金 波,趙 婷,陳家璘,祝 為,隋璐捷

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司信息通信公司，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的不斷增加，電力系統(tǒng)的信息傳輸也已經(jīng)逐步采用光纖通信技術(shù)。但是隨著電力通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和復(fù)雜度越來(lái)越大，其安全和可靠性也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的復(fù)雜度越高則意味著出現(xiàn)故障的可能性越大，尤其是光纖通信系統(tǒng)，導(dǎo)致后期維護(hù)成本居高不下。傳統(tǒng)光纖故障定位技術(shù)主要采用的是光時(shí)域反射儀，但是該技術(shù)只能測(cè)算發(fā)生故障位置的距離[1-2]。這在面對(duì)復(fù)雜的電力通信光纖網(wǎng)絡(luò)時(shí)，工作效率十分低下，必須耗費(fèi)大量的時(shí)間和人工成本在一定范圍(以測(cè)算的距離為半徑)內(nèi)盲目尋找。因此必須最大限度地的提高光纜故障診斷的工作效率和準(zhǔn)確度，才能使電力通信光纜得到大規(guī)模推廣和應(yīng)用[3-4]。

目前，已出現(xiàn)一些改進(jìn)光纖故障定位技術(shù)的研究工作，例如采用自適應(yīng)閾值設(shè)計(jì)思路[5]，而另一些研究工作則采用分布式光纖傳感技術(shù)[6]。但是，上述方向的研究均需要借助額外電氣或者傳感硬件設(shè)備，這些設(shè)備通常體積小、價(jià)格昂貴，因?yàn)樗轻槍?duì)室內(nèi)高精度應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)的。這樣會(huì)大大增加使用成本并無(wú)法適用于復(fù)雜的室外環(huán)境[7-8]。在文獻(xiàn)[9]中建議采用地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)，通過(guò)實(shí)際地理環(huán)境相結(jié)合，提高了故障定位系統(tǒng)的可靠性和效率。然而，僅依靠地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)進(jìn)行光纖故障定位雖然可靠性和運(yùn)行效率明顯提高，但是精確度卻不夠理想。

因此，在上述研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于電力通信動(dòng)靜態(tài)資源的光纜故障診斷方法。主要思路是通過(guò)將光時(shí)域反射儀和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建了數(shù)字化的電力通信動(dòng)靜態(tài)資源。同時(shí)，為了提高故障定位精度，采用Gabor變換對(duì)高頻分量進(jìn)行濾波去噪，實(shí)現(xiàn)基本信號(hào)的特征增強(qiáng)。閾值處理過(guò)程采用了硬閾值法，從而盡量避免突變點(diǎn)信息的遺漏。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：1)與傳統(tǒng)光時(shí)域反射儀和改進(jìn)型方法相比，適用性和工作效率得到明顯提升；2)與采用地理信息系統(tǒng)和GPS的方法相比，精度更高。

2 光纜故障定位原理

作為光纜故障檢測(cè)的主流設(shè)備，傳統(tǒng)光時(shí)域反射儀采用了光學(xué)散射和反射理論[10]。主要通過(guò)光時(shí)域反射儀的曲線進(jìn)行分析來(lái)估計(jì)故障光纜的位置信息。光時(shí)域反射儀的工作曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，光時(shí)域反射儀的工作曲線主要包括盲區(qū)、恒定斜率區(qū)、非反射事件、反射事件和光纖尾端等信息。

設(shè)某段入射光纖的功率為P(0)，那么傳輸一定距離后的光功率P(Z)為：

其中，Z表示傳輸距離，α表示衰減系數(shù)。

如果Z點(diǎn)無(wú)故障且不存在光纖轉(zhuǎn)換接頭，則該點(diǎn)的后向散射光功率Pbs(Z)為：

其中，γ(Z)表示Z點(diǎn)的后向瑞利散射系數(shù)。

Z點(diǎn)的菲涅爾反射光功率Pf(Z)為：

其中，λ(Z)表示Z點(diǎn)的菲涅爾反射系數(shù)。

則故障發(fā)生位置的功率變化△P為：

故障發(fā)生位置的功率變化△P的具體表現(xiàn)形式為直觀的尖峰信號(hào)。

對(duì)于分叉的光纖路由，按照上述原理同樣可以得出故障發(fā)生位置的功率變化△P為：

其中，k(l)表示第l路分支光脈沖的損耗系數(shù)，γl(Z)和λl(Z)分別表示光脈沖在第l路分支Z點(diǎn)的后向瑞利散射系數(shù)和菲涅爾反射系數(shù)。

以真實(shí)的電力通信光纜故障案例，對(duì)基于光時(shí)域反射儀的光纖故障定位原理進(jìn)行說(shuō)明。在某地區(qū)網(wǎng)絡(luò)段上的常規(guī)單模光纖上，其光時(shí)域反射儀曲線的正常和非正常曲線，脈沖寬度30ns，波長(zhǎng)1310nm，如圖2所示。

圖2 光時(shí)域反射儀曲線的正常和非正常曲線

從圖2(a)可以看出，正常曲線包含了完整的光時(shí)域反射儀工作信息，如盲區(qū)和斜率區(qū)，此外還有A 點(diǎn)和B 點(diǎn)的非反射事件(反射峰)。然而，非正常曲線在A點(diǎn)出沒(méi)有非反射事件出現(xiàn)且后續(xù)均為衰減區(qū)域，因此可以推斷故障位置就是A點(diǎn)。需要注意的是，光時(shí)域反射儀是有測(cè)試范圍限制的，其最佳距離范圍為[1．5，2．5]km。此外，對(duì)于單模類型和多模類型光纖，需要合理設(shè)置不同的波長(zhǎng)、折射率和后向散射系數(shù)等參數(shù)。通過(guò)上述案例分析，可以看出基于光時(shí)域反射儀的傳統(tǒng)光纖故障定位技術(shù)只能測(cè)算發(fā)生故障位置的距離。這在面對(duì)復(fù)雜的電力通信光纖網(wǎng)絡(luò)時(shí)，工作效率十分低下，必須耗費(fèi)大量的時(shí)間和人工成本在一定范圍內(nèi)盲目尋找。

3 提出的光纜故障診斷方法

本文通過(guò)將光時(shí)域反射儀和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建數(shù)字化的電力通信動(dòng)靜態(tài)資源，具體包括遙感影像數(shù)據(jù)、工程制圖文件和地圖數(shù)據(jù)。

3.1 電力通信動(dòng)靜態(tài)資源的構(gòu)建

建立電力通信動(dòng)靜態(tài)資源的目的是克服光時(shí)域反射儀測(cè)量距離范圍的限制，以便在二維空間內(nèi)搭建空間數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系。具體內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)錄入、屬性數(shù)據(jù)劃分、錯(cuò)誤糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。整個(gè)過(guò)程的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)電力通信光纜數(shù)字化地圖，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫(kù)與真實(shí)地理數(shù)據(jù)的正確映射。整個(gè)過(guò)程雖然耗時(shí)耗力，但是一旦首次搭建完成，就可以重復(fù)使用，后續(xù)僅需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行維護(hù)和完善。

首先，對(duì)于電力通信動(dòng)靜態(tài)資源來(lái)說(shuō)，其每一個(gè)要素的空間信息必須確保準(zhǔn)確，這直接關(guān)系到后續(xù)的校準(zhǔn)和故障定位的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)采集主要利用遙感影像數(shù)據(jù)、百度地圖、電力光纜規(guī)劃圖CAD 文件和配電房網(wǎng)柜實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)源構(gòu)建。重點(diǎn)是電纜地理信息系統(tǒng)中各配電房的地圖元素和屬性數(shù)據(jù)，其中地圖元素的繪制需要對(duì)比網(wǎng)絡(luò)地圖與描繪元素之間的區(qū)別，并做出相應(yīng)的操作，地圖元素的具體繪制方法如圖3所示。

圖3 地圖元素的具體繪制方法

其次，在將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制后，需要將地圖數(shù)字化以便使其具備空間屬性，具體步驟為：1)建立坐標(biāo)系、2)空間配準(zhǔn)、3)地理背景元素繪制、4)通信光纜元素繪制和5)錯(cuò)誤修改。

3.2 Gabor小波濾波器的構(gòu)建

正如前面所述，對(duì)于電力通信光纜故障診斷來(lái)說(shuō)，僅僅依靠地理信息系統(tǒng)是不可能實(shí)現(xiàn)光纖故障定位的，必須結(jié)合光時(shí)域反射儀的工作曲線分析。在第1 節(jié)中已經(jīng)對(duì)基于光時(shí)域反射儀曲線的光纖故障定位原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。目前，光時(shí)域反射儀曲線分析的主要方法很很多，例如最小二乘、傅立葉變換和小波變換等。其中小波變換的被證實(shí)具體最佳的去噪性能。而隨著小波分析理論的發(fā)展，Harr小波、樣條小波、Gabor小波等也得到廣泛應(yīng)用[11-12]。

因此，本文采用Gabor濾波器來(lái)進(jìn)行光時(shí)域反射儀曲線分析。Gabor小波核函數(shù)的定義如下[13]：

其中，ku，v表示濾波器中心頻率，u表示方向因子，σ表示與小波的頻率帶寬有關(guān)的常數(shù)，v表示尺度因子，z為給定位置(x，y)的坐標(biāo)?？梢钥闯龉?6)表示參數(shù)u和v變化的函數(shù)，σ為Gabor濾波器的帶寬，決定了高斯窗寬與波長(zhǎng)之比，其計(jì)算方式如下：

其中，φ為倍頻程表示的半峰帶寬，σ一般都設(shè)置為2π。

Gabor小波濾波器可以分為實(shí)部和虛部[14]：

其中實(shí)部為：

虛部為：

幅值為：

濾波器的中心頻率ku，v控制著振蕩部分的波長(zhǎng)、方向以及高斯窗口的寬度。

其中，kmax表示Gabor濾波器最大中心頻率，一般取值為/2，fv表示頻域內(nèi)該濾波器的空間因子，θu表示Gabor濾波器的方向選擇性。

具體采用了閾值法來(lái)提取光時(shí)域反射儀曲線中有用信號(hào)，并分離噪聲信號(hào)，算法流程如圖4所示。

圖4 基于閾值的去噪流程

3.3 硬閾值選取

如圖4所示的閾值去噪流程中，需要進(jìn)行閥值處理，本文具體采用了硬閥值法，其小波系數(shù)WT的定義如下：

其中，Th表示閾值。

硬閾值處理原理示意圖如圖5所示。

圖5 硬閾值處理原理示意圖

從圖5看出，相比與軟硬閾值處理，硬閾值處理的連續(xù)性較差，但是從光時(shí)域反射儀曲線分析圖中可以看出，故障檢測(cè)的重點(diǎn)是突出峰值，所以不需要光滑的曲線效果。硬閾值處理能夠盡量避免突變點(diǎn)信息的遺漏。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 故障定位實(shí)例測(cè)試

為了驗(yàn)證提出的光纖故障定位方法的性能，以某地級(jí)市轄區(qū)內(nèi)的45#配電房到46#配電房光纜段為例進(jìn)行了具體測(cè)試。該段光纜的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)模型的真值表

故障定位測(cè)試的工作流程為：1)進(jìn)行了光時(shí)域反射儀測(cè)試以便得出計(jì)算不同位置的曲線圖；2)接著利用Gabor 濾波器進(jìn)行去噪處理并獲得曲線圖的事件點(diǎn)信息；3)通過(guò)電力通信動(dòng)靜態(tài)資源將事件點(diǎn)進(jìn)行地理空間定位。

其中，采用Gabor濾波器進(jìn)行硬閾值去噪后的高頻部分如圖6所示。

圖6 閾值去噪后的高頻部分

從圖6可以看出，Gabor濾波器的去噪效果較為明顯，對(duì)應(yīng)光纖末端位置是413．5m。此外，可以清楚看出，反射事件位置的距離為206．1m，結(jié)合電力通信動(dòng)靜態(tài)資源可以得出故障位置的地理空間信息。最終，經(jīng)過(guò)人工排查驗(yàn)證了估計(jì)故障位置的正確性，該故障位置是道路施工不慎挖斷的光纜段。

4.2 結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，在多條光纜段上進(jìn)行故障診斷測(cè)試，并將最終估計(jì)結(jié)果與真實(shí)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 故障定位結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出，所提方法的估計(jì)故障坐標(biāo)與實(shí)際故障坐標(biāo)十分接近，定位精度較高，誤差僅為2至3m。這大大提高了系統(tǒng)維護(hù)人員的工作效率，保障了電力系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于電力通信動(dòng)靜態(tài)資源的光纜故障診斷方法。將光時(shí)域反射儀和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建了數(shù)字化的電力通信動(dòng)靜態(tài)資源。此外，采用Gabor變換對(duì)高頻分量進(jìn)行濾波去噪，實(shí)現(xiàn)基本信號(hào)的特征增強(qiáng)。閾值處理過(guò)程采用了硬閾值法。實(shí)際測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性和可行性。但是，所提方法存在電力通信動(dòng)靜態(tài)資源構(gòu)建較慢，耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，導(dǎo)致初次使用成本較高，后續(xù)將對(duì)如何降低靜態(tài)資源構(gòu)建成本開(kāi)展進(jìn)一步研究。