)場進行處理。

圖1　基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光纖傳感主機放置在電纜隧道的始發(fā)點或者中繼點（一般為變電房）內(nèi)。變電房內(nèi)提供200 VAC市政供電，配備互聯(lián)網(wǎng)連接接口。傳感光纜沿電纜隧道進行鋪設(shè)。光纜自身具有防腐蝕、防電磁干擾等優(yōu)點，可適應(yīng)電纜隧道惡劣的環(huán)境。由于光纜作為傳感單元，傳感現(xiàn)場無需供電，所以不存在傳感設(shè)備現(xiàn)場供電難的問題。光纜沿被保護的電纜鋪設(shè)，未對電網(wǎng)任何設(shè)備進行改造，對電網(wǎng)的安全未引入新的不確定因素。

2　布線方式

全分布式光纖傳感技術(shù)[7-9]，因不需要傳感器（只需要采用光纖）即可測量沿光纖路徑的時間和空間連續(xù)分布信息，克服了點式傳感器（如光纖光柵傳感器）難以全方位連續(xù)監(jiān)測被測場的缺陷，并具有損耗低、耐腐蝕、易安裝鋪設(shè)、抗電磁干擾、信號數(shù)據(jù)可多路傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)安防產(chǎn)品不具備的優(yōu)點，從而成為目前安防領(lǐng)域最理想的大型設(shè)施無損檢測技術(shù)。但實際電纜隧道中線纜繁雜，環(huán)境復(fù)雜，不良的布線方式嚴(yán)重影響光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)用效果和穩(wěn)定性。本文根據(jù)實際工程對傳感光纜布線方式進行了優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境并經(jīng)過多次試驗，提了S形的傳感光纜敷設(shè)方法。一根光纜根據(jù)電纜隧道的整體走向，按照S形與多根電纜捆綁，如圖2所示。該敷設(shè)方法的優(yōu)點有：1) 一根光纜覆蓋多條電纜，節(jié)約光纜用量；2) 當(dāng)存在偷盜行為時，由于S形光纜的非繃直狀態(tài)，會造成光纜的形變量較大，有利于光纖傳感的信號檢測。

圖2　傳感光纜敷設(shè)方法示意圖

3　算法原理

一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)采用基于POTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　基于POTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

脈沖光源發(fā)射監(jiān)測脈沖進入傳感光纖，光電探測器探測傳感光纖瑞利散射光經(jīng)過檢偏之后的強度信息，此強度信息為沿著光纖分布的強度信息。當(dāng)傳感光纖未受任何外界擾動時，隨時間的變化表現(xiàn)為緩變的過程，圖4為未擾動時相鄰2個脈沖周期的POTDR曲線。當(dāng)傳感光纖受到外界擾動并引起光纖的位移時，隨時間的變化表現(xiàn)為快速的變化過程，圖5為當(dāng)1350 m處受到擾動時，相鄰2個脈沖周期去噪后的POTDR曲線。由圖5可知，在1400 m左右位置，開始出現(xiàn)較大的差異（圖中圓圈所示區(qū)域）。但是由于光電探測器的熱噪聲、外界環(huán)境干擾等因素影響，從圖5中2條曲線差值看，很難直接準(zhǔn)確判斷擾動位置為1350 m處。為此本文提出改進的判斷算法。

注：T1、T2為2個相鄰周期的數(shù)據(jù)；|T1-T2|為2組數(shù)據(jù)差的絕對值

圖5 在1350 m處擾動時，相鄰周期的POTDR曲線及其差值圖

雖然有時2組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差和偏態(tài)系數(shù)都相同，但它們分布曲線頂端的高聳程度卻不同。峰度系數(shù)可描述這種數(shù)組之間的差異，它反映了頻數(shù)分布曲線頂端尖峭或扁平程度。統(tǒng)計學(xué)用四階中心矩來測定峰度。當(dāng)有信號差異的2組數(shù)據(jù)進行比較時，由于數(shù)據(jù)處于不同的分布狀態(tài)，其峰度系數(shù)必定存在較大差異，可利用四階中心矩來區(qū)分有無信號差異。

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)處理算法，首先對相鄰2個周期去噪后的POTDR曲線作差處理，得到2條曲線的差異；然后對進行分組處理，設(shè)數(shù)組為的前100個數(shù)據(jù)點；數(shù)組為的第2至第101共計100個數(shù)據(jù)點；數(shù)組為的第3至第102共計100個數(shù)據(jù)點；以此類推；最后分別求出數(shù)組1，2，… ，Y-n+1的四階中心距：

按照上述數(shù)據(jù)處理算法對圖5中的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，設(shè)定強度閾值為1011時，超過強度閾值的位置在1365 m處。這個結(jié)果和實際擾動位置（1350 m）存在一定的誤差。產(chǎn)生誤差的原因有：1) 由于實驗中POTDR的脈沖寬度為1μs，對應(yīng)的空間分辨率為100 m；2) 由于整個系統(tǒng)存在環(huán)境噪聲、光電探測器熱噪聲等各種噪聲，所以強度閾值不能設(shè)置太低，以免引起誤報警。

然而實際工程中由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，僅靠閾值判定報警誤報率較高。如降雨或者老鼠等小動物擾動光纖可能會引起信號超過閾值。為此本文設(shè)計了振鈴算法。設(shè)振鈴寬度和振鈴次數(shù)閾值，將連續(xù)個周期的分段四階矩波形與強度閾值進行比較，記錄每個周期內(nèi)距離最近的超過閾值點。當(dāng)超過個周期都存在超過閾值點時觸發(fā)報警，報警點為所有超過閾值的點中距離最近的點。和的值可根據(jù)具體的現(xiàn)場環(huán)境進行調(diào)整。在南方電網(wǎng)某局的現(xiàn)場試點工程中測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)和分別選擇150和10時，報警效果較好。

4　標(biāo)定方法

由于光纖傳感系統(tǒng)檢測距離和實際地理位置難以標(biāo)定，特別是采用S形敷設(shè)方法后，事件發(fā)生點到光纖傳感主機的光纜長度和實際地理位置更加難以對應(yīng)。本文建立基于Web平臺[10]的管理系統(tǒng)，提出基于地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）[11]的標(biāo)定方法，可快速準(zhǔn)確地對分布式光纖入侵系統(tǒng)進行標(biāo)定。

基于GIS的定位算法流程圖如圖7所示。首先，在服務(wù)平臺添加報警節(jié)點表單，表單包括節(jié)點名稱（實際地理位置常用名稱）、距離（光纖傳感主機到此點所敷設(shè)的光纜長度）、經(jīng)緯度（唯一標(biāo)示此點在地圖上的位置）等參數(shù)；然后，當(dāng)管理平臺接收到光纖傳感主機發(fā)來的報警信號后，提取報警信息中的距離信息，將報警距離和表單中的節(jié)點距離信息依次比較，找到最接近的一個節(jié)點，判斷此節(jié)點附近出現(xiàn)入侵事件并提醒用戶注意。

圖7　基于GIS的定位算法流程圖

5 結(jié)語

結(jié)合電纜隧道安全監(jiān)測的具體應(yīng)用場景，本文提出了一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。與典型的傳統(tǒng)監(jiān)測方式（如基于低壓脈沖原理的系統(tǒng)、基于電子振動傳感的智能井蓋、視頻監(jiān)控等）相比，光纖傳感系統(tǒng)在電纜隧道的監(jiān)控應(yīng)用中有2個優(yōu)點：1) 現(xiàn)場無需供電，解決了現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、取電難等問題；2) 無需對電網(wǎng)系統(tǒng)進行任何改造，避免引入新的不安全因素。此外本文根據(jù)電纜隧道現(xiàn)場環(huán)境的特殊性，在分布式光纖振動傳感技術(shù)已有成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計并優(yōu)化了事件識別算法和布線方式，建立了基于Web平臺的管理系統(tǒng)，提出了基于GIS的標(biāo)定方法。研究成果在南方某轄區(qū)進行了工程試點，取得了良好的效果。

參考文獻

[1] 孫啟飛.電纜檢測技術(shù)的應(yīng)用及提高[J].低壓電器,2010(1): 49-53.

[2] 錢鑠,代志勇,張曉霞,等.基于偏振光時域反射技術(shù)的分布式光纖傳感器[J].激光與紅外,2012,42(11):1205-1209.

[3] Dong H. Reflectometric measurements of polarization properties in optical fiber links using Polarimetric Optical Time Domain Reflectometry (POTDR)[D].2011.

[4] Chen Mengmeng, Wang Feng, Zhang Xuping, et al. Detection of multiple vibration points using fundamental frequency and harmonic progressions in response spectra of POTDR[J].Optik -International Journal for Light and Electron Optics, 2013,124(21):5262-5266.

[5] Wang Feng, Wang Xiangchuan, Zhang Xuping, et al. Influence of optical pulse width on the perturbation detection performance of polarization-optical time domain reflectometer[J].Applied Optics,2012,51(35): 8498-8504.

[6] Wang Z N, Zeng J J, Li J, et al. Ultra-long phase-sensitive OTDR with hybrid distributed amplification[J].Optics letters, 2014,39(20):5866-5869.

[7] 劉德明,孫琪真.分布式光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進展,2009(11):29-33.

[8] 趙浩,林宗強,肖愷,等.分布式光纖振動傳感技術(shù)研究[J].電子設(shè)計工程,2014,22(19):18-20,24.

[9] 孫琪真,劉德明,王健.全分布式光纖應(yīng)力傳感器的研究新進展[J].半導(dǎo)體光電,2007,28(1):10-15,22.

[10] 鄧水光,黃龍濤,尹建偉,等.Web服務(wù)組合技術(shù)框架及其研究進展[J].計算機集成制造系統(tǒng),2011,17(2):404-412.

[11] 王海梅.基于GIS的最優(yōu)路徑算法研究與實現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué),2008.

Online Monitoring System for Cable Tunnel Safety Based on Distributed Fiber Sensor

(1. Dongguan Power Supply Bureau 2.Guangzhou JinLink Intelligence Technology Co., Ltd.)

In order to monitor the equipment and other assets’ safety of the cable tunnel for real-time online, and ensure the power grids running reliable, an online cable tunnel security status monitoring system based on distributed fiber sensor was proposed in this article. According to the special environmental particularity of cable tunnel, the event recognition algorithms and the method of laying fiber were special designed and optimized based on the existing achievements in the distributed optical fiber vibration sensing technology. The management system based on Web platform was established for online monitoring. And the calibration method based on geographic information system (GIS) was proposed. Field tests were presented at a certain area in the South and achieved good results.

Distributed Fiber Optic Sensing; Cable Tunnel; Event Recognition Algorithms

鄧紀(jì)倫，男，1976年生，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：供配電管理。E-mail: 13602302232@139.com

翁志輝，男，1973年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：光纖傳感、物聯(lián)網(wǎng)等。

金智群，男，1962年生，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：光纖傳感、物聯(lián)網(wǎng)等。