分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用電力光纜網(wǎng)監(jiān)測(cè)

光纜網(wǎng)監(jiān)測(cè)的主要目的是保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行, 對(duì)現(xiàn)有問題及時(shí)發(fā)現(xiàn), 潛在的光纜故障提前預(yù)警, 對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位, 為光纜網(wǎng)運(yùn)維人員提供依據(jù)。而電力光纜由于本身結(jié)構(gòu)的特殊性, 通常是隨電力系統(tǒng)輸電線路走廊直接敷設(shè), 因此也間接反應(yīng)了輸電線路的狀態(tài), 包括振動(dòng)、溫度、應(yīng)力等, 因此, 與傳統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商光纜監(jiān)測(cè)要求比較, 電力光纜量測(cè)的參數(shù)要求更多, 環(huán)境更復(fù)雜。電力光纖傳感分為點(diǎn)式傳感技術(shù)和分布式傳感技術(shù), 點(diǎn)式傳感無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬范圍無(wú)盲區(qū)監(jiān)測(cè), 分布式光纖傳感技術(shù), 利用光纖本身可兼做傳感器, 監(jiān)測(cè)可以做到沿整條光纖無(wú)盲區(qū)覆蓋, 電力特種光纜本身受外力破壞的可能性小, 不受電磁干擾, 而且光纖資源豐富, 可靠性高, 依托電力系統(tǒng)自身的線路走廊, 無(wú)需另開溝道或?qū)ｉT架設(shè), 不受電磁干擾, 而且光纖資源豐富, 具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

電力光纜中, 傳輸網(wǎng)中的OPGW具有電力架空地線和通信特種光纜雙重功能, 它既是輸電線路防雷保護(hù)的避雷線, 又是傳輸信息的電力通信線。無(wú)需要單獨(dú)立桿塔、不占線路走廊, 節(jié)約了投資, 提高了線路走廊的利用效率, 具有非常高的可靠性和安全度、同時(shí)使用壽命長(zhǎng)。但是OPGW再野外, 跨距長(zhǎng)、地理?xiàng)l件復(fù)雜, 在極端天氣下, 沿途地形地貌、氣象條件、環(huán)境因素對(duì)線路影響大。外界因素所可能會(huì)引起的長(zhǎng)時(shí)間光纜振動(dòng)、覆冰、舞動(dòng)等現(xiàn)象, 最終導(dǎo)致光纜線路故障。2008年冰災(zāi), 由于線路覆冰, 當(dāng)線路拉伸的應(yīng)力超過耐張塔的承受范圍, 導(dǎo)致耐張塔倒塌, 引起輸電線路故障, 因此對(duì)電力光纜網(wǎng)的分布式監(jiān)測(cè), 同時(shí)也是間接反映了輸電線路監(jiān)測(cè)狀態(tài)。另外, 雷擊引起光纜斷裂、短路電流引起光纜溫升等事故也是影響電力光纜網(wǎng)故障的重要因素, 分布式光纖傳感, 可對(duì)輸電線路實(shí)現(xiàn)全范圍無(wú)盲點(diǎn)監(jiān)控。在電力系統(tǒng)中, 分布式光纖傳感對(duì)在不同的場(chǎng)景中, 監(jiān)測(cè)的參量需求重點(diǎn)不同, 因此, 需要一種綜合量測(cè)統(tǒng)一平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜線路的全面監(jiān)測(cè)。

對(duì)于工程中實(shí)際應(yīng)用的分布式光纖傳感技術(shù), 按照其傳感原理有:瑞利光時(shí)域散射、瑞利光頻域散射、拉曼散射、自發(fā)布里淵散射、受激布里淵散射、Michelson干涉、M-Z干涉、Sagnac干涉?；诠馍⑸湫?yīng)的分布式光纖傳感技術(shù), 在電力行業(yè), 普遍應(yīng)用的有:OTDR, 主要用于電網(wǎng)通訊光纜的損傷點(diǎn)檢測(cè);ROTDR, 主要用于輸電線路的溫度監(jiān)測(cè), 進(jìn)而拓展到輸電線路基于溫度的火災(zāi)和動(dòng)態(tài)載流量監(jiān)測(cè)技術(shù);BOTDR和BOTDA, 主要應(yīng)用于輸電線路的溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè), 該技術(shù)在輸電線路的弧垂、溫度、應(yīng)變變形同時(shí)監(jiān)測(cè)方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于瑞利光時(shí)域散射、瑞利光頻域散射、拉曼散射、自發(fā)布里淵散射、受激布里淵散射五種光散射型分布式光纖傳感技術(shù), 充分利用了光纖一維空間連續(xù)分布監(jiān)測(cè)的特點(diǎn), 獲得時(shí)間和線性空間上的二維信息分布, 對(duì)大型基礎(chǔ)工程設(shè)施及設(shè)備表面的典型部位進(jìn)行感知、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè), 不需構(gòu)成回路或雙路, 工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是以綜合多種量測(cè)的功能設(shè)備上, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一量測(cè), 數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理, 工程上可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一部署, 從而降低整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)工作量和工程安裝成本。

光時(shí)域反射技術(shù)利用向光纖中發(fā)送光脈沖, 同時(shí)在同步時(shí)鐘的控制下通過測(cè)量探測(cè)光脈沖的背向瑞利散射信號(hào)功率的變化從而判斷光纖沿線的事件如彎曲、熔接點(diǎn)、連接頭、斷裂處等。本方案在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種監(jiān)測(cè)方案, 在廣州市電力公司、成都電力公司、江蘇省電力公司得到了廣泛應(yīng)用。其原理是利用同步時(shí)鐘記錄探測(cè)光信號(hào)在光纖中的往返時(shí)間, 由于每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)光脈沖在光纖中傳播的位置, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖沿線故障點(diǎn)的識(shí)別和定位。

布里淵散射是指光源發(fā)出的光波與介質(zhì)內(nèi)的彈性聲波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。光纖溫度量測(cè)是近年利用布里淵散射原理發(fā)展起來(lái)的長(zhǎng)距離分布式光纖傳感技術(shù), 主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變進(jìn)行量測(cè), 對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備可分為環(huán)路測(cè)量的布里淵光時(shí)域分析儀BOTDA以及單端測(cè)量的布里淵光時(shí)域反射計(jì)BOTDR。BOTDR進(jìn)行量測(cè)時(shí), 采用單端輸入探測(cè)光方法, 利用探測(cè)光在傳輸過程中的布里淵散射來(lái)感知各位置的溫度變化, 其優(yōu)點(diǎn)是施工方便, 只需單端施工, 但隨著距離增長(zhǎng), 返回的布里淵光強(qiáng)度會(huì)變?nèi)? 信號(hào)檢測(cè)難度大。而BOTDA進(jìn)行量測(cè)時(shí)候, 需要使用兩根纖芯, 使光纖形成回路, 優(yōu)點(diǎn)是精度更高, 需要對(duì)端連接, 形成回路。布里淵原理實(shí)現(xiàn)的光纖溫度量測(cè)是通常采用單模光纖, 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè), 測(cè)量精度、空間分辨率等指標(biāo)更優(yōu), 可以實(shí)現(xiàn)全程±1℃、1m的測(cè)溫性能。

另一種常用的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)是基于拉曼散射的原理, 該方法也是一種常用的分布式光纖傳感技術(shù), 其原理是基于光纖拉曼散射。利用光纖的拉曼散射對(duì)溫度有敏感特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。在脈沖光在光纖中傳輸時(shí), 散射信號(hào)是連續(xù), 利用OTDR計(jì)算散射點(diǎn)位置, 從而得到光纖沿線的溫度分布。

光纜分布式振動(dòng)量測(cè)常用的是基于相位敏感OTDR技術(shù)的原理當(dāng)由聲音或物體振動(dòng)產(chǎn)生的壓力施加于傳感光纜時(shí), 將會(huì)同時(shí)引起光纖的振動(dòng), 由于介質(zhì)中應(yīng)力波的存在可改變介質(zhì)的介電常數(shù)或光折射率, 影響光在介質(zhì)中的傳播, 導(dǎo)致傳感光纖振動(dòng)處的光纖折射率發(fā)生變化, 因而引起傳感光纜中傳輸光的相位改變。將光纖作為相位調(diào)制元件, 根據(jù)光學(xué)原理, 由于外界的振動(dòng)同時(shí)引起光纖振動(dòng), 光纖中散射光的相位將會(huì)發(fā)生變化, 通過監(jiān)測(cè)光纖返回的瑞利散射信號(hào)的變化, 對(duì)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的不同時(shí)刻的返回信號(hào)特征值進(jìn)行分析監(jiān)測(cè), 實(shí)現(xiàn)整段光纜振動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 再通過OTDR技術(shù), 將對(duì)應(yīng)的各采樣點(diǎn)返回的時(shí)間來(lái)?yè)Q算成距離, 實(shí)現(xiàn)振動(dòng)位置的準(zhǔn)確定位, 也可通過測(cè)量注入的脈沖與接收信號(hào)之間的時(shí)間延遲計(jì)算振動(dòng)位置。

依照系統(tǒng)實(shí)際需求, 系統(tǒng)中集成三種測(cè)試模塊, OTDR模塊量測(cè)光衰, BOTDR測(cè)試模塊量測(cè)應(yīng)力和溫度, Φ-OTDR測(cè)試模塊量測(cè)振動(dòng), 集成該三種量測(cè)模塊的一體化設(shè)備, 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力光纜線路的主要參數(shù)的全覆蓋監(jiān)測(cè), 從而實(shí)現(xiàn)光纜線路的全方位感知, 將量測(cè)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理, 存入數(shù)據(jù)庫(kù)中, 方便后期的調(diào)用分析。

本系統(tǒng)中, 傳感單元包括電纜光纖線路的備用光纖, 電纜光纖本身作為一個(gè)傳感器單元, 實(shí)現(xiàn)光纖線路的分步式量測(cè), 其它傳感單元將采用外置式, 通過網(wǎng)絡(luò)接入綜合處理中心, 綜合監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感, 數(shù)據(jù)經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理實(shí)現(xiàn)歸一化后, 傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心, 并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存檔, 多參量綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中展示, 并實(shí)現(xiàn)策略定制, GIS展示等。

在硬件設(shè)計(jì)上面, 主要是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的傳感設(shè)備集成, 通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同參量的量測(cè)功能和被測(cè)線路切換, 通過處理平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)輪詢測(cè)試、手工測(cè)試、事件觸發(fā)測(cè)試等, OTDR光衰量測(cè)設(shè)置輪詢測(cè)試的周期為12小時(shí), 對(duì)與參考曲線進(jìn)行后臺(tái)對(duì)比, 當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)奇異點(diǎn), 對(duì)該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。BOTDR模塊實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力監(jiān)測(cè), 溫度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)相對(duì)變化較慢, 可以在線路空閑時(shí)候切換到BOTDR模塊, 實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)通常發(fā)生時(shí)間比較短, 在電力系統(tǒng)中, 通常出現(xiàn)電力認(rèn)為破壞的主要因素為城市施工, 因此, 對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要集中在白天。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在一根纖芯上實(shí)現(xiàn)多種功能量測(cè)。

該方案兼顧到了多個(gè)參量監(jiān)測(cè)的靈活切換, 同時(shí)又兼顧到了監(jiān)測(cè)線路覆蓋, 通過兩級(jí)獨(dú)立的光開關(guān)級(jí)聯(lián), 每個(gè)光開關(guān)獨(dú)立控制, 能夠很好完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。接觸結(jié)果在后臺(tái)做統(tǒng)一的歸一化處理, 后后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)分析使用。

系統(tǒng)軟件開發(fā)基于主流的BS架構(gòu), 主要分為后臺(tái)服務(wù)部分、數(shù)據(jù)庫(kù)、瀏覽器。后臺(tái)服務(wù)包含3個(gè)模塊:通信服務(wù)模塊、應(yīng)用服務(wù)模塊、GIS服務(wù)模塊, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)試的總體調(diào)度與設(shè)備控制, 接收外部告警, 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的采集比對(duì), 策略和監(jiān)測(cè)規(guī)則定義、業(yè)務(wù)處理, 數(shù)據(jù)解析等, 同時(shí)在后臺(tái)服務(wù)部分實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的GIS集成、對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)的WMS服務(wù), 實(shí)現(xiàn)光學(xué)量測(cè)結(jié)果和空間精確定位的計(jì)算等。數(shù)據(jù)庫(kù)包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)和基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的存儲(chǔ), 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)測(cè)試路由光路相關(guān)信息, 量測(cè)結(jié)果, 測(cè)試參數(shù)等?；氐貓D數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存以及空間計(jì)算。

在功能獨(dú)立的軟件開發(fā)平臺(tái), 每個(gè)量測(cè)系統(tǒng)要求的功能不一樣, 都有各自的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式, 處理比較單一容易。但是在多參量傳感中, 需要對(duì)多種量測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 一體化平臺(tái)主要目的是實(shí)現(xiàn)多個(gè)量測(cè)參量的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理, 因此需提取各類型監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)結(jié)果的共性, 將多個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)結(jié)果在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)處理展示。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致化處理, 將結(jié)果序列化為統(tǒng)一的格式, 兼容第三方軟件。該多平臺(tái)系統(tǒng)中, 系統(tǒng)光功率和時(shí)間軸 (對(duì)應(yīng)的距離) 二維數(shù)據(jù), 反射信號(hào)和長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng), 最終結(jié)果是通過曲線以及對(duì)曲線的分析為主, 為保證不同參量平臺(tái)的監(jiān)測(cè)結(jié)果文件格式兼容, 又能結(jié)合電力系統(tǒng)特色的業(yè)務(wù)特點(diǎn)。文件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:數(shù)據(jù)目錄塊存儲(chǔ)整個(gè)文件的模塊信息, 包括每個(gè)塊的大小, 標(biāo)識(shí);通用信息塊標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)設(shè)備信息, 用于記錄本次量測(cè)使用的設(shè)備模塊, 以及對(duì)應(yīng)的廠家信息;量測(cè)參數(shù)塊記錄本次量測(cè)使用的量測(cè)參數(shù);事件塊記錄本次量測(cè)后分析的事件列表或?qū)?yīng)的事件位置;由于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的連續(xù)監(jiān)測(cè), 因此連接模塊記錄對(duì)應(yīng)的光路上對(duì)應(yīng)的物理連接點(diǎn);數(shù)據(jù)點(diǎn)將采用16進(jìn)制存儲(chǔ), 節(jié)約存儲(chǔ)空間;測(cè)試類型記錄本次量測(cè)方法對(duì)應(yīng)的傳感類型等;業(yè)務(wù)參數(shù)記錄當(dāng)前測(cè)試的光纜上當(dāng)前所承載的業(yè)務(wù)類型, 等級(jí)等。

統(tǒng)一量測(cè)平臺(tái)與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)相比, 采用全新的BS框架, 通過權(quán)限配置, 實(shí)現(xiàn)不同用戶的對(duì)數(shù)據(jù)的分級(jí)數(shù)據(jù)瀏覽, 保證了用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全。本平臺(tái)對(duì)物理資源和邏輯資源數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一的管理, 通過監(jiān)控, 測(cè)試路由, 光纜資源三個(gè)不同的資源樹從不同的管理角度實(shí)現(xiàn)對(duì)資源分類分層, 所有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理維護(hù)。光纜資源實(shí)現(xiàn)物理資源如機(jī)房、光纜段、交接箱、電力人井、桿塔等基礎(chǔ)的錄入, 測(cè)試路由實(shí)現(xiàn)邏輯資源如路由拓?fù)涞慕? 監(jiān)控實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)上監(jiān)測(cè)設(shè)備的錄入。因此, 該系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 即減少了系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入, 又為其它的監(jiān)控系統(tǒng)提供擴(kuò)展接口, 具有良好的擴(kuò)展性。

結(jié)合電力光纜網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)參量的特殊要求, 分析并總結(jié)了電力光纜網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種監(jiān)測(cè)的主要原理, 以及各種監(jiān)測(cè)的不同應(yīng)用場(chǎng)景, 為便于施工方便, 降低施工成本, 設(shè)計(jì)了一套可行的多參量監(jiān)測(cè)設(shè)備并實(shí)現(xiàn)對(duì)電力光纜的主要參量全方位監(jiān)測(cè), 在數(shù)據(jù)處理部分, 采用歸一化數(shù)據(jù)處理方式, 實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)一存儲(chǔ)和解析, 最后通過后臺(tái)處理和分析軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和結(jié)果的關(guān)聯(lián)展示。