萬(wàn)琪

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100）

0 前言

建設(shè)“智能電網(wǎng)”提出將信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等有效地綜合運(yùn)用于電力系統(tǒng)中。其中基于電力光纜的數(shù)據(jù)通信技術(shù)及光纖傳感技術(shù)則是“智能電網(wǎng)”數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，助力電網(wǎng)的安全可靠與智能化運(yùn)行。因此保障電力光纜的安全以及通信質(zhì)量非常重要。

1 電力光纜運(yùn)行現(xiàn)狀與不足

近年來(lái)，光纖復(fù)合架空地線及自承式電力光纜在我國(guó)電力系統(tǒng)通信干線傳輸網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用，是架空電力光纜的主要形式。云南地區(qū)自然條件惡劣，輸電線路以及電力光纜除了要承載自身重量的機(jī)械力作用外，運(yùn)行條件不僅需要穿越高海拔、多積雪、重覆冰的地區(qū)，還會(huì)受到惡劣天氣（如大風(fēng)、雷電）、外力、小動(dòng)物等因素的影響，因覆冰、舞動(dòng)以及雷擊等因素引起的架空輸電線及電力光纜頻繁事故，一旦出現(xiàn)此類(lèi)情況，修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高昂，嚴(yán)重影響輸電線路及電力生產(chǎn)實(shí)時(shí)及非實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)的可靠穩(wěn)定傳輸，導(dǎo)致電力調(diào)度系統(tǒng)的不能正常運(yùn)行。

2019年，紅河地區(qū)光纖復(fù)合架空地線（OPGW）及自承式電力光纜（ADSS）故障共計(jì)63次，故障原因有小動(dòng)物破壞、外力破壞13次、施工質(zhì)量等。同時(shí)還存在OPGW受雷擊或發(fā)生短路故障時(shí)，強(qiáng)電流會(huì)導(dǎo)致溫度急劇上升導(dǎo)致熔斷；OPGW覆冰、風(fēng)吹舞動(dòng)拉斷光纜纖芯等現(xiàn)象。電力光纜故障頻次高，嚴(yán)重影響電網(wǎng)調(diào)度工作的正常運(yùn)行。

光纜故障排查采用傳統(tǒng)方法，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，影響電力通信通道快速恢復(fù)的要求。傳統(tǒng)光纜故障排查現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)光纜故障排查現(xiàn)狀

2 電力光纜健康在線監(jiān)測(cè)與環(huán)境參量監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

電力通信光纜安全運(yùn)行是電網(wǎng)正常運(yùn)行的重要保障，一旦出現(xiàn)光纜事故，將對(duì)電網(wǎng)生產(chǎn)、調(diào)度等業(yè)務(wù)造成極大的影響。在各類(lèi)光纜安全事故中，多數(shù)都因光纜沿途違章開(kāi)挖、野蠻施工、雷擊、線路覆冰等外部因素影響，導(dǎo)致光纜發(fā)生事故。大多數(shù)危及電力通信光纜的隱患有一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，在光纜遭受外部因素破壞的過(guò)程中如果可以通過(guò)提前發(fā)現(xiàn)、判斷及預(yù)警而采取措施加以處理，將可及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)、預(yù)防或避免事故的發(fā)生與擴(kuò)大，有效降低災(zāi)害造成的損失。因此，對(duì)電力光纜進(jìn)行安全健康在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并發(fā)出預(yù)警尤為重要。

國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的電力光纜監(jiān)測(cè)預(yù)警方案主要有人工巡檢法、稱重法，模擬導(dǎo)線法和圖像監(jiān)測(cè)法。但人工巡檢法勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際差距很大；稱重法采用的拉力傳感器存在非線性、蠕變、零點(diǎn)漂移等問(wèn)題；模擬導(dǎo)線法中的模型在實(shí)際運(yùn)行時(shí)不能完全區(qū)分是由風(fēng)荷載還是冰荷載導(dǎo)致的拉力變化，無(wú)法反應(yīng)不均勻覆冰現(xiàn)象；圖像監(jiān)測(cè)法的觀測(cè)視場(chǎng)有限，且惡劣天氣條件下的拍攝效果不理想，通常僅能夠作為覆冰監(jiān)測(cè)的輔助手段。

光纖傳感技術(shù)通過(guò)檢測(cè)光纖中傳輸光的強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等參量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸電線路溫度、振動(dòng)等多種基礎(chǔ)物理參量的在線監(jiān)測(cè)。與電子式傳感器相比，光纖傳感技術(shù)具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、絕緣、易于遠(yuǎn)距離遙測(cè)、便于組網(wǎng)、保密性好、重量輕可微型化等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖傳感技術(shù)有望在傳統(tǒng)電子傳感器使用受限的電力傳輸領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用[1]。其中，利用OPGW和ADSS等傳輸光纜中的光纖芯作為傳感媒介的分布式光纖傳感（DOFS）技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖沿線多種參量的長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力通信安全的保障。首先實(shí)現(xiàn)對(duì)電力光纜纖芯健康度的在線監(jiān)測(cè)，包括已運(yùn)行業(yè)務(wù)的纖芯和備用纖芯；監(jiān)測(cè)參數(shù)包括光纖損耗，連接頭損耗，反射點(diǎn)/彎折點(diǎn)等，光纖監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度>150km。然后試驗(yàn)光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力光纜自身運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)，包括：

1）OPGW熔斷監(jiān)控：當(dāng)OPGW受雷擊或發(fā)生短路故障時(shí)，強(qiáng)電流會(huì)導(dǎo)致溫度急劇上升導(dǎo)致熔斷，通過(guò)對(duì)線路上的溫度和傳輸光信號(hào)的SOP的分布式監(jiān)測(cè)，識(shí)別事件的發(fā)生與地點(diǎn)；

2）OPGW及ADSS光纜覆冰、風(fēng)吹舞動(dòng)拉斷、外力破壞等監(jiān)控，根據(jù)受應(yīng)力等參量變化預(yù)警斷纜、倒塔等事故發(fā)生，保障通信與輸電安全；

3）結(jié)合人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)事件準(zhǔn)確識(shí)別，降低預(yù)警誤報(bào)率。

通過(guò)調(diào)研及技術(shù)分析，充分利用現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)進(jìn)行電力光纜進(jìn)行安全健康在線監(jiān)測(cè)是一種行知有效的方法。在紅河電網(wǎng)中，光傳輸A網(wǎng)為華為OSN系列組成的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，我們研究在華為OSN系列升級(jí)的設(shè)備上開(kāi)發(fā)支持光監(jiān)控信道的處理、再生等功能和特性的單板，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力光纜安全健康在線監(jiān)測(cè)，這一方案可行性、安全性的好，利用現(xiàn)有通信資源來(lái)實(shí)現(xiàn)該方案，可節(jié)約大量的投資。電力光纜監(jiān)控場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 電力光纜監(jiān)控場(chǎng)景

3 電力光纜纖芯健康在線監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

應(yīng)用瑞利散射技術(shù)，通過(guò)光時(shí)域反射儀向被測(cè)光纖發(fā)射光脈沖，檢測(cè)光纖中返回的瑞利散射及菲涅爾反射數(shù)值，時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)補(bǔ)測(cè)光纖的長(zhǎng)度及損耗等物理特性，并借助智能光纖監(jiān)控管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)分析判斷，當(dāng)監(jiān)測(cè)纖芯發(fā)生質(zhì)量變化時(shí)，可及時(shí)、精確定位纖芯質(zhì)量變化的故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行光纜纖芯故障提前預(yù)警并及時(shí)做出處理措施的目的[2]，圖3為光纖故障監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)。

圖3 光纖故障監(jiān)測(cè)與定位技術(shù)

3.1 對(duì)于已運(yùn)行業(yè)務(wù)光纜纖芯質(zhì)量監(jiān)測(cè)

有業(yè)務(wù)運(yùn)行的光纜纖芯直接影響電力生產(chǎn)實(shí)時(shí)及非實(shí)時(shí)通信通道、生產(chǎn)管理通信通道等的穩(wěn)定可靠性，因此必須對(duì)已運(yùn)行業(yè)務(wù)光纜纖芯進(jìn)行質(zhì)量健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。為不影響光纜纖芯上業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，對(duì)光纜纖芯監(jiān)測(cè)采用非業(yè)務(wù)波長(zhǎng)探測(cè)信號(hào)（例如1491 nm、1510 nm），耦合入已運(yùn)行業(yè)務(wù)光纖，在不干擾正常電力通信前提下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該光纖的健康狀態(tài)[3]。

華為OSN系統(tǒng)產(chǎn)品中，AST4單板屬于光監(jiān)控信道類(lèi)單板，應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)方向的兩路光監(jiān)控信號(hào)的收發(fā)控制。AST4單板還支持IEEE 1588v2同步時(shí)鐘處理功能，兩路FE信號(hào)的透?jìng)饕约熬€路光纖質(zhì)量探測(cè)功能。光監(jiān)控通道不限制2個(gè)光線路放大器之間的距離，線路放大器失效不影響光監(jiān)控通道性能。該單板相對(duì)主控板是獨(dú)立的，即它在主控板不在位的情況下，仍然可以保證本板兩對(duì)光口的ECC通道自動(dòng)穿通，確保對(duì)其它各站的監(jiān)控。兩路光監(jiān)控信號(hào)光口可配置1511 nm或1491 nm波長(zhǎng)的光模塊。在華為傳輸網(wǎng)管上增加智能光纖監(jiān)控管理系統(tǒng)，使用線路光纖質(zhì)量探測(cè)功能，探測(cè)圖形和數(shù)據(jù)在網(wǎng)管界面上顯示。綜合上述功能，在OSN系列升級(jí)后的傳輸設(shè)備上配置AST4單板，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)已運(yùn)行業(yè)務(wù)光纜纖芯質(zhì)量監(jiān)測(cè)[4]。AST4單板的應(yīng)用如圖4所示。

圖4 AST4單板的應(yīng)用

3.2 對(duì)于備用光纜纖芯的質(zhì)量監(jiān)測(cè)

與已運(yùn)行業(yè)務(wù)光纜纖芯質(zhì)量監(jiān)測(cè)同理，使用華為OSN系統(tǒng)產(chǎn)品AST4單板多接口光開(kāi)關(guān)分時(shí)探測(cè)各備用光纖質(zhì)量。

4 電力光纜環(huán)境參量及運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)

輸電線路以及電力光纜除了要承載自身重量的機(jī)械力作用外，運(yùn)行條件惡劣，不僅需要穿越高海拔、多積雪、重覆冰的地區(qū)，還會(huì)受到惡劣天氣如大風(fēng)、雷暴 等環(huán)境因素的影響，因覆冰、舞動(dòng)以及雷擊等因素引起的輸電架空線路跳閘或通信中斷事故頻頻發(fā)生，影響了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電力光纜環(huán)境參量及運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)能夠在災(zāi)害發(fā)生的早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行干預(yù)，可以有效降低災(zāi)害造成的損失。

利用分布式光纖傳感原理，把光纖作為分布式的傳感器，可通過(guò)光纜狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備上的分光器切換多根監(jiān)測(cè)光纖，采集光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘?hào)光學(xué)基礎(chǔ)參量（波長(zhǎng)、頻率、強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位等），監(jiān)測(cè)光纜沿線溫度、振動(dòng)等物理量，建立光學(xué)參量與架空光纜線路溫度、風(fēng)致振動(dòng)、雷電、覆冰狀態(tài)之間的關(guān)系（如圖5所示），根據(jù)多維特征數(shù)據(jù)模型和特征參數(shù)的采集提取算法，建立光纜溫度、振動(dòng)等因素的實(shí)時(shí)多維特征數(shù)據(jù)集。實(shí)現(xiàn)整條光纜安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)和智能判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能影響光纜安全運(yùn)行的隱患問(wèn)題[1]。

圖5 覆冰雷擊監(jiān)測(cè)方案示意

主要監(jiān)測(cè)因素包括：

1）溫度監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)架空光纜沿線的環(huán)境溫度，建立架空光纜沿線完整的溫度分布曲線；對(duì)于OPGW光纖復(fù)合架空地線可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜本體溫度。

2）振動(dòng)監(jiān)測(cè)：通過(guò)監(jiān)測(cè)OPGW光纖復(fù)合架空地線的雙折射變化，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3）根據(jù)采集到的溫度、振動(dòng)等物理量，結(jié)合架空光纜溫度/振動(dòng)等多維特征數(shù)據(jù)模型和特征參數(shù)的采集提取算法，建立光纜溫度、振動(dòng)等因素的實(shí)時(shí)多維特征數(shù)據(jù)集，通過(guò)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模式識(shí)別技術(shù)，結(jié)合架空光纜線路所處環(huán)境、微地形數(shù)據(jù)，對(duì)有可能影響架空光纜性能的常見(jiàn)異常事件進(jìn)行分析判斷，并自動(dòng)定位異常事件發(fā)生的具體地圖位置或區(qū)域。

4）架空電纜環(huán)境溫度分析：根據(jù)架空光纜沿線環(huán)境溫度分布曲線，分析判斷光纜沿線溫度升降變化。根據(jù)各個(gè)點(diǎn)位溫度發(fā)展變化趨勢(shì)，自動(dòng)定位發(fā)生溫度異常的位置或區(qū)域，分析判斷引起溫度變化的外界事件。

5）盜竊與外力傷害事件分析與識(shí)別：通過(guò)監(jiān)測(cè)OPGW光纖復(fù)合架空地線的振動(dòng)、應(yīng)變情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界入侵的監(jiān)測(cè)，并且能快速定位事件發(fā)生位置。通過(guò)分析架空光纖偏振態(tài)變化，能有效識(shí)別盜竊、破壞行為，并有效解決非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)及其帶來(lái)的誤報(bào)警現(xiàn)象。

6）風(fēng)擺分析：根據(jù)采集到的光纜溫度和振動(dòng)分布曲線，針對(duì)架空光纜線路所處環(huán)境、微地形數(shù)據(jù)，自動(dòng)定位風(fēng)擺劇烈的位置或區(qū)域，判斷架空光纜隨風(fēng)力擺動(dòng)幅度的發(fā)展趨勢(shì)和嚴(yán)重程度。

7）異常振動(dòng)事件分析與識(shí)別：根據(jù)架空光纜振動(dòng)分布曲線，提取在實(shí)際環(huán)境中不同類(lèi)型人為破壞激勵(lì)情況下的輸電線路振動(dòng)特征，建立振動(dòng)數(shù)據(jù)模型庫(kù)，自動(dòng)定位發(fā)生異常振動(dòng)的位置或區(qū)域，分析判斷該區(qū)域異常振動(dòng)的成因。

8）雷擊與閃絡(luò)故障事件分析與識(shí)別：根據(jù)架空線路溫度場(chǎng)變化，提取在實(shí)際環(huán)境中不同類(lèi)型雷擊和閃絡(luò)故障情況下的輸電線路的相關(guān)特征，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、線路走向、微地形等信息，繪制架空輸電線路落雷分布圖，構(gòu)建每個(gè)檔距的雷害和閃絡(luò)故障預(yù)測(cè)模型，自動(dòng)定位每個(gè)檔距雷擊位置，為雷擊后光纜性能測(cè)試提供參考。

9）覆冰情況分析與識(shí)別：針對(duì)在冬季寒潮時(shí)容易發(fā)生架空光纜覆冰的地區(qū)，結(jié)合架空光纜局部溫度發(fā)展趨勢(shì)和振動(dòng)的變化，建立整條架空光纜每個(gè)檔距覆冰分布，自動(dòng)定位出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象的位置或區(qū)域，分析判斷覆冰現(xiàn)象的發(fā)展趨勢(shì)和嚴(yán)重程度，為覆冰巡線提供參考。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電力光纜纖芯健康在線監(jiān)測(cè)、電力光纜環(huán)境參量、安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)，極大地提高電力通信光纜的運(yùn)維工作效率，減輕運(yùn)維工作負(fù)擔(dān)，節(jié)約管理成本。同時(shí)將有效地提升通信光纜及輸電線路沿途的環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，大幅提高通信和輸電部門(mén)對(duì)各類(lèi)環(huán)境變化的預(yù)警和處置能力，提升現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)與處置的綜合能力，保障電力通信網(wǎng)的安全運(yùn)行，全面提升電力光纜在環(huán)境變化應(yīng)對(duì)方面的安全管理工作水平。