振动光纤与电力智能巡检技术的融合

高晶 张武杰 乔立华 王克谦

摘 要：文章系统研究和分析了当前振动光纤防护系统和智能巡检系统，并对振动光纤防护系统集成在智能巡检系统的可行性和方案设计进行了阐述。通过对光纤信号采集处理系统和智能巡检系统接口和通信方式的改进，使得变电站周界安防系统和内部巡检系统能够融合为一个系统。该系统相对于其他系统，实现变电站周界安防系统和内部智能巡检系统集成化，这对变电站全面的安全生产和运维效率的提高具有重要意义。

关键词：振动光纤；智能巡检；系统集成；周界防护

近年来，随着电网自动化程度的提高，无人值守变电站智能巡检技术发展的成熟。但是对于变电站周界防止外来入侵破坏研究还相对较少，而将两者相结合的研究甚至处于空白阶段。相关专家和学者在周界安防和智能巡检方面的研究都是相对孤立系统，智能变电站周界安防和运维巡检需要建立两个不同的系统[1-3]。因此，面对变电站输变电设施的安全防護需求日益增长，急需新的防护技术对输变电设施周界进行实时监测和保护[4-5]。传统的防护技术不但误报率较高，定位精度低，对环境的适应能力差，而且系统能难集成，难以满足现代智能变电站较高级别安防的要求[6-7]。随着光纤传感技术的迅速发展，其在天然气站场周界安防成功应用对变电站周界安防具有重要的借鉴意义。[8]同时光纤传感技术属于无源技术，且具有抗电磁干扰，灵敏度高的优点，非常适用于变电站等安防级别要求较高的场所。

本文将在介绍振动光纤技术在变电站周界安防应用的基础之上，提出光纤安防系统和智能巡检系统的融合方法。

1 振动光纤定位

光在传播过程中相位的改变主要是由光纤受压造成的，[9]因此对干扰事件的定位和识别关键技术在于对光纤信号的处理。其定位原理，以图1为例进行说明：

由于在两端检测得到不同的干扰信号只是在时间上不同，而频谱特性是相同的，使得后期的定位处理省去很多麻烦，这也是其优于其他光纤传感技术的所在。

2 融合振动光纤技术的智能巡检系统

在振动光纤技术处理的基础之上，接入智能巡检系统，不但可以实现对变电站周界安防的的防护和内部日常巡检的功能，而且两个系统并入一个系统，给运维人员的管理和使用减小了很大负担和麻烦。

振动光纤信号处理系统采用基于FPGA的高速数据处理系统，通过FPGA主控芯片来控制A/D转换模块，将采集光电探测器的信号，并存储到内部存储器，同时，将存储器中的数据进行处理，与智能巡检系统进行通信，实现数据的传输。在该系统中信号调理电路通过对信号的调幅，滤波处理，实现对信号波形的调理和对后端A/D转换模块的保护。而数据的采集主要由FPGA主控芯片，A/D转换模块以及供电电路，衰减电路，JTAG接口电路，USB转串口电路等对采集的数据进行处理，实现系统对振动事件的解调定位。同时，FPGA主控芯片控制电路一方面对A/D采集单元和USB/Uart传输电路的控制，另一方面实现对控制数据存入FIFO的读写和存储的控制，以实现智能巡检软件系统对处理后的数据的显示和对干扰事件发生时的识别和控制。

3 应用实例

融合振动光纤技术的智能巡检系统应用，同时智能巡检系统的安装已较为成熟，本文将主要介绍变电站布设的振动光纤周界安防系统。

融合振动光纤技术的智能巡检系统主要由以下4个模块组成：（1）信息收集模块，主要完成振动光纤信号的的检测，采集，识别和数据信息的传输功能；（2）联动控制模块，主要完成采集信号的进一步识别判断，联动摄像机拍照摄像，警告，参数设置等；（3）智能巡检系统，完成变电站内部设备的智能巡检终端；（4）系统集成模块，完成智能巡检信息和周界防护信息的集成并在终端的显示。

为了更清晰地发现周围的干扰事件类型，在变电站的墙体和需要防护的电力设施上铺设振动光纤，通过联动控制模块，控制摄像机对干扰事件进行监控；当有干扰出现时，光纤发出报警信号，联动摄像机进行拍照，同时即使将干扰视频信息上传到智能巡检终端，以供运维人员及时查看。

4 结语

采用本文介绍的融合振动光纤技术的智能巡检系统，使得基于振动光纤技术的周界安防系统和智能巡检融为一体，实现变电站周界安防系统和内部智能巡检系统集成化，减少系统运维上的麻烦和运维人员的工作量。该技术应用，符合国家电网公司关于智能设备关键技术研制规划的要求和电力设备智能化应用理念，充分挖掘智能化应用技术，为变电站的安全生产运行、巡视、监控提供了新的技术手段。

参考文献：

[1]黄毅，杨俊杰.无人值守变电站周界联动安防系统设计[J].仪表技术，2017（04）：6-10.

[2]蔡焕青，邵瑰玮，胡霁，等.变电站巡检机器人应用现状和主要性能指标分析[J].电测与仪表，2017，54（14）：117-123.

[3]司辉，李香文，董晓琪，等.振动光纤技术在天然气站场周界安防中的应用[J].天然气工业，2013，33（10）：116-121.

[4]郑潜，刘海.光纤地波周界安防设备设计与实现[J].光通信研究，2016（04）：45-48.

[5]李敬东，易丛琴.光纤围栏传感预警系统关键技术研究[J].光通信技术，2013，37（09）：17-19.

[6]黄毅，杨俊杰.精准定位型变电站周界联动安防系统的设计[J].上海电力学院学报，2017，33（01）：4-10.

[7]任堂正，杨俊杰，楼志斌.无人值守变电站周界光电一体化安防系统设计[J].电测与仪表，2016，53（12）：111-117.

[8]黄翔东，张皓杰，刘琨，等.基于综合特征的光纤周界安防系统高效入侵事件识别[J].物理学报，2017，66（12）：207-216.

[9]赵勇.光纤传感原理与应用技术[M].清华大学出版社，2007.

[10]林志恒.基于LabVIEW的干涉型光纤加速度计的研究[D].哈尔滨工程大学，2008.