基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统

邓纪伦 翁志辉 金智群



基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统

邓纪伦1翁志辉2金智群2

（1.广东省东莞供电局长安供电分局 2.广州劲联智能科技有限公司）

为实时监测电缆隧道内电缆、设备等资产安全，确保电网可靠运行，提出一种基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统。根据电缆隧道的现场环境特殊性，设计并优化事件识别算法以及布线方式，建立基于Web平台的管理系统，提出基于地理信息系统的标定方法。该系统在南方电网某区进行了工程试点，取得良好的效果。

分布式光纤传感；电缆隧道；事件识别算法

0　引言

随着城市高压线缆从空中向地下铺设工程的实施，目前城市输电线路基本采用地下隧道的形式运输电力。对城市输电网络进行安全健康监测、及时发现故障、确保社会的正常运行越来越重要。但是电缆隧道现场环境十分恶劣，常规安防报警设备完全无法应用。现场环境状况：1) 地下电缆沟长时间使用后，容易积水、积淤泥，常规电子设备无法在如此恶劣的环境内长期工作；2) 电缆隧道内无220 VAC供电电源，常规电子设备无法供电，且由于地下电缆沟内环境恶劣，长距离220 VAC供电也容易引起漏电危险。

为解决电缆沟内输电电缆防盗预警的问题，有厂家提出利用低压脉冲反射[1]原理的思路，并推出相应产品。其基本原理是首先把输电电缆的接地屏蔽层对地电压抬高，然后向输电电缆屏蔽层注入低压脉冲。当该脉冲沿输电电缆屏蔽层传播到阻抗不匹配点，如短路点、故障点、中间接头等位置即产生反向脉冲，该反向脉冲回送到测量点被仪器记录下来。通过计算发生脉冲与反射脉冲的时间差和脉冲在屏蔽层的波速度，即可计算阻抗不匹配点。但这种产品存在2个问题：1) 把输电电缆的接地屏蔽层对地电压抬高，会给输电电缆的正常运行带来新的不安全、不稳定因素，给电网运行带来新的安全隐患；2) 电缆沟内输电电缆众多，每条输电电缆的屏蔽层都要抬升对地电压，改造工作量繁重，人力物力投入巨大。为此，本文提出基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统，利用分布式光纤入侵传感系统，可有效解决以上问题。

1　系统结构

基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统结构图如图1所示，光纤传感主机采用基于偏振光时域反射（polarization optical time-domain reflectometer，POTDR）[2-6]原理的传感系统，光纤传感主机通过互联网与安全状态发布服务器相连，用户可使用个人电脑、智能手机等终端设备通过互联网与服务器连接，进而获取电缆隧道的安全状态。当隧道内电缆受到外力破坏（如盗窃、施工等行为）时，运维人员可第一时间获取破坏点地理位置信息，赶赴现场进行处理。

图1　基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统结构图

光纤传感主机放置在电缆隧道的始发点或者中继点（一般为变电房）内。变电房内提供200 VAC市政供电，配备互联网连接接口。传感光缆沿电缆隧道进行铺设。光缆自身具有防腐蚀、防电磁干扰等优点，可适应电缆隧道恶劣的环境。由于光缆作为传感单元，传感现场无需供电，所以不存在传感设备现场供电难的问题。光缆沿被保护的电缆铺设，未对电网任何设备进行改造，对电网的安全未引入新的不确定因素。

2　布线方式

全分布式光纤传感技术[7-9]，因不需要传感器（只需要采用光纤）即可测量沿光纤路径的时间和空间连续分布信息，克服了点式传感器（如光纤光栅传感器）难以全方位连续监测被测场的缺陷，并具有损耗低、耐腐蚀、易安装铺设、抗电磁干扰、信号数据可多路传输等传统安防产品不具备的优点，从而成为目前安防领域最理想的大型设施无损检测技术。但实际电缆隧道中线缆繁杂，环境复杂，不良的布线方式严重影响光纤传感系统的应用效果和稳定性。本文根据实际工程对传感光缆布线方式进行了优化。根据现场环境并经过多次试验，提了S形的传感光缆敷设方法。一根光缆根据电缆隧道的整体走向，按照S形与多根电缆捆绑，如图2所示。该敷设方法的优点有：1) 一根光缆覆盖多条电缆，节约光缆用量；2) 当存在偷盗行为时，由于S形光缆的非绷直状态，会造成光缆的形变量较大，有利于光纤传感的信号检测。

图2　传感光缆敷设方法示意图

3　算法原理

一种基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统采用基于POTDR的分布式光纤传感系统，系统结构图如图3所示。

图3　基于POTDR的分布式光纤传感系统结构图

脉冲光源发射监测脉冲进入传感光纤，光电探测器探测传感光纤瑞利散射光经过检偏之后的强度信息，此强度信息为沿着光纤分布的强度信息。当传感光纤未受任何外界扰动时，随时间的变化表现为缓变的过程，图4为未扰动时相邻2个脉冲周期的POTDR曲线。当传感光纤受到外界扰动并引起光纤的位移时，随时间的变化表现为快速的变化过程，图5为当1350 m处受到扰动时，相邻2个脉冲周期去噪后的POTDR曲线。由图5可知，在1400 m左右位置，开始出现较大的差异（图中圆圈所示区域）。但是由于光电探测器的热噪声、外界环境干扰等因素影响，从图5中2条曲线差值看，很难直接准确判断扰动位置为1350 m处。为此本文提出改进的判断算法。

注：T1、T2为2个相邻周期的数据；|T1-T2|为2组数据差的绝对值

图5 在1350 m处扰动时，相邻周期的POTDR曲线及其差值图

虽然有时2组数据的算术平均数、标准差和偏态系数都相同，但它们分布曲线顶端的高耸程度却不同。峰度系数可描述这种数组之间的差异，它反映了频数分布曲线顶端尖峭或扁平程度。统计学用四阶中心矩来测定峰度。当有信号差异的2组数据进行比较时，由于数据处于不同的分布状态，其峰度系数必定存在较大差异，可利用四阶中心矩来区分有无信号差异。

本文设计的数据处理算法，首先对相邻2个周期去噪后的POTDR曲线作差处理，得到2条曲线的差异；然后对进行分组处理，设数组为的前100个数据点；数组为的第2至第101共计100个数据点；数组为的第3至第102共计100个数据点；以此类推；最后分别求出数组1，2，… ，Y-n+1的四阶中心距：

按照上述数据处理算法对图5中的数据进行处理，结果如图6所示。

从图6可以看出，设定强度阈值为1011时，超过强度阈值的位置在1365 m处。这个结果和实际扰动位置（1350 m）存在一定的误差。产生误差的原因有：1) 由于实验中POTDR的脉冲宽度为1μs，对应的空间分辨率为100 m；2) 由于整个系统存在环境噪声、光电探测器热噪声等各种噪声，所以强度阈值不能设置太低，以免引起误报警。

然而实际工程中由于现场环境复杂，仅靠阈值判定报警误报率较高。如降雨或者老鼠等小动物扰动光纤可能会引起信号超过阈值。为此本文设计了振铃算法。设振铃宽度和振铃次数阈值，将连续个周期的分段四阶矩波形与强度阈值进行比较，记录每个周期内距离最近的超过阈值点。当超过个周期都存在超过阈值点时触发报警，报警点为所有超过阈值的点中距离最近的点。和的值可根据具体的现场环境进行调整。在南方电网某局的现场试点工程中测试发现，当和分别选择150和10时，报警效果较好。

4　标定方法

由于光纤传感系统检测距离和实际地理位置难以标定，特别是采用S形敷设方法后，事件发生点到光纤传感主机的光缆长度和实际地理位置更加难以对应。本文建立基于Web平台[10]的管理系统，提出基于地理信息系统（geographic information system，GIS）[11]的标定方法，可快速准确地对分布式光纤入侵系统进行标定。

基于GIS的定位算法流程图如图7所示。首先，在服务平台添加报警节点表单，表单包括节点名称（实际地理位置常用名称）、距离（光纤传感主机到此点所敷设的光缆长度）、经纬度（唯一标示此点在地图上的位置）等参数；然后，当管理平台接收到光纤传感主机发来的报警信号后，提取报警信息中的距离信息，将报警距离和表单中的节点距离信息依次比较，找到最接近的一个节点，判断此节点附近出现入侵事件并提醒用户注意。

图7　基于GIS的定位算法流程图

5 结语

结合电缆隧道安全监测的具体应用场景，本文提出了一种基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统。与典型的传统监测方式（如基于低压脉冲原理的系统、基于电子振动传感的智能井盖、视频监控等）相比，光纤传感系统在电缆隧道的监控应用中有2个优点：1) 现场无需供电，解决了现场环境复杂、取电难等问题；2) 无需对电网系统进行任何改造，避免引入新的不安全因素。此外本文根据电缆隧道现场环境的特殊性，在分布式光纤振动传感技术已有成果的基础上，设计并优化了事件识别算法和布线方式，建立了基于Web平台的管理系统，提出了基于GIS的标定方法。研究成果在南方某辖区进行了工程试点，取得了良好的效果。

参考文献

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[5] Wang Feng, Wang Xiangchuan, Zhang Xuping, et al. Influence of optical pulse width on the perturbation detection performance of polarization-optical time domain reflectometer[J].Applied Optics,2012,51(35): 8498-8504.

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[11] 王海梅.基于GIS的最优路径算法研究与实现[D].南京:南京理工大学,2008.

Online Monitoring System for Cable Tunnel Safety Based on Distributed Fiber Sensor

(1. Dongguan Power Supply Bureau 2.Guangzhou JinLink Intelligence Technology Co., Ltd.)

In order to monitor the equipment and other assets’ safety of the cable tunnel for real-time online, and ensure the power grids running reliable, an online cable tunnel security status monitoring system based on distributed fiber sensor was proposed in this article. According to the special environmental particularity of cable tunnel, the event recognition algorithms and the method of laying fiber were special designed and optimized based on the existing achievements in the distributed optical fiber vibration sensing technology. The management system based on Web platform was established for online monitoring. And the calibration method based on geographic information system (GIS) was proposed. Field tests were presented at a certain area in the South and achieved good results.

Distributed Fiber Optic Sensing; Cable Tunnel; Event Recognition Algorithms

邓纪伦，男，1976年生，大学本科，工程师，主要研究方向：供配电管理。E-mail: 13602302232@139.com

翁志辉，男，1973年生，硕士研究生，工程师，主要研究方向：光纤传感、物联网等。

金智群，男，1962年生，大学本科，工程师，主要研究方向：光纤传感、物联网等。