電力光纜健康在線監測與環境參量監測技術

萬琪

（云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100）

0 前言

建設“智能電網”提出將信息技術、數據通信技術、傳感器技術、人工智能等有效地綜合運用于電力系統中。其中基于電力光纜的數據通信技術及光纖傳感技術則是“智能電網”數據傳輸的關鍵，助力電網的安全可靠與智能化運行。因此保障電力光纜的安全以及通信質量非常重要。

1 電力光纜運行現狀與不足

近年來，光纖復合架空地線及自承式電力光纜在我國電力系統通信干線傳輸網中得到了廣泛應用，是架空電力光纜的主要形式。云南地區自然條件惡劣，輸電線路以及電力光纜除了要承載自身重量的機械力作用外，運行條件不僅需要穿越高海拔、多積雪、重覆冰的地區，還會受到惡劣天氣（如大風、雷電）、外力、小動物等因素的影響，因覆冰、舞動以及雷擊等因素引起的架空輸電線及電力光纜頻繁事故，一旦出現此類情況，修復時間長，費用高昂，嚴重影響輸電線路及電力生產實時及非實時通信業務的可靠穩定傳輸，導致電力調度系統的不能正常運行。

2019年，紅河地區光纖復合架空地線（OPGW）及自承式電力光纜（ADSS）故障共計63次，故障原因有小動物破壞、外力破壞13次、施工質量等。同時還存在OPGW受雷擊或發生短路故障時，強電流會導致溫度急劇上升導致熔斷；OPGW覆冰、風吹舞動拉斷光纜纖芯等現象。電力光纜故障頻次高，嚴重影響電網調度工作的正常運行。

光纜故障排查采用傳統方法，耗費時間長，影響電力通信通道快速恢復的要求。傳統光纜故障排查現狀如圖1所示。

圖1 傳統光纜故障排查現狀

2 電力光纜健康在線監測與環境參量監測技術方案

電力通信光纜安全運行是電網正常運行的重要保障，一旦出現光纜事故，將對電網生產、調度等業務造成極大的影響。在各類光纜安全事故中，多數都因光纜沿途違章開挖、野蠻施工、雷擊、線路覆冰等外部因素影響，導致光纜發生事故。大多數危及電力通信光纜的隱患有一個漸進過程，在光纜遭受外部因素破壞的過程中如果可以通過提前發現、判斷及預警而采取措施加以處理，將可及時、有效地發現、預防或避免事故的發生與擴大，有效降低災害造成的損失。因此，對電力光纜進行安全健康在線監測，及時發現故障并發出預警尤為重要。

國內外傳統的電力光纜監測預警方案主要有人工巡檢法、稱重法，模擬導線法和圖像監測法。但人工巡檢法勞動強度大，成本高，檢測結果與實際差距很大；稱重法采用的拉力傳感器存在非線性、蠕變、零點漂移等問題；模擬導線法中的模型在實際運行時不能完全區分是由風荷載還是冰荷載導致的拉力變化，無法反應不均勻覆冰現象；圖像監測法的觀測視場有限，且惡劣天氣條件下的拍攝效果不理想，通常僅能夠作為覆冰監測的輔助手段。

光纖傳感技術通過檢測光纖中傳輸光的強度、頻率、相位、偏振等參量，能夠實現對輸電線路溫度、振動等多種基礎物理參量的在線監測。與電子式傳感器相比，光纖傳感技術具有抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、絕緣、易于遠距離遙測、便于組網、保密性好、重量輕可微型化等優點，使得光纖傳感技術有望在傳統電子傳感器使用受限的電力傳輸領域中獲得廣泛應用[1]。其中，利用OPGW和ADSS等傳輸光纜中的光纖芯作為傳感媒介的分布式光纖傳感（DOFS）技術，可以實現對光纖沿線多種參量的長距離、實時在線連續監測，實現對電力通信安全的保障。首先實現對電力光纜纖芯健康度的在線監測，包括已運行業務的纖芯和備用纖芯；監測參數包括光纖損耗，連接頭損耗，反射點/彎折點等，光纖監測長度>150km。然后試驗光纖傳感技術，實現電力光纜自身運行安全監測，包括：

1）OPGW熔斷監控：當OPGW受雷擊或發生短路故障時，強電流會導致溫度急劇上升導致熔斷，通過對線路上的溫度和傳輸光信號的SOP的分布式監測，識別事件的發生與地點；

2）OPGW及ADSS光纜覆冰、風吹舞動拉斷、外力破壞等監控，根據受應力等參量變化預警斷纜、倒塔等事故發生，保障通信與輸電安全；

3）結合人工智能機器學習，實現事件準確識別，降低預警誤報率。

通過調研及技術分析，充分利用現有通信網絡資源來進行電力光纜進行安全健康在線監測是一種行知有效的方法。在紅河電網中，光傳輸A網為華為OSN系列組成的光傳輸網絡，我們研究在華為OSN系列升級的設備上開發支持光監控信道的處理、再生等功能和特性的單板，實現對電力光纜安全健康在線監測，這一方案可行性、安全性的好，利用現有通信資源來實現該方案，可節約大量的投資。電力光纜監控場景如圖2所示。

圖2 電力光纜監控場景

3 電力光纜纖芯健康在線監測實施方案

應用瑞利散射技術，通過光時域反射儀向被測光纖發射光脈沖，檢測光纖中返回的瑞利散射及菲涅爾反射數值，時時監測補測光纖的長度及損耗等物理特性，并借助智能光纖監控管理系統對數據分析判斷，當監測纖芯發生質量變化時，可及時、精確定位纖芯質量變化的故障點，實現對運行光纜纖芯故障提前預警并及時做出處理措施的目的[2]，圖3為光纖故障監測與定位技術。

圖3 光纖故障監測與定位技術

3.1 對于已運行業務光纜纖芯質量監測

有業務運行的光纜纖芯直接影響電力生產實時及非實時通信通道、生產管理通信通道等的穩定可靠性，因此必須對已運行業務光纜纖芯進行質量健康狀態監測。為不影響光纜纖芯上業務的正常運行，對光纜纖芯監測采用非業務波長探測信號（例如1491 nm、1510 nm），耦合入已運行業務光纖，在不干擾正常電力通信前提下，實時監測該光纖的健康狀態[3]。

華為OSN系統產品中，AST4單板屬于光監控信道類單板，應用于實現對兩個方向的兩路光監控信號的收發控制。AST4單板還支持IEEE 1588v2同步時鐘處理功能，兩路FE信號的透傳以及線路光纖質量探測功能。光監控通道不限制2個光線路放大器之間的距離，線路放大器失效不影響光監控通道性能。該單板相對主控板是獨立的，即它在主控板不在位的情況下，仍然可以保證本板兩對光口的ECC通道自動穿通，確保對其它各站的監控。兩路光監控信號光口可配置1511 nm或1491 nm波長的光模塊。在華為傳輸網管上增加智能光纖監控管理系統，使用線路光纖質量探測功能，探測圖形和數據在網管界面上顯示。綜合上述功能，在OSN系列升級后的傳輸設備上配置AST4單板，即可實現對已運行業務光纜纖芯質量監測[4]。AST4單板的應用如圖4所示。

圖4 AST4單板的應用

3.2 對于備用光纜纖芯的質量監測

與已運行業務光纜纖芯質量監測同理，使用華為OSN系統產品AST4單板多接口光開關分時探測各備用光纖質量。

4 電力光纜環境參量及運行安全監測

輸電線路以及電力光纜除了要承載自身重量的機械力作用外，運行條件惡劣，不僅需要穿越高海拔、多積雪、重覆冰的地區，還會受到惡劣天氣如大風、雷暴 等環境因素的影響，因覆冰、舞動以及雷擊等因素引起的輸電架空線路跳閘或通信中斷事故頻頻發生，影響了電力系統的安全穩定運行。電力光纜環境參量及運行安全監測能夠在災害發生的早期及時發現并進行干預，可以有效降低災害造成的損失。

利用分布式光纖傳感原理，把光纖作為分布式的傳感器，可通過光纜狀態檢測設備上的分光器切換多根監測光纖，采集光纖內傳輸的光信號光學基礎參量（波長、頻率、強度、偏振態、相位等），監測光纜沿線溫度、振動等物理量，建立光學參量與架空光纜線路溫度、風致振動、雷電、覆冰狀態之間的關系（如圖5所示），根據多維特征數據模型和特征參數的采集提取算法，建立光纜溫度、振動等因素的實時多維特征數據集。實現整條光纜安全狀態監測和智能判斷，及時發現可能影響光纜安全運行的隱患問題[1]。

圖5 覆冰雷擊監測方案示意

主要監測因素包括：

1）溫度監測：監測架空光纜沿線的環境溫度，建立架空光纜沿線完整的溫度分布曲線；對于OPGW光纖復合架空地線可實時監測電纜本體溫度。

2）振動監測：通過監測OPGW光纖復合架空地線的雙折射變化，實現長距離、實時的振動監測。

3）根據采集到的溫度、振動等物理量，結合架空光纜溫度/振動等多維特征數據模型和特征參數的采集提取算法，建立光纜溫度、振動等因素的實時多維特征數據集，通過基于機器學習的模式識別技術，結合架空光纜線路所處環境、微地形數據，對有可能影響架空光纜性能的常見異常事件進行分析判斷，并自動定位異常事件發生的具體地圖位置或區域。

4）架空電纜環境溫度分析：根據架空光纜沿線環境溫度分布曲線，分析判斷光纜沿線溫度升降變化。根據各個點位溫度發展變化趨勢，自動定位發生溫度異常的位置或區域，分析判斷引起溫度變化的外界事件。

5）盜竊與外力傷害事件分析與識別：通過監測OPGW光纖復合架空地線的振動、應變情況，實現對外界入侵的監測，并且能快速定位事件發生位置。通過分析架空光纖偏振態變化，能有效識別盜竊、破壞行為，并有效解決非接觸式監測技術及其帶來的誤報警現象。

6）風擺分析：根據采集到的光纜溫度和振動分布曲線，針對架空光纜線路所處環境、微地形數據，自動定位風擺劇烈的位置或區域，判斷架空光纜隨風力擺動幅度的發展趨勢和嚴重程度。

7）異常振動事件分析與識別：根據架空光纜振動分布曲線，提取在實際環境中不同類型人為破壞激勵情況下的輸電線路振動特征，建立振動數據模型庫，自動定位發生異常振動的位置或區域，分析判斷該區域異常振動的成因。

8）雷擊與閃絡故障事件分析與識別：根據架空線路溫度場變化，提取在實際環境中不同類型雷擊和閃絡故障情況下的輸電線路的相關特征，基于監測數據、氣象數據、線路走向、微地形等信息，繪制架空輸電線路落雷分布圖，構建每個檔距的雷害和閃絡故障預測模型，自動定位每個檔距雷擊位置，為雷擊后光纜性能測試提供參考。

9）覆冰情況分析與識別：針對在冬季寒潮時容易發生架空光纜覆冰的地區，結合架空光纜局部溫度發展趨勢和振動的變化，建立整條架空光纜每個檔距覆冰分布，自動定位出現覆冰現象的位置或區域，分析判斷覆冰現象的發展趨勢和嚴重程度，為覆冰巡線提供參考。

5 結束語

通過對電力光纜纖芯健康在線監測、電力光纜環境參量、安全運行監測，極大地提高電力通信光纜的運維工作效率，減輕運維工作負擔，節約管理成本。同時將有效地提升通信光纜及輸電線路沿途的環境變化的監測與預警，大幅提高通信和輸電部門對各類環境變化的預警和處置能力，提升現場指導與處置的綜合能力，保障電力通信網的安全運行，全面提升電力光纜在環境變化應對方面的安全管理工作水平。