監測意義

近年來(lái), 為滿(mǎn)足城市建設、環(huán)境美化的要求，越來(lái)越多電力線(xiàn)路采用電纜方式建設，地下電纜在輸配電系統中的比重越來(lái)越大,規模增長(cháng)迅速。但是在服役過(guò)程中，電纜時(shí)常受到外力破壞, 故障隱患頻發(fā)，且類(lèi)型、位置、時(shí)刻難以預知，電纜供電安全可靠的優(yōu)勢受到嚴重影響。因此,保障電纜供電不受外力破壞成為了電力運行部門(mén)急需解決的問(wèn)題。但傳統運行維護技術(shù)無(wú)法有效匹配電力基礎設施的增長(cháng)速度，致使電纜線(xiàn)路及電纜通道運維工作面臨著(zhù)巨大壓力。

圖 1 頻發(fā)的電纜外破事故

本系統依托分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)實(shí)現電纜外破監測，實(shí)時(shí)測量傳輸線(xiàn)路周?chē)恼駝?dòng)情況,定位異常發(fā)生地點(diǎn)，并識別潛在威脅到光纜的垂直距離，從而有效評估外破威脅等級。該系統能夠提供可靠的傳輸線(xiàn)路防外力破壞預警功能，有力保證電力系統安全運行。

原理及系統簡(jiǎn)介

本產(chǎn)品通過(guò)Ada-5000系列分布式光纖微擾動(dòng)場(chǎng)感測儀構建監測平臺。在原理上利用相位敏感型光時(shí)域反射計（Φ-OTDR）技術(shù)來(lái)探測振動(dòng)，實(shí)現對外破事件的監測。Φ-OTDR通常采用kHz級別的窄線(xiàn)寬激光器作為光源，通過(guò)向傳感光纖注入探測光脈沖，并檢測傳感光纖中由此產(chǎn)生的瑞利背向散射（RBS）信號來(lái)感知光纖所受到的外部擾動(dòng)。該技術(shù)靈敏度極高、測量響應速度快，能夠實(shí)現長(cháng)距離全分布式的無(wú)盲區傳感，非常適合對地埋電纜周邊各類(lèi)微擾動(dòng)事件的監測。

圖 2 相位敏感型光時(shí)域反射計（Φ-OTDR）工作原理

在測量原理上，當外部擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，光纖的長(cháng)度、折射率等會(huì )隨著(zhù)外部擾動(dòng)事件發(fā)生變化，最終導致光纖相應位置產(chǎn)生的RBS光信號相位發(fā)生變化。Φ-OTDR通過(guò)分析外部擾動(dòng)發(fā)生前后該位置的RBS相位變化，便可以對外部擾動(dòng)事件進(jìn)行定量測量。其原理如圖2所示：

圖 3外部擾動(dòng)引起的應變大小與相位變化關(guān)系示意圖

外部擾動(dòng)事件前后2個(gè)參考區域R1和R2的相位差可以表示為：

通過(guò)信號處理可以提取出擾動(dòng)位置的相位變化信息，就可以獲得外部擾動(dòng)作用在待測光纖上引起的光纖長(cháng)度變化，最終實(shí)現外部聲場(chǎng)的重構。結合信號分析，就能夠對電纜管廊附近發(fā)生的施工現象進(jìn)行精確定位以及快速識別，達到提前預警、快速巡視排查、減少故障發(fā)生的幾率，保障電纜安全運行的目標。

圖 4 電纜外破監測系統結構框圖

電纜防外破監測系統的核心解調裝置放置于監控機房，用于光信號的輸出、光電轉換處理、采集信號，并能夠通過(guò)數字信號分析進(jìn)行事件甄別和報警信息處理。結合光學(xué)多路復用模塊，可以實(shí)現單個(gè)站點(diǎn)對多條線(xiàn)路的輪詢(xún)檢測，其結構如圖3所示。裝置采用光纖單芯定位等一系列創(chuàng )新技術(shù)，通過(guò)對電纜線(xiàn)路上發(fā)生的對電纜有安全隱患的破壞行為、周邊環(huán)境施工等擾動(dòng)的實(shí)時(shí)監測, 采集和分析信息，判定擾動(dòng)發(fā)生的位置、類(lèi)型、強度，以幫助線(xiàn)路維護人員及時(shí)發(fā)現電纜的竊取、入侵和破壞行為。該裝置能夠在事件發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)監測、準確定位、智能分析,還可以實(shí)現對事故發(fā)生的預警, 有效解決對電纜損毀的預警監測，為值班人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

圖 5 標準機柜4U尺寸的檢測裝置硬件外觀(guān)

系統的硬件裝置采用如圖4所示的標準4U結構，其內部結構緊湊，穩定性強，能夠安裝在變電站通信機房的機柜內。裝置安裝便捷，只需將一根傳感光纖的單端接入就可完成裝置安裝。內置硬盤(pán)矩陣，可以完成長(cháng)時(shí)間的監測數據儲存，利用網(wǎng)絡(luò )接口和4G無(wú)線(xiàn)傳輸，可以實(shí)現遠程監控與數據傳輸。

圖 6 基于B/S架構的外破信息展示

系統軟件中的數據預處理模塊對采集得到的振動(dòng)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的數據清洗，然后經(jīng)過(guò)數據分析與模式識別模塊，分析沿線(xiàn)狀態(tài)量轉換為有效的機械作業(yè)引發(fā)的振動(dòng)事件，再匹配線(xiàn)路數據與相關(guān)閾值參量，形成如圖6所示的實(shí)時(shí)監測預警數據，并能夠通過(guò)B/S架構的軟件界面進(jìn)行遠程展示與查詢(xún)。

圖 7 報警閾值的本地化自適應設置

為了提高系統的適應性，系統軟件將根據布設地點(diǎn)的實(shí)測數據，統計線(xiàn)纜周邊的環(huán)境背景噪聲特性，自動(dòng)生成并動(dòng)態(tài)調整報警閾值，提高設備現場(chǎng)安裝、調試的效率，如圖6所示。

圖 8 外破事件的精準識別

系統對振動(dòng)信號的時(shí)域特征進(jìn)行統計分析，研究信號的形態(tài)隨時(shí)間變化的規律，抽取短時(shí)能量、平均過(guò)零率、諧振頻率、子頻帶能量、香農熵等典型特征量作為信號判斷和識別的依據，結合譜減、自適應濾波等噪聲抑制方法，能夠有效降低虛警率。本系統一方面能夠實(shí)現單條線(xiàn)路或多條串/并聯(lián)電纜線(xiàn)路外破隱患的監控和定位，形成電纜全線(xiàn)監控體系，另一方面又能夠實(shí)現對電纜所有外破隱患點(diǎn)的全流程管控，做到線(xiàn)面結合。系統軟件通過(guò)架設的通信服務(wù)器，由GPRS/WIFI/OPGW光纖網(wǎng)絡(luò )等形式的網(wǎng)絡(luò )傳輸，將監測裝置主機的實(shí)時(shí)監測結果連接到遠端的監控中心，實(shí)時(shí)監測預警數據列表，供GIS模塊展現及相關(guān)管理人員瀏覽監測運行日志，以事件為單位實(shí)現對每個(gè)隱患點(diǎn)的發(fā)現、處理全流程管控。同時(shí)利用移動(dòng)端APP軟件，能夠實(shí)時(shí)發(fā)布、接收事件預警信息。通過(guò)監控中心的實(shí)時(shí)數據同享，可及時(shí)推送故障預警信息，并可安排距離最近的人員快速達到現場(chǎng)，避免事故發(fā)生，并可通過(guò)遠程終端指導運維檢修，實(shí)現信息的移動(dòng)互聯(lián)。

圖 9 基于GIS信息展示、移動(dòng)端信息推送的智能巡檢平臺

依托本系統可以有效地實(shí)時(shí)監測地埋電纜周邊的施工振動(dòng)情況，及時(shí)了解異常信號，有效減少地埋電纜故障發(fā)生的幾率，一旦周邊有異常施工和破壞，系統就可以發(fā)出及時(shí)預警。在故障發(fā)生后，能夠做到精準定位，快速確定故障點(diǎn)的位置，降低人工查巡工作量，提高故障搶修的效率。系統設備安裝在機房，采用通訊光纜的1芯光纖既作為傳感裝置又做數據通訊，無(wú)需額外加裝傳感器和供電電源。光電復合纜敷設的區段可全線(xiàn)監測，全線(xiàn)路無(wú)盲區。系統軟件提供檢測預警數據的訪(fǎng)問(wèn)接口，以備用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)與集成。系統所構建的“線(xiàn)面結合、移動(dòng)互聯(lián)” 監測預警技術(shù)架構，可極大降低故障發(fā)生率和巡檢的工作強度，提升工作質(zhì)量，是電纜外破監測水平和管理水平的又一次提升！