一種分布式光纖傳感去噪方法及其在智能電網中的應用

張曦壬

【摘 要】在智能電網發展中，利用傳統的傳感器已無法完成智能實時在線分析監測等功能，光纖傳感以其連續分布式測量、抗電磁干擾、本征防雷、測量距離遠、測量精度高、壽命長，成本低，系統簡單等特點，得到廣泛應用。分布式光纖測溫系統采集的信號含大量的噪聲，為了提高信噪比與溫度分辨率，采用小波去噪方法，在確保空間分辨率的前提下提高了溫度分辨率；并分析了在智能電網中的應用場景。

【關鍵詞】分布式光纖溫度傳感器；小波去噪；溫度測量；智能電網

1 應用背景

隨著我國智能電網發展，明確要求將將目前電網的“故障報警”機制提升至“故障預測”機制。電網中電纜、高壓開關柜、電纜頭等易出故障處的工作溫度是非常重要的電力系統運行參數，直接關系到系統是否可以長期安全、可靠運行。為確定系統最佳的和最安全的載流能力，須對電力系統及其環境進行實時精確的溫度監測。

傳統的測溫法通常采用貼溫度標簽法、測直阻法、紅外溫度測量等。以上送些方式總有這樣那樣的問題，不能滿足現場需求：1.現場施工困難，作業步驟復雜；2.不能實現多點實時監測和報警；3.無法滿足現場高絕緣要求和高電磁干擾環境。將點式感溫裝置如熱電偶裝在電網重點檢測的部位， 只能對局部位置進行監測， 無法對整條線路進行監控。分布式光纖測溫技術只需隨電網監測區域敷設的一根光纖就可提供整個區域的運行溫度， 具有連續分布式測量、抗電磁干擾、本征防雷、測量距離遠、測量精度高、壽命長，成本低，系統簡單等特點；滿足智能電網發展需求，在發、輸、變、配、用等電網的各個環節中都有著廣闊的應用前景。

2 分布式光纖傳感原理及噪聲分析

分布式光纖測溫原理[1]如圖1所示，它是基于光時域反射原理（OTDR）與拉曼散射原理。當一束高能脈沖光射入光纖時，隨著脈沖光的前向傳輸會產生后向散射現象；其中后向散射光中的拉曼光（斯托克斯光和反斯托克斯光）與溫度相關，當光纖上某一部分溫度升高時，這部分后向散射的拉曼光強會升高，當溫度降低時，拉曼散射光強會降低；利用這一原理就會推知光纖受到的溫度變化。OTDR原理為：發射光脈沖時開始計時，當采集器收到光脈沖時停止計時，由時間差乘以光在光纖中傳播的速度就可以對光纖上某一點進行定位。這樣基于OTDR原理與拉曼散射原理，理論上就可以對光纖上任意一點的溫度變化進行測量和定位。

由于分布式光纖測溫拉曼散射原理來對溫度進行量測，光在光纖中傳輸及后向散射都會引入大量的噪聲；另外，在放大器、探測器以及數據采集過程中也會引入隨機噪聲、散粒噪聲等，使得有用信號（拉曼信號）被完全淹沒在噪聲中。噪聲有信號信噪比低、噪聲類型中白噪聲占主要優勢、背向散射的信號強度隨著距離增加而減弱等特點，如圖2所示，使得信號提取非常困難。因此，必須對微弱信號進行去噪處理，提高系統的信噪比。

3 小波去噪

分布式光纖測溫系統信號去噪技術為線性累加平均去噪技術。通過對微弱光信號（包括反斯托克斯信號和斯托克斯信號）進行多次測量并累加平均處理，消除噪聲，獲得去噪后的微弱光信號，從而提高系統的信噪比[2]。這是一種批量算法，采集完n個數據后，再由計算機計算其平均值。這種算法的缺點是計算量較大，實時性差；另一方面，累加平均雖簡便易行但只能去除白噪聲，對于其它類型的噪聲不能有效去除，使得溫度分辨率難以提高。因此為了提高分布式光纖溫度傳感器系統的溫度分辨率，必須在累加平均的基礎上采用新的去噪原理或技術對系統信號進行去噪。

在許多應用中，我們借助于基函數研究信號的分解，例如，使用傅里葉將穩定的信號分解為傅里葉級基。對于非穩定信號（即頻率特性是時變的信號），傅里葉基就不適合了，它不適用于時間局部化。另外，改進的短時傅里葉變換雖然實現了信號在時-頻域內局部的聯合分析，但其時間-頻率窗的寬度是固定不變的；因此，短時傅里葉變換不適應于許多復雜的信號分析與處理。小波變換核心函數是小波函數，他在時域與頻域方面都是局部化的，而且在時域與頻域上都有較好的分辨率，被譽為“數學顯微鏡”；所以，小波變換可對信號同時在時-頻域內進行聯合分析，達到去噪、平穩信號的目的。

3.1 小波分析[2，3]

許多實際問題關心的是信號在局部范圍內的特征。時-頻分析是描述時變非平穩隨機信號的常用方法，它將一維時域或頻域信號映射到一個二維的時-頻平面，全面反映被測信號的時-頻特性；對信號同時在時間和頻率域內進行聯合分析。含有噪聲的信號可表示為：s（t）=f（t）+？滓*e（t） t=0，1，…，n_1

其中，s（t）為采集到的信號，f（t）為有用信號，e（t）為噪聲，為噪聲標準偏差。

有用信號包含在低頻部分；而噪聲信號通常包含在高頻部分。由于正交小波變換只對信號的低頻部分做進一步分解，而對高頻部分也即信號的細節部分不再繼續分解，所以小波變換能夠很好地表征一大類以低頻信息為主要成分的信號。采集到的信號進行小波分解，有用信號在低頻部分，數目少、幅值大；噪聲信號主要集中在高頻部分，幅值小、數目較多。針對此特點，可以應用模極大極小值方法或者閾值值法對小波系數進行處理，達到去噪的目的。小波分解如圖3所示。

3.2 小波去噪過程[4]

由分布式光纖測溫系統的噪聲分析可知，系統采集到的有用信息主要集中在低頻部分，噪聲信號多包含在高頻細節中。

小波去噪是小波分析在信號處理方面的具體應用。首先對信號進行了小波分解，用閾值進行小波分解系數的量化處理，然后對小波信號再進行重構，即可達到信號去噪的目的。對含有噪聲的信號進行小波去噪處理主要分為六個步驟：

（1）選擇合適的小波，根據分布式光纖測溫系統的噪聲分析特性，我們選用db4小波；

（2）確定小波分解的層次，根據實際信號的特點，選用3層分解；

（3）邊界延拓，對采樣數據數據是有限的，進行延拓處理；endprint

（4）利用相關算法進行小波分解；

（5）對小波系數根據閾值函數做閾值量化處理，采用軟閾值方法對小波分解的高頻系數進行去噪處理；

（6）利用相關算法進行小波重構，獲得去噪后的信。

4 應用場景

4.1 電力電纜的溫度監測

隨著城市建設發展的需要，架空線路入地成為發展趨勢。電纜隧道潮濕、陰暗、易浸水、含有毒有害氣體；這些情況造成巡檢困難，電力電纜也會由于長期運行而絕緣老化，造成局部升溫引發火災及其他事故。因此，有必要對隧道內電力電纜進行全面連續實時的溫度監測，為安全運行提供技術保障。通過把測溫光纜捆扎到需要監測的電纜上來獲取沿電纜分布的溫度場的分布，及時掌握線路的運行狀態，結合環境溫度分析，有效監測電纜在不同負載下的溫度變化，提高對電纜的管理水平[5]。另外，利用測得的電纜表面溫度計算出纜芯溫度，通過載流量評估模型計算出允許通過的最大載穩態流量以及未來一段時間的動態載流量；幫助調度人員在未來的負荷分配中做出合理的選擇。

4.2 變電站的溫度監測

變電站中許多高壓電力設備（如電纜接頭、母排、變壓器等），當他們運行期間使用時間過長、流量過載、發生絕緣老化或者接觸不良時，某些部位會產生熱量聚集，如果不及時處理可能造成設備起火、燒毀引發重大事故。分布式光纖測溫系統電絕緣、本征安全、不受電磁干擾等特性，可以以接觸的方式直接安裝到被測點上，通過監測被測部位的溫度異常來預測可能發生的故障，并發出預警，防止電氣火災的發生。

4.3 高壓配電裝置的溫度監測[6]

高壓開關柜是配電部分重要的電力設備，在前期施工安裝或者后期投運的過程中易在避雷器、母線、動靜觸頭、電纜搭接處等地方出現故障，從而對配網的可靠運行帶來了隱患。隨著無人值守增多以及集約化、智能化管理水平的提高，需要對高壓開關柜及其他高壓設備的運行狀況進行溫度的實時在線監測并將數據遠程上傳，便于事故隱患及早發現、及時處理，保證高壓設備的安全運行。分布式光纖測溫系統可以將光纖敷設到易出故障點，靈敏的探測被測點的溫度細微變化，根據差溫、定溫以及溫升速率變化等報警策略及時準確的發出預警，有效的避免發生事故或引起火災。

5 結語

分布式光纖測溫技術是近年來剛興起，具有抗電磁干擾、防雷擊、耐高溫和耐腐蝕等特點； 特別適合對電網中易發生故障部位進行溫度實時監測；光纖測溫無疑是電力系統未來溫度監測發展的一個趨勢。光纖測溫技術可以提高分布式光纖傳感在輸電線路和設備狀態的監測方面的廣泛應用，大幅度增強電網感知的深度和廣度，提升電網交互性、自動化、信息化，為智能電網態勢感知提供全面泛在支撐。

【參考文獻】

[1]王劍鋒，張在宣，等.分布式光纖溫度傳感器新測溫原理的研究.中國計量學院學報[J].2006，Vol.17No：125-28.

[2]李鄧化，龐美颯，李雪菲.數字濾波在光纖陀螺信號處理中的應用.北京信息科技大學學報（自然科學版）[J].2011年04期.

[3]羅向陽，劉粉林，王道順.基于小波包分解的圖像信息隱寫盲檢測.通信學報[J].Jouraalon V01.29 No.10 october 2008，173-182.

[4]于緊昌，胡傳龍.基于小波去噪的分布式光纖溫度傳感器信號處理研究.科技創新與應用[J].2015年17期26-28.

[5]鄭維國.隆安選煤廠電氣火災自動報警監控系統分析.陜西煤炭[J].2015年第5期，49-52.

[6]袁志金.分布式光纖測溫過熱預警技術在煤礦供電中的應用.煤礦機械[J].2015（6）：372-372.endprint