基于分布式光纖溫度傳感器的電纜故障定位研究

徐鴻福， 范偉強

(1.遼寧省電力有限公司阜蒙縣供電分公司，遼寧 阜新 123100；2.中國礦業大學(北京)信息所，北京100083)

基于分布式光纖溫度傳感器的電纜故障定位研究

徐鴻福1， 范偉強2

(1.遼寧省電力有限公司阜蒙縣供電分公司，遼寧 阜新 123100；2.中國礦業大學(北京)信息所，北京100083)

為了提高全分布式光纖測溫系統對輸配電電纜的測溫準確度和故障定位精度，建立了基于反斯托克斯與斯托克斯拉曼散射信號時間的故障定位數學模型，提出了一種電纜表面溫度與拉曼強度比導函數作為故障閾值的信號檢測方法，對電纜故障信號檢測方法的去噪效果和檢測信號隨故障時間變化進行了仿真分析。仿真分析結果表明，電纜表面溫度與拉曼強度比函數多次平均去噪的方法，能夠降低噪聲對信號的干擾；導函數與故障閾值相比較的電纜檢測信號方法，提高了電纜故障點定位的精度。

拉曼強度比；故障閾值；斯托克斯；去噪；定位

目前，配電線纜溫度實時監測并通過溫度異常點反演故障位置成為了現今的研究熱點。在中國國內配電線纜溫度監測和故障定位中，主要是通過分布式光纖傳感器進行實時監測，并將測量結果進行數據上傳后終端進行綜合分析，最終形成了一個集溫度監測、數據分析、故障定位等功能于一體的電纜網絡監測系統[1]。由于分布式拉曼光纖傳感器具有本質安全、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學腐蝕、可嵌入等特點[2]，因此該傳感技術不僅能在復雜環境下對電纜溫度進行實時監測，還可以將每個測量故障點數據進行準確傳送到控制中心[3]?？刂浦行木_啟動相應的保護措施和通知檢修人員及時采取措施進行搶修，防止電纜事故進一步擴大[4]。本文闡述了基于全分布式拉曼光纖傳感器的基本原理，分析了光纖測溫原理與電纜故障點定位的關系，根據全分布式拉曼光纖傳感技術構建了電纜故障定位中的精確測量模型，并采用溫度與拉曼強度比函數多次平均去噪的方法，準確提取了故障點測溫信號，通過MATLAB仿真分析驗證了溫度與拉曼強度比導函數作為故障閾值信號檢測方法的可靠性。

1 全分布拉曼光纖溫度傳感器的技術原理

分布式拉曼光纖傳感技術是一種先進的光時域分析技術[5]。當入射光在光纖中傳播時與光纖介質相互作用后會使光纖中的各種光學特性不均勻，并產生三種不同頻移的散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射[6]。光纖中3種散射光的特征散射譜[7]如圖1所示。

圖1 光纖散射頻譜圖

根據散射光與入射光的頻率關系，可以將散射光分為彈性散射和非彈性散射。拉曼散射是非彈性散射，當拉曼散射光波長高于入射光波長時稱為斯托克斯散射光；拉曼散射光波長低于入射光波長時稱為反斯托克斯散射光。

光纖入射光子吸收一個聲子產生一個斯托克斯拉曼光子，同時釋放一個反斯托克斯拉曼光子，其表達式為

hvs=h(vp-Δv)

(1)

hvAS=h(vp-Δv)

(2)

式中：h為普朗克常量；Δv為拉曼聲子頻率1.32×1013Hz；vp、vs、vAS分別為入射光、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光的頻率。

由式(1)、(2)可知，當激光脈沖在光纖中傳播時，每個激光脈沖產生的背向斯托克斯拉曼散射光的通量為

(3)

背向反斯托克斯拉曼散射光的通量為

(4)

式中：Ks、KAS為與光纖的反斯托克斯拉曼散射和斯托克斯拉曼散射截面有關的系數；α0、αAS、αs為光纖入射光、反斯托克斯散射光、斯托克斯散射光的平均傳播損耗；Rs(T)和RAS(T)為與光纖分子能級有關的溫度調制函數；L為測量光電纜長度。

背向斯托克斯拉曼散射與背向反斯托克斯拉曼散射的溫度調制函數[6]由玻爾茲曼定律得到與光纖分子能級有關的溫度調制函數為

Rs(T)=[1-exp(-hΔv/kBT)]-1

(5)

RAS(T)=[exp(-hΔv/kBT)-1]-1

(6)

式中：T為電纜測量溫度；kB為玻爾茲曼常數;kB=1.380×10-23J·K-1。

根據玻爾茲曼定律，由式(5)、(6)帶入式(3)、(4)，得到入射激光與被測光纖分子在非線性互相作用下，反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強度比為

exp[-(αAS-αS)·L]

(7)

由式(7)就得到了基于全分布式光纖自發拉曼散射的各段光纖的溫度信息。

2 基于分布式光纖測溫的電纜故障定位設計

在實際應用中，電纜故障引起的表面溫度升高，導致監測光纖的斯托克斯和反斯托克斯波段的光纖衰減系數不可預知[8]?；谑?7)反演電纜各段的溫度，將會造成故障點難以定位。下面主要研究采用斯托克斯拉曼散射光子與反斯托克斯拉曼散射光子的雙光路溫度解調方法來抵消光源波動影響[6]和以電纜正常運行時溫度與拉曼強度比函數的導數為故障閾值，同時以檢測故障時間進行故障反演的定位技術。通過該方法來提高待測信號的信噪比和實現電纜故障點精確定位。

2.1 雙光路溫度解調算法

在拉曼光纖傳感器測量中，由于系統引入了光學器件的標準具噪聲和電學器件的隨機噪聲等[3]。為了提高電纜溫度測量的精度，由式(7)與標定溫度下反斯托克斯拉曼光與斯托克斯拉曼光的強度比得到的拉曼強度比，來實現對電纜溫度的實時監測及反演電纜溫度分布場。

在標定溫度T0時，由式(7)得到拉曼強度比F(T)與電纜表面溫度的關系：

(8)

將式(8)化簡得出拉曼強度比與待測溫度的關系式為

(9)

2.2 電纜故障定位算法

在分布式拉曼光纖傳感器對輸配電線纜進行故障反演時，通過對式(9)求導得到溫度閾值函數，并在多個輸入脈沖下對監測到的電纜拉曼溫度數據曲線進行對比分析。當溫度曲線大于溫度閾值曲線時，記錄監測時刻并通過脈沖在光纖中傳播時間來反演故障點即可查找故障點準確位置。

設正常情況下測得的電纜溫度函數的導函數為其自適應閾值，通過對溫度函數多次疊加來減小系統隨機噪聲對測量結果的影響，由式(9)求導得到溫度閾值函數為

(10)

式中：T′為拉曼強度比與待測溫度的關系式T的導函數。

當入射激光脈沖進入光纖時開始計時，脈沖在光纖中發生非彈性拉曼散射后，背向散射信號會在接收端的時刻被接收[9]。由光時域反射原理的計時時間判斷散射信號在光纖中的位置[10]，表達式為

(11)

式中：β為信號接收延時系數；c為光在真空中傳播速度；n為光纖纖芯折射率；t為信號發射到接收時間。

當電纜發生故障時，故障點附近的溫度會上升，其分布式拉曼光纖傳感器監測到的拉曼溫度導函數曲線值在某一段值大于其溫度閾值，記錄得到對應的異常點接收時間t，將溫度異常點接收時間帶入式(11)來反演出電纜故障點[11-12]。

3 電纜故障定位仿真分析

通過采集多個脈沖輸入下的拉曼溫度反射曲線隨時間的變化數據，在監控溫度狀態正常時將溫度曲線數據存儲下來，實時刷新分布式光纖傳感器監測數據并與閾值函數實時對比。當電纜出現故障時，監測的拉曼溫度反射曲線較正常運行時的閾值出現明顯異常。

該MATLAB仿真系統采用斯托克斯拉曼光通量作為參考信號的斯托克斯拉曼散射光子與反斯托克斯拉曼散射光子的雙光路溫度解調方法。此解調方法得到的溫度函數可以避免系統光源波動以及采樣誤差對溫度檢測造成的影響。

在正常工作狀態下，整條線纜溫度保持恒定。在標定光纖溫度為時，經過理論計算得到不同溫度下的拉曼散射強度比[13]如表1所示。根據表1計算結果繪制溫度與拉曼強度比的關系曲線如圖2所示。經過多次平均去噪算法處理后，溫度與拉曼散射強度比的關系曲線如圖3所示。

表1 溫度與拉曼散射強度比

圖2 光纖溫度與拉曼強度比關系

圖3 平均去噪溫度與拉曼強度比導函數關系

從圖2可以看出，拉曼強度比與電纜溫度的關系簡化為線性關系，實際上噪聲的引入、光纖損耗和光纖彎曲等因素將造成系統測量誤差。為了減小系統誤差，引入電纜溫度與拉曼強度比的閾值函數關系，并多次累加求取平均值的算法來提高測量精度。仿真得到拉曼強度比與溫度導函數關系、多次累加求取平均值后得溫度閾值函數關系分別如圖4、圖5所示。

圖4 電纜溫度與拉曼強度比導函數關系

圖5 多次累加平均后的溫度閾值函數關系

根據圖4和圖5對比分析，溫度與拉曼強度比函數經過求導并多次累加降噪處理后，得到的溫度閾值函數更趨于平穩，去噪效果更顯著。

在正常工作狀態下，整條線路溫度保持恒定，同時隨著線纜長度增加，拉曼強度比減小。在溫度閾值為30℃時，仿真線纜拉曼強度與溫度關系如圖6所示。當電纜某處故障發生時，其溫度逐漸升高，光纖拉曼傳感器監測到線纜實時溫度與拉曼強度比關系如圖7所示。

圖6 電纜拉曼強度比與溫度閾值函數關系

圖7 某點故障時溫度與全段電纜溫度閾值函數關系

從圖6和圖7對比分析可知，電纜發生某處故障時，該處溫度會升高。故障點在拉曼強度比0.85～0.95時，線纜溫度大于溫度閾值時，仿真溫度呈逐漸升高趨勢，如圖8所示。

在圖8中，獲得的測量數據時間為t2>t1>t0。根據波形變化可知，電纜某一點突發異常時，溫度變化值監測時間發生變化，溫度閾值函數能夠準確分析電纜故障點處溫度值逐漸升高趨勢。

當電纜某處發生故障時，分布式光纖傳感器比較該處拉曼強度處溫度變化，發出報警和記錄信號接收時間。通過記錄激光器發射入射激光脈沖到拉曼光纖傳感器接收到該異常點的反斯托克斯拉曼散射強度的時間t，由式(11)準確計算出電纜故障點，并及時啟動相應的電路保護設備，及時維修。

圖8 電纜故障處實時溫度與溫度閾值函數關系

4 結 論

本文以分布式光纖溫度傳感器測量線纜表面溫度作為監測配電線纜運行狀態的一個重要參數，采用溫度與拉曼強度比導函數作為故障閾值的信號檢測方法，通過仿真分析得到配電線纜故障點溫度與拉曼強度曲線隨溫度閾值變化關系。

1) 對斯托克斯與反斯托克斯后向散射信號的拉曼強度進行去噪算法處理，能準確提取電纜故障點的溫度信號。

2) 系統直接利用降噪后的拉曼強度比導函數與溫度閾值函數關系曲線反演故障點位置，提高了對電纜的異常溫度變化監測和故障位置的判斷。

3) 基于分布式光纖拉曼故障定位技術對于預防由電纜安全隱患引起的電網事故、快速查找故障點及檢修方面有一定的借鑒作用。

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Study of cable fault location based on distributed optical fiber temperature sensor

XU Hongfu1,FAN Weiqiang2

(1.Fumeng County Power Supply Subsidiary,Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Fuxin 123100,China; 2.Information Institute,China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China)

In order to improve the temperature measurement accuracy and fault location precision of power transmission and distribution cable impacted by fully distributed optical fiber temperature measurement system on, a mathematical model of fault location is built based on anti-Stokes and Stokes Raman scattering signal time; a signal detection method is proposed by taking cable surface temperature and Raman intensity ratio function as fault threshold; and denoising effect and the detection signal through the cable fault signal detection method are simulated and analyzed with the change of the fault time. The simulation results show that the method of using cable surface temperature and Raman intensity ratio function to carry out average denoising for many times can reduce the influence of noise on the signal. Also, the method to detect signal of cable can improve positioning accuracy of the cable fault point.

Raman intensity ratio; failure threshold; Stokes; denoising; positioning

2017-02-07;

2017-06-13。

國家重點研發計劃項目(2016YFC0801800) 。

徐鴻福(1975—)，男，工程師，主要研究方向為配電線路運行與安全。

TM247;TN818

A

2095-6843(2017)05-0425-05

(編輯侯世春)