電力光纜網分布式綜合量測統一平臺開發研究

(1.南方電網調峰調頻發電有限公司，廣州 510630; 2.南京南瑞信息通信科技有限公司，南京 210003)

0 引言

電力光纜網的監測參量主要有光功率監測、溫度監測，應力監測等，對各類型參量的量測通常由各個單一功能的儀器或設備單獨進行。對多參量同時在線量測、智能化手段方面自動化水平較低，而影響電力光纜網絡的各種因素通常不是孤立存在[1]。電力光纜網軟件監測平臺通常是針對單一功能的進行開發，無法做到對溫度、應力、舞動、振動、線路故障等狀態參量的綜合感知和分析，無法滿足電力系統對多種狀態參量感知的需求。多參量傳感設備監測，可使量測的范圍擴展至整個光通信網絡，能有效地降低運行成本。采用多種傳感器來增加監測參量，電力光纜網的監測成本會急劇上升，進而從根本上阻礙光纖傳感器在電力行業中的推廣應用[2-3]。為了有效支撐復雜環境下的通信保障、重大活動保障，在電力光纜網的多參量監測、超長距離監測、量測控制、配網監測、故障診斷分析等方面都提出了很多新需求。同時隨著“大云物移智”等信通新技術的不斷發展，物聯網產業快速增長，多參量光纖傳感技術實時感知整個光路運行狀態，同時的反應了對應的輸電線路的運行狀態。因此，集成多種參量監測功能設備對光纜進行量測很有必要。目前，對光纜的監測是通過對光纜內某一根光纖或是幾根光纖的監測來實現整個條光纜的間接監測。根據被監測光纖的使用狀態可以分為：在線監測、備纖監測、離線監測、混合監測四種監測方式。目前電力光纜網的監測主要采用光時域反射儀，對光纖通信線路進行有效的故障識別和定位，但是，測量參量單一難以滿足多參量和廣域量測的需求。因此，從電力光纜網狀態監測的實際需求出發研究多參量分布式光纖傳感機理和量測控制技術，融合分布式光纖瑞利散射傳感、布里淵散射傳感和拉曼散射傳感、光纖光柵傳感技術等，整合光纖傳感器的硬件結構，在通用架構的基礎上兼容或擴充特征功能模塊實現多參量傳感和量測控制，并拓展其智能巡線量測功能，從而實現一臺傳感設備覆蓋一個變電站內幾乎所有光纜線路的監測能力，降低系統部署復雜度。為電力光纜網監測提供可廣域監測的、高可靠性、低成本且具有市場推廣價值的監測設備，具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 分布式電力光纜網監測

光纜網監測的主要目的是保證通信網絡的可靠運行，對現有問題及時發現，潛在的光纜故障提前預警，對故障點進行精確定位，為光纜網運維人員提供依據。而電力光纜由于本身結構的特殊性，通常是隨電力系統輸電線路走廊直接敷設，因此也間接反應了輸電線路的狀態，包括振動、溫度、應力等，因此，與傳統的運營商光纜監測要求比較，電力光纜量測的參數要求更多，環境更復雜。電力光纖傳感分為點式傳感技術和分布式傳感技術,點式傳感無法實現寬范圍無盲區監測，分布式光纖傳感技術，利用光纖本身可兼做傳感器，監測可以做到沿整條光纖無盲區覆蓋，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，依托電力系統自身的線路走廊，無需另開溝道或專門架設，不受電磁干擾，而且光纖資源豐富，具有重要的工程應用價值[4]。

電力光纜中，傳輸網中的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的避雷線，又是傳輸信息的電力通信線。無需要單獨立桿塔、不占線路走廊，節約了投資，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、同時使用壽命長。但是OPGW再野外，跨距長、地理條件復雜，在極端天氣下，沿途地形地貌、氣象條件、環境因素對線路影響大。外界因素所可能會引起的長時間光纜振動、覆冰、舞動等現象，最終導致光纜線路故障。2008年冰災，由于線路覆冰，當線路拉伸的應力超過耐張塔的承受范圍，導致耐張塔倒塌，引起輸電線路故障，因此對電力光纜網的分布式監測，同時也是間接反映了輸電線路監測狀態。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故障的重要因素，分布式光纖傳感，可對輸電線路實現全范圍無盲點監控。在電力系統中，分布式光纖傳感對在不同的場景中，監測的參量需求重點不同，因此，需要一種綜合量測統一平臺，實現對光纜線路的全面監測。分布式光纜傳感原理如圖1所示。

圖1 分布式電力光纖多參量綜合量測

2 電力光纜網多參量量測設計

對于工程中實際應用的分布式光纖傳感技術，按照其傳感原理有：瑞利光時域散射、瑞利光頻域散射、拉曼散射、自發布里淵散射、受激布里淵散射、Michelson干涉、M-Z干涉、Sagnac干涉。基于光散射效應的分布式光纖傳感技術，在電力行業，普遍應用的有：OTDR，主要用于電網通訊光纜的損傷點檢測；ROTDR，主要用于輸電線路的溫度監測，進而拓展到輸電線路基于溫度的火災和動態載流量監測技術；BOTDR和BOTDA，主要應用于輸電線路的溫度和應變監測，該技術在輸電線路的弧垂、溫度、應變變形同時監測方面具有很高的應用價值。對于瑞利光時域散射、瑞利光頻域散射、拉曼散射、自發布里淵散射、受激布里淵散射五種光散射型分布式光纖傳感技術，充分利用了光纖一維空間連續分布監測的特點，獲得時間和線性空間上的二維信息分布，對大型基礎工程設施及設備表面的典型部位進行感知、遠程監測，不需構成回路或雙路，工程現場應用方便。本系統設計目的是以綜合多種量測的功能設備上，實現數據統一量測，數據的統一處理，工程上可以實現統一部署，從而降低整個系統的開發工作量和工程安裝成本。

2.1 光衰量測

光時域反射技術利用向光纖中發送光脈沖，同時在同步時鐘的控制下通過測量探測光脈沖的背向瑞利散射信號功率的變化從而判斷光纖沿線的事件如彎曲、熔接點、連接頭、斷裂處等。本方案在電力系統中應用最多的一種監測方案，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用。其原理是利用同步時鐘記錄探測光信號在光纖中的往返時間，由于每個時間點對應光脈沖在光纖中傳播的位置，從而實現對光纖沿線故障點的識別和定位。光時域反射儀的測量過程如圖2所示。

圖2 光時域反射儀光衰監測方案

2.2 溫度和應力量測

布里淵散射是指光源發出的光波與介質內的彈性聲波發生相互作用而產生的光散射現象[5]。光纖溫度量測是近年利用布里淵散射原理發展起來的長距離分布式光纖傳感技術，主要實現對溫度和應變進行量測，對應的監測設備可分為環路測量的布里淵光時域分析儀BOTDA以及單端測量的布里淵光時域反射計BOTDR。BOTDR進行量測時，采用單端輸入探測光方法，利用探測光在傳輸過程中的布里淵散射來感知各位置的溫度變化，其優點是施工方便，只需單端施工，但隨著距離增長，返回的布里淵光強度會變弱，信號檢測難度大。而BOTDA進行量測時候，需要使用兩根纖芯，使光纖形成回路，優點是精度更高，需要對端連接，形成回路。布里淵原理實現的光纖溫度量測是通常采用單模光纖，實現長距離分布式溫度和應變監測，測量精度、空間分辨率等指標更優，可以實現全程±1℃、1 m的測溫性能。基于布里淵散射效應的分布式光纖傳感系統原理如圖3所示。

圖3 基于布里淵散射效應的分布式光纖傳感器方案

另一種常用的分布式光纖測溫技術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，其原理是基于光纖拉曼散射。利用光纖的拉曼散射對溫度有敏感特點實現溫度監測。在脈沖光在光纖中傳輸時，散射信號是連續，利用OTDR計算散射點位置，從而得到光纖沿線的溫度分布[6-7]。

2.3 振動量測

光纜分布式振動量測常用的是基于相位敏感OTDR技術的原理?當由聲音或物體振動產生的壓力施加于傳感光纜時，將會同時引起光纖的振動，由于介質中應力波的存在可改變介質的介電常數或光折射率，影響光在介質中的傳播，導致傳感光纖振動處的光纖折射率發生變化，因而引起傳感光纜中傳輸光的相位改變[8-9]。將光纖作為相位調制元件,根據光學原理，由于外界的振動同時引起光纖振動，光纖中散射光的相位將會發生變化，通過監測光纖返回的瑞利散射信號的變化，對同一監測點上的不同時刻的返回信號特征值進行分析監測，實現整段光纜振動信息進行實時監測，再通過OTDR技術,將對應的各采樣點返回的時間來換算成距離，實現振動位置的準確定位，也可通過測量注入的脈沖與接收信號之間的時間延遲計算振動位置[11-12]。

2.4 多參量量測平臺開發關鍵技術

依照系統實際需求，系統中集成三種測試模塊，OTDR模塊量測光衰，BOTDR測試模塊量測應力和溫度，Φ-OTDR測試模塊量測振動，集成該三種量測模塊的一體化設備，可以實現對電力光纜線路的主要參數的全覆蓋監測，從而實現光纜線路的全方位感知，將量測結果進行歸一化處理，存入數據庫中，方便后期的調用分析。該量測平臺同時可以接入其它類型的量測系統的總體結構如圖4所示。

圖4 多參量量測平臺系統總體架構

本系統中，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傳感器單元，實現光纖線路的分步式量測，其它傳感單元將采用外置式，通過網絡接入綜合處理中心，綜合監測設備實現分布式光纖傳感，數據經過簡單的處理實現歸一化后，傳輸到數據處理中心，并實現數據的存檔，多參量綜合監測平臺軟件主要實現數據的集中展示，并實現策略定制，GIS展示等[13-14]。

2.5 工程施工方案

在硬件設計上面，主要是實現現有的傳感設備集成，通過光開關實現不同參量的量測功能和被測線路切換，通過處理平臺軟件實現輪詢測試、手工測試、事件觸發測試等， OTDR光衰量測設置輪詢測試的周期為12小時，對與參考曲線進行后臺對比，當數據出現奇異點，對該數據存儲。BOTDR模塊實現溫度和應力監測，溫度和應力監測相對變化較慢，可以在線路空閑時候切換到BOTDR模塊，實現溫度監測。振動監測通常發生時間比較短，在電力系統中，通常出現電力認為破壞的主要因素為城市施工，因此,對振動監測主要集中在白天。該結構設計可以在一根纖芯上實現多種功能量測。方案如圖5所示。

圖5 多參量監測工程實施方案示意圖

該方案兼顧到了多個參量監測的靈活切換，同時又兼顧到了監測線路覆蓋，通過兩級獨立的光開關級聯，每個光開關獨立控制，能夠很好完成監測任務。接觸結果在后臺做統一的歸一化處理，后后臺應用系統分析使用[15-16]。

2.6 軟件開發

系統軟件開發基于主流的BS架構，主要分為后臺服務部分、數據庫、瀏覽器。后臺服務包含3個模塊：通信服務模塊、應用服務模塊、GIS服務模塊，實現系統測試的總體調度與設備控制，接收外部告警，數據監測結果的采集比對，策略和監測規則定義、業務處理，數據解析等，同時在后臺服務部分實現標準的GIS集成、對外提供標準的WMS服務，實現光學量測結果和空間精確定位的計算等。數據庫包括業務數據庫和基礎地圖數據的存儲，業務數據庫存儲測試路由光路相關信息，量測結果，測試參數等。基地地圖數據庫實現空間數據的儲存以及空間計算。各模塊的功能如圖6所示。

圖6 系統軟件架構圖

在功能獨立的軟件開發平臺，每個量測系統要求的功能不一樣，都有各自的系統的數據格式，處理比較單一容易。但是在多參量傳感中，需要對多種量測結果數據進行處理，一體化平臺主要目的是實現多個量測參量的數據統一處理，因此需提取各類型監測平臺數據結果的共性，將多個監測平臺的監測結果在一個統一的平臺處理展示[17]。首先對數據進行一致化處理，將結果序列化為統一的格式，兼容第三方軟件。該多平臺系統中，系統光功率和時間軸(對應的距離)二維數據，反射信號和長度的對應，最終結果是通過曲線以及對曲線的分析為主，為保證不同參量平臺的監測結果文件格式兼容，又能結合電力系統特色的業務特點。文件結構設計如下：數據目錄塊存儲整個文件的模塊信息，包括每個塊的大小，標識；通用信息塊標識存儲設備信息，用于記錄本次量測使用的設備模塊，以及對應的廠家信息；量測參數塊記錄本次量測使用的量測參數；事件塊記錄本次量測后分析的事件列表或對應的事件位置；由于本系統實現對光路的連續監測，因此連接模塊記錄對應的光路上對應的物理連接點；數據點將采用16進制存儲，節約存儲空間；測試類型記錄本次量測方法對應的傳感類型等；業務參數記錄當前測試的光纜上當前所承載的業務類型，等級等。本系統中使用的文件格式設計如表1所示。

通過表1的統一格式文件，根據監測結果，后臺自動確定數據是否存儲到數據庫中，并在后臺解析完成后，瀏覽器端展示效果如圖7所示。

3 統一量測平臺應用分析

統一量測平臺與傳統的監測平臺相比，采用全新的BS框架，通過權限配置，實現不同用戶的對數據的分級數據瀏覽，保證了用戶數據和系統安全。本平臺對物理資源和邏輯資源數據進行了統一的管理，通過 監控，測試路由，光纜資源三個不同的資源樹從不同的管理角度實現對資源分類分層，所有的基礎數據統一管理維護。光纜資源實現物理資源如機房、光纜段、交接箱、電力人井、桿塔等基礎的錄入，測試路由實現邏輯資源如路由拓撲的建立，監控實現節點上監測設備的錄入。因此，該系統的設計，即減少了系統的基礎數據的重復錄入，又為其它的監控系統提供擴展接口，具有良好的擴展性[18]。

表1 監測結果數據模型

圖7 統一監測平臺系統主界面

4 結語

結合電力光纜網絡監測參量的特殊要求，分析并總結了電力光纜網監測系統的各種監測的主要原理，以及各種監測的不同應用場景，為便于施工方便，降低施工成本，設計了一套可行的多參量監測設備并實現對電力光纜的主要參量全方位監測，在數據處理部分，采用歸一化數據處理方式，實現對監測結果的統一存儲和解析，最后通過后臺處理和分析軟件實現數據分析和結果的關聯展示。本平臺的開發思路可以為類似的監測平臺開發提供思路。