基于光纖傳感器的電力電纜故障在線測(cè)距系統(tǒng)*

趙展，卜樹坡，劉昊

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信工程系，江蘇蘇州215104）

0 引 言

隨著城市化水平提高和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電力電纜作為重要的傳輸電能工具，越來(lái)越引起人們的關(guān)注。由于人為的違章施工作業(yè)、地面沉浮和絕緣老化等因素造成電纜故障，引發(fā)供電系統(tǒng)癱瘓從而造成不必要的損失。為了保證輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電力電纜進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。目前電纜的故障檢修費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，尋求一種快捷、準(zhǔn)確的電力電纜故障測(cè)距方法，來(lái)縮短檢修時(shí)間和減少停電損失，已成為國(guó)內(nèi)外科研技術(shù)人員的共同目標(biāo)［1］。電橋法和低壓脈沖反射法可以解決低阻和斷路故障，直閃法、沖閃法以及二次脈沖法可以解決高阻和閃絡(luò)故障［2-4］，這些傳統(tǒng)方法測(cè)量電纜故障點(diǎn)距離原理簡(jiǎn)單，但需要斷電后離線測(cè)量，并且故障修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的這些缺點(diǎn)，采用光纖傳感器對(duì)電力電纜狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在線對(duì)電纜故障點(diǎn)快捷、準(zhǔn)確的測(cè)距。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的電纜故障點(diǎn)在線測(cè)距是基于光纖傳感器的外差探測(cè)的Ф-OTDR光時(shí)域反射機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)的［5-7］。當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，假定某一時(shí)刻t接收到的后向瑞利散射干涉信號(hào)可表示為［8-9］：

式中ER（t）是后向瑞利散射干涉信號(hào)的振幅；φR（t）是后向瑞利散射干涉信號(hào)的相位；ω是入射脈沖光的頻率。

經(jīng)過移頻后的參考光信號(hào)可表示為：

式中Ec（t）是參考光的振幅；φc（t）是相位；Δω是移頻器引入的頻移量。

最后，通過光電檢測(cè)器接收到得交流電信號(hào)為：

式中 φ（t）＝φc（t）-φR（t）；θ（t）是Ec（t）和ER（t）的相對(duì)偏振角。

如果t時(shí)刻接收到得后向瑞利散射干涉信號(hào)受到了故障點(diǎn)振動(dòng)的影響，則可表示為：

式中 φV（t）是振動(dòng)引起的相位變化。

此時(shí)，光電檢測(cè)器接收到的交流電信號(hào)可表示為：

式中 φ′（t）＝φc（t）-φR（t）-φV（t）。

光電檢測(cè)器將交流信號(hào)送入到信號(hào)C′（t）采集和處理系統(tǒng)中，經(jīng)過信號(hào)處理，即可得到關(guān)于故障點(diǎn)振動(dòng)的位置和頻率信息。由于振動(dòng)引起的光相位變化φV（t）最終會(huì)反映為后向瑞利散射信號(hào)的振幅變化，通過對(duì)不同脈沖所產(chǎn)生的后向瑞利散射信號(hào)振幅做差，即可得到故障點(diǎn)的位置信息。

本系統(tǒng)幾個(gè)主要部分組成：激光發(fā)射電路部分、光電檢測(cè)電路部分、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)電路部分和GPRS通信電路部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

首先系統(tǒng)微處理器控制激光器產(chǎn)生符合要求的窄線寬的光脈沖，其中的一路光用作系統(tǒng)的信號(hào)光，另一路光經(jīng)移頻器用作參考光。信號(hào)光經(jīng)功率放大電路放大注入到測(cè)量光纖傳感器中，反饋的光能量用環(huán)形器將入射到光纖的激光脈沖與反射回來(lái)的信號(hào)分離后，分離信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)耦合器輸入到光電檢測(cè)電路，再經(jīng)光電檢測(cè)電路把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并放大后傳送給數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)電路，微處理器對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出故障點(diǎn)的距離，并將距離信息通過GPRS通信電路傳送到遠(yuǎn)程主控室的計(jì)算機(jī)中。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 激光發(fā)射電路

激光器是Ф-OTDR光纖傳感器中最為關(guān)鍵的元件。本系統(tǒng)采用某科技有限公司OTDR專用半導(dǎo)體激光器OPLS-LDFW55-40-P，其輸出功率可以達(dá)到50 mW。系統(tǒng)的微處理器控制激光器產(chǎn)生窄線寬的光脈沖經(jīng)功率放大器注入到光纖中，功率放大器由芯片IC-HK實(shí)現(xiàn)，IC-HK芯片可為激光器提供波形良好的電流脈沖，最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到1 400 mA。激光發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 激光發(fā)射電路Fig.2 Laser transmitting circuit

2.2 光電檢測(cè)電路

由于背向散射光非常弱，光電管選用具有雪崩增益的 APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極管）作為光信號(hào)接收器，其能對(duì)器件內(nèi)部的光生載流子電流進(jìn)行放大。采用高精度低噪聲的運(yùn)算放大器OP37完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)將電信號(hào)進(jìn)行了初步放大，然后采用程控增益放大器VCA810對(duì)電信號(hào)進(jìn)一步放大，來(lái)滿足A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)采樣電壓的要求。光電檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 光電檢測(cè)電路Fig.3 Photoelectric detecting circuit

2.3 數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)電路

系統(tǒng)采用有源濾波芯片MAX274對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行濾波，來(lái)消除環(huán)境噪聲的干擾。該芯片內(nèi)部有2階可變?yōu)V波器單元，可實(shí)現(xiàn)巴特沃斯型、貝塞爾型及切比雪夫全通型濾波器，濾波效果比較好［10］。濾波后的電壓信號(hào)送入12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9233芯片中，它具有125 MSPS轉(zhuǎn)換速率，650 MHz帶寬，滿足系統(tǒng)的要求。由于對(duì)光纖傳感器采集的信號(hào)多次采樣以達(dá)到累加次數(shù)，將產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)信息，因此，采用 SRAM（ISSI61LV25616）和 FIFO（IDT7203）對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。系統(tǒng)的微處理器采用某公司的TMS320F28335，它具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，用來(lái)完成系統(tǒng)的光脈沖產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)等功能。

2.4 GPRS通信電路

微處理器TMS320F28335將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出電纜故障點(diǎn)距離信息，并通過GPRS通信電路實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程發(fā)送到主控室的計(jì)算機(jī)中。本系統(tǒng)選用SIM300模塊進(jìn)行GPRS通信，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的低功耗高速傳輸［11］。GPRS通信電路如圖4所示。

圖4 GPRS通信電路Fig.4 GPRS communication circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

在CCStudio V6.0.1編譯環(huán)境下編寫系統(tǒng)的在線測(cè)距程序代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)窄脈沖產(chǎn)生，數(shù)據(jù)的處理、分析、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送等功能。系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

遠(yuǎn)程主控室計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)界面采用VB軟件編寫，對(duì)發(fā)來(lái)的GPRS數(shù)據(jù)進(jìn)行解包和存入數(shù)據(jù)庫(kù)，便于工作人員對(duì)電纜狀態(tài)信息進(jìn)行查看、調(diào)閱以及數(shù)據(jù)報(bào)表打印等，并對(duì)發(fā)生故障的電纜及時(shí)報(bào)警和顯示故障點(diǎn)距離。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的在線測(cè)距性能，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)電纜進(jìn)行分段挖掘?qū)嶒?yàn)。測(cè)距結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)距結(jié)果Tab.1 Consequence of location measurement

圖5 系統(tǒng)程序流程Fig.5 Systematic program flow chart

由表1可見，隨著測(cè)試距離的增加，測(cè)量距離與實(shí)際距離的偏差值均在6 m左右。將本在線測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用于10 kV某乙線路電纜監(jiān)測(cè)中，為了適應(yīng)20 km的監(jiān)測(cè)距離，系統(tǒng)的脈沖頻率設(shè)定為1 kHz，脈沖寬度設(shè)定為200 ns。2016年9月16日主控室計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)界面報(bào)警并顯示電纜發(fā)生故障，故障點(diǎn)距離為850 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)挖掘，在856.1 m處發(fā)現(xiàn)電纜故障點(diǎn)，電纜故障為本體故障，如圖6所示。由測(cè)距結(jié)果可知，系統(tǒng)的測(cè)距誤差為0.72%，同樣采用電橋法進(jìn)行測(cè)量，故障點(diǎn)距離為859 m，測(cè)距誤差為1.1%，由此可見，本系統(tǒng)測(cè)距誤差比電橋法測(cè)距誤差小，測(cè)量精度較高。

圖6 電纜故障點(diǎn)實(shí)物圖Fig.6 Cable fault point figure

5 結(jié)束語(yǔ)

文中探討了基于光纖傳感器在電力電纜故障測(cè)距中的應(yīng)用，應(yīng)用光纖的Ф-OTDR機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)距離的監(jiān)測(cè)，解決了離線測(cè)距存在的斷電測(cè)量弊端，并采用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)能夠較好的測(cè)試故障點(diǎn)距離，誤差較小，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，因而此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。