分布式光纖傳感技術助力通信線路維護智能化

趙錦輝 何濤 張成 胡莉娜 蔣燕

[摘 ? ?要]隨著電力配電系統結構復雜化、規模化以及智能化趨勢的不斷顯現，傳統電力通信線路維護工作中存在的定位不準確、維護成本高以及基礎工作量大等問題也在不斷凸顯，在很大程度上制約著電力行業的服務水平和盈利能力，因此，如何提升電力通信線路的自動化、智能化水平，成為了廣大企業領導人共同關注的問題。文章在參考前人研究成果的基礎上，結合筆者多年工作經驗，論述了將分布式光纖傳感技術應用于電力通信線路維護工作的可行性與效益性。現將相關研究結果總結于下文，以供參考。

[關鍵詞]分布式光纖傳感;通信線路;維護智能化;維護成本

[中圖分類號]TP212 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Distributed Optical Fiber Sensing Technology Helps

Intelligent Maintenance of Communication Lines

Zhao Jin-hui，He Tao，Zhang Cheng，Hu Li-na，Jiang Yan

[Abstract]With the continuous emergence of complex structure， large-scale and intelligent trend of power distribution system， the problems of inaccurate positioning， high maintenance cost and large amount of basic work in the maintenance of traditional power communication lines are also becoming increasingly prominent. To a large extent， it restricts the service level and profitability of the power industry. Therefore， how to improve the automation and intelligence level of power communication lines has become a common concern of business leaders. Based on the previous research results and the author's years of work experience， this paper introduces the feasibility and benefit of applying distributed optical fiber sensing technology to power communication line maintenance. The relevant research results are summarized below for the reference of readers.

[Keywords]distributed optical fiber sensing; communication line; intelligent maintenance; maintenance cost

分布式光纖傳感技術具有通過感知所處環境擾動情況和振動幅度實現長距離實時監測的優勢，將其應用于電力通信線路的日常維護工作中，不僅能增強線路的安全性、穩定性以及效益性，同時還可以減少運維人員的實際工作量和電力企業的運維成本。此外，隨著電力通信線路建設規模和覆蓋范圍的持續增加，傳統以人工防護為主的通信線路維護模式已表現出明顯的滯后性和片面性，

例如，當通信線路發生故障時，運維人員只能通過實地查看的方式確定故障點的位置和故障產生的原因，大幅降低了通信線路維護工作的質量和效率。即使部分線路采用了普通光纖監測系統，但也只能在線路發生故障后才會發出預警，無法實現提前感知和預防線路周邊安全隱患的監測目的。而分布式光纖傳感技術是1種在光時域反射原理上構建的傳感測量技術，可實現動態實時在線監測通信線路的運行狀態。

分布式光纖傳感器還具有抗電磁干擾能力強、監測范圍廣以及監測結果精準等優勢，可準確地測量出通信線路故障點的應力大小、溫度高低以及振動頻率強弱等數據信息，有效降低了運維人員定位故障點和排查線路安全隱患的難度。因此，對本課題進行深入的分析與研究，具有十分重要的意義。

1 分布式光纖傳感原理

光波與光介質中的粒子相互作用形成的散射現象是分布式光纖傳感技術得以實現的核心原理，根據散射時光信號強度的不同，可將散射光劃分為瑞利散射（Rayleigh scattering）、布里淵散射（Brillouin scattering）以及拉曼散射（Raman scattering）3種類型，3種散射光譜分布情況，如圖1所示。

文章介紹的分布式光纖傳感監測系統是以布里淵散射原理為基礎建立的。反射光的頻率略低于入射光的頻率，通常用υB表示兩者之間的頻率差，即為布里淵頻移，當出現背向布里淵散射現象時，可通過折射率n、聲學學速度νa以及真空波長3個參數計算出υB的數值。具體計算公式為：

兩個相反方向的波會形成1個移動的折射率光柵;反射功率越大，折射率光柵越強，有效反射率越大。當我們將探測脈沖光注入到傳感光纖后，脈沖光會在做經過的區域產生背向的布里淵散射光，并沿著光纖傳輸路線反射回光纖入射端，此時，布里淵頻移數值υB與對應位置處的光纖應變量之間的關系可進一步表示為：

式中，υB（ε）表示的是實際測量后獲得的布里淵頻率漂移量，υB（0）表示的是應變等于0時產生的布里淵頻率的漂移量，表示的是比例系數。通常情況下，當波長為1550 nm波長時，其比例系數為493 MHz/%，此時，可根據這一數值進一步計算出光纖背向布里淵散射光的頻率漂移量υB，并以此為依據確定光纖沿線的應變分布信息，最終實現分布式光纖應變傳感的目的。當前市場使用最為廣泛的布里淵散射分布式光纖傳感監測技術包含了布里淵光時域反射儀（BOTDR）、布里淵光時域分析儀（BOTDA）以及布里淵光頻域分析儀（BOFDA）3種類型，其中布里淵光時域反射儀具有只需單端注入光脈沖、不需要搜集回路光纖信息等優勢，被廣泛運用于環境復雜、監測距離跨度大的電力通信線路監測中，當前BOTDR儀器監測距離已達到幾千米到幾十千米，且應變測試精準可控制在幾米至十幾米的范圍。

2 布里淵散射的分布式光纖傳感技術的發展歷程

2.1 布里淵光時域分析儀（BOTDA）

布里淵光時域分析儀（BOTDA）是以應變與布里淵頻移之間的關系為依據構建的1種應變測量技術。其實現測量的流程大致如下：由激光器分別向光纖的兩端注入頻差和布里淵頻移相等的泵浦光，利用兩束泵浦信號強度之間的差異，進一步放大布里淵散射光的信號強度。根據布里淵散射光產生的信噪比、動態范圍等數據，明確線路產生故障的原因和具體位置，且隨著信噪比和布里淵散射光信號強度的不斷增加，系統測量的精準度也會得到相應的提高。布里淵光時域分析儀（BOTDA）的系統構造相對復雜，且需要通過雙端攝入光源、控制兩個光源頻率差等才能實現其測量功能，并不適用于電力通信線路的監測。

2.2 布里淵光頻域分析儀（BOFDA）

布里淵光頻域分析儀（BOFDA）依然是1種利用布里淵頻移原理實現遠程測量線路溫度和應力變化情況的光纖傳感測量技術，但該測量技術所使用的空間定位技術不再是傳統的光時域反射儀，而是通過測量光纖復合基帶傳輸函數實現的。這主要是由于復合基帶傳輸函數能夠顯示出注入光纖的探測光振幅與泵浦光振幅之間的關系，并計算出光纖受到沖擊后產生的響應情況，從而根據沖擊響應環節產生的數據信息計算出通信線路的應變情況和溫度值。但是，布里淵光頻域分析儀依然存在著需要使用雙光源、雙端攝入等弊端，且使用成本高昂，因此，其在電力通信線路監測系統中的應用范圍也相對較小。

2.3 布里淵光時域反射儀（BOTDR）

布里淵光時域反射儀（BOTDR）是1項在光時域反射儀基礎上延伸而來的新型測量技術，它主要是通過計算發端向光纖注入光脈沖和獲取背向布里淵散射光之間的時間差與光速之間的關系，確定光纖發生故障的空間位置，同時再根據光纖中光信號強度的衰減情況測量散射信號的強度。

隨著溫度和應變等外界因素的改變，光纖中形成的布里淵散射信號的頻移和強度等也會發生相應的變化，因此，還可以運用光時域反射儀（BOTDR）測量光纖所處環境的溫度信息和所受到的外力影響，且基于BOTDR的傳感方式只需要使用單向光源就能實現定位故障點和判斷故障點風險因素等工作目標，可幫助運維人員及時全面地掌握光纖運行狀態和運行效率，在減少運維人員工作負擔的同時，提升通信線路故障的處理質量和處理效率。

3 分布式光纖傳感技術在通信線路維護領域的應用

3.1 通信線路健康監測

覆冰監測作為智能電網監測工作的重點和難點，是決定電網自動化和智能化水平的核心因素，受架空線路距離長、所處環境惡劣以及電磁環境復雜等因素的影響，僅僅依靠傳統的監測系統和監測技術已無法實現全面、及時、準確檢測架空線路實時運行情況的目的。

為有效解決上述問題，電力企業在很多新建輸電線路中都鋪設了光纖復合相線（optical phase conductor，OPPC）和光纖復合架空地線（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW），為將光纖傳感器應用于輸電線路運行狀態監測領域提供了強有力的基礎條件。可通過將光纖溫度傳感器和光纖應變傳感器安裝于輸電線路和輸電桿塔上等方式，實現對線路和桿塔的監測。

例如，當輸電線路表面出現覆冰情況時，其所承受的應力就會隨之變大，此時，可以根據應力的變化情況計算出線路重量的增加量，并以此為依據推算出冰層的厚度，為后期維護工作的開展提供可靠的參考依據。

可通過在電纜上安裝光纖振動傳感器的方式，獲取線路在不同風力條件下產生的舞動情況，防止因舞動幅度過大導致桿塔倒塌的事故發生。

布里淵分布式光纖傳感器還可以同時監測線路的溫度和應力的變化情況，且具有傳感距離長、受電磁干擾能力強以及適用范圍廣等優勢，可有效減少線路巡檢人員的工作負擔。

3.2 通信線路運行環境監測

分布式光纖傳感技術應用于通信線路運行環境的監測，可有效實現將電力通信線路監測模式由傳統人工巡檢模式轉化為技術監測模式的目的，提升通信線路的運行質量和運行效率，為廣大用電客戶提供更加安全穩定的電力能源。此外，將分布式光纖傳感技術應用于通信線路維護，還能從根本上提升線路維護工作的智能化水平，使預防、維修以及養護等工作從傳統的人工模式轉化為自動化、智能化的傳感監控模式，大幅提升了線路維護工作的實效性和準確性。

例如，可通過對比通信線路各區域應力變化情況的方式，判斷線路經過區域是否出現緊固件松動、漂浮物附著以及線路因地震、滑坡、泥石流等自然災害斷裂等情況，為準確查找和定位線路故障點提供真實可靠的參考依據。

電力通信線路作為1個統一的整體，一旦某個部位或某個區域出現故障，就會導致整個線路的癱瘓，如果不對其進行及時的維修與養護，勢必會增強供電企業的實際運營成本。而以分布式光纖傳感技術為基礎構建的通信線路監測系統具有兼容性強、運行成本低以及測量結果精準等優勢，可幫助通信線路運維人員準確定位故障位置和制定故障修復方案，確保通信線路長期處于一種安全穩定的環境中運行。

3.3 通信線路溫度變化情況監測

隨著用電設備的不斷革新，用戶對電力能源的安全性、便捷性以及穩定性等提出了更高的要求，通信線路在實際運行的過程中，常常會因為傳輸電流過大、電纜接頭松動、絕緣層老化等原因，引起電纜表面溫度升高、絕緣層或保護層發生陰燃等安全風險，不僅無法滿足廣大用電客戶的實際用電需求，還大幅增加了供電企業的運維成本。由于電纜在發生短路故障之前往往會產生大量的熱量，所以，如果能及時掌握線纜溫度的變化情況，就能提前發現和消除安全隱患，確保通信線路的正常運行。

傳統的電纜監測技術采用的是感溫電纜技術，很難實現準確測量電纜溫度、實時報送電纜溫度以及遠程監測電纜溫度等監測目的。而基于分布式光纖傳感技術構建的電纜溫度測量系統，不僅可以準確測量溫度異常的故障區域，還能判斷出溫度變化的速度和分析出制約電纜流量的具體原因，可實現及時發現和預防電纜故障的監測目的。

分布式光纖傳感技術構建的測溫系統還能根據溫度的變化情況判斷電纜表面的結構、電纜線芯的溫度以及電流量的變化情況等信息，使運維人員能夠快速的確定電纜的運行狀態，并及時采取調整負荷電流等方式增強電纜的安全性和穩定性。

4 結束語

在分布式光纖傳感技術日益成熟、大數據智能算法不斷完善等因素的共同作用下，通信線路監測系統的精準性、安全性、穩定性以及效益性等都得到了顯著的提升，使電力企業能夠在控制線路運維成本的同時，及時發現和處理線路中出現的故障。且該通信線路監測系統還具有監測距離長、抗電磁次干擾能力強等優勢，可滿足不同環境下通信線路的監測和維護需求，值得在今后的工作中不斷推廣和使用。通信線路運維人員，也應當樹立終身學習的意識，在今后的工作中不斷總結和積累工作經驗，積極完善自身的專業技術和業務水平，以便于可以最大限度地發揮分布式光纖傳感監測系統在電力通信線路監測中的作用和價值，為供電領域通信線路智能化水平的提升提供充足的人力資源保障。

參考文獻

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