光纜網(wǎng)監測的主要目的是保證通信網(wǎng)絡(luò )的可靠運行, 對現有問(wèn)題及時(shí)發(fā)現, 潛在的光纜故障提前預警, 對故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位, 為光纜網(wǎng)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(xiàn)路走廊直接敷設, 因此也間接反應了輸電線(xiàn)路的狀態(tài), 包括振動(dòng)、溫度、應力等, 因此, 與傳統的運營(yíng)商光纜監測要求比較, 電力光纜量測的參數要求更多, 環(huán)境更復雜。電力光纖傳感分為點(diǎn)式傳感技術(shù)和分布式傳感技術(shù), 點(diǎn)式傳感無(wú)法實(shí)現寬范圍無(wú)盲區監測, 分布式光纖傳感技術(shù), 利用光纖本身可兼做傳感器, 監測可以做到沿整條光纖無(wú)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(xiàn)路走廊, 無(wú)需另開(kāi)溝道或專(zhuān)門(mén)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(jià)值。

電力光纜中, 傳輸網(wǎng)中的OPGW具有電力架空地線(xiàn)和通信特種光纜雙重功能, 它既是輸電線(xiàn)路防雷保護的避雷線(xiàn), 又是傳輸信息的電力通信線(xiàn)。無(wú)需要單獨立桿塔、不占線(xiàn)路走廊, 節約了投資, 提高了線(xiàn)路走廊的利用效率, 具有非常高的可靠性和安全度、同時(shí)使用壽命長(cháng)。但是OPGW再野外, 跨距長(cháng)、地理條件復雜, 在極端天氣下, 沿途地形地貌、氣象條件、環(huán)境因素對線(xiàn)路影響大。外界因素所可能會(huì )引起的長(cháng)時(shí)間光纜振動(dòng)、覆冰、舞動(dòng)等現象, 最終導致光纜線(xiàn)路故障。2008年冰災, 由于線(xiàn)路覆冰, 當線(xiàn)路拉伸的應力超過(guò)耐張塔的承受范圍, 導致耐張塔倒塌, 引起輸電線(xiàn)路故障, 因此對電力光纜網(wǎng)的分布式監測, 同時(shí)也是間接反映了輸電線(xiàn)路監測狀態(tài)。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(wǎng)故障的重要因素, 分布式光纖傳感, 可對輸電線(xiàn)路實(shí)現全范圍無(wú)盲點(diǎn)監控。在電力系統中, 分布式光纖傳感對在不同的場(chǎng)景中, 監測的參量需求重點(diǎn)不同, 因此, 需要一種綜合量測統一平臺, 實(shí)現對光纜線(xiàn)路的全面監測。

對于工程中實(shí)際應用的分布式光纖傳感技術(shù), 按照其傳感原理有:瑞利光時(shí)域散射、瑞利光頻域散射、拉曼散射、自發(fā)布里淵散射、受激布里淵散射、Michelson干涉、M-Z干涉、Sagnac干涉?；诠馍⑸湫姆植际焦饫w傳感技術(shù), 在電力行業(yè), 普遍應用的有:OTDR, 主要用于電網(wǎng)通訊光纜的損傷點(diǎn)檢測;ROTDR, 主要用于輸電線(xiàn)路的溫度監測, 進(jìn)而拓展到輸電線(xiàn)路基于溫度的火災和動(dòng)態(tài)載流量監測技術(shù);BOTDR和BOTDA, 主要應用于輸電線(xiàn)路的溫度和應變監測, 該技術(shù)在輸電線(xiàn)路的弧垂、溫度、應變變形同時(shí)監測方面具有很高的應用價(jià)值。對于瑞利光時(shí)域散射、瑞利光頻域散射、拉曼散射、自發(fā)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(shù), 充分利用了光纖一維空間連續分布監測的特點(diǎn), 獲得時(shí)間和線(xiàn)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(jìn)行感知、遠程監測, 不需構成回路或雙路, 工程現場(chǎng)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(shí)現數據統一量測, 數據的統一處理, 工程上可以實(shí)現統一部署, 從而降低整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)工作量和工程安裝成本。

光時(shí)域反射技術(shù)利用向光纖中發(fā)送光脈沖, 同時(shí)在同步時(shí)鐘的控制下通過(guò)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(xiàn)的事件如彎曲、熔接點(diǎn)、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(shí)鐘記錄探測光信號在光纖中的往返時(shí)間, 由于每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應光脈沖在光纖中傳播的位置, 從而實(shí)現對光纖沿線(xiàn)故障點(diǎn)的識別和定位。

布里淵散射是指光源發(fā)出的光波與介質(zhì)內的彈性聲波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的光散射現象。光纖溫度量測是近年利用布里淵散射原理發(fā)展起來(lái)的長(cháng)距離分布式光纖傳感技術(shù), 主要實(shí)現對溫度和應變進(jìn)行量測, 對應的監測設備可分為環(huán)路測量的布里淵光時(shí)域分析儀BOTDA以及單端測量的布里淵光時(shí)域反射計BOTDR。BOTDR進(jìn)行量測時(shí), 采用單端輸入探測光方法, 利用探測光在傳輸過(guò)程中的布里淵散射來(lái)感知各位置的溫度變化, 其優(yōu)點(diǎn)是施工方便, 只需單端施工, 但隨著(zhù)距離增長(cháng), 返回的布里淵光強度會(huì )變弱, 信號檢測難度大。而B(niǎo)OTDA進(jìn)行量測時(shí)候, 需要使用兩根纖芯, 使光纖形成回路, 優(yōu)點(diǎn)是精度更高, 需要對端連接, 形成回路。布里淵原理實(shí)現的光纖溫度量測是通常采用單模光纖, 實(shí)現長(cháng)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(yōu), 可以實(shí)現全程±1℃、1m的測溫性能。

另一種常用的分布式光纖測溫技術(shù)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(shù), 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(diǎn)實(shí)現溫度監測。在脈沖光在光纖中傳輸時(shí), 散射信號是連續, 利用OTDR計算散射點(diǎn)位置, 從而得到光纖沿線(xiàn)的溫度分布。

光纜分布式振動(dòng)量測常用的是基于相位敏感OTDR技術(shù)的原理當由聲音或物體振動(dòng)產(chǎn)生的壓力施加于傳感光纜時(shí), 將會(huì )同時(shí)引起光纖的振動(dòng), 由于介質(zhì)中應力波的存在可改變介質(zhì)的介電常數或光折射率, 影響光在介質(zhì)中的傳播, 導致傳感光纖振動(dòng)處的光纖折射率發(fā)生變化, 因而引起傳感光纜中傳輸光的相位改變。將光纖作為相位調制元件, 根據光學(xué)原理, 由于外界的振動(dòng)同時(shí)引起光纖振動(dòng), 光纖中散射光的相位將會(huì )發(fā)生變化, 通過(guò)監測光纖返回的瑞利散射信號的變化, 對同一監測點(diǎn)上的不同時(shí)刻的返回信號特征值進(jìn)行分析監測, 實(shí)現整段光纜振動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監測, 再通過(guò)OTDR技術(shù), 將對應的各采樣點(diǎn)返回的時(shí)間來(lái)?yè)Q算成距離, 實(shí)現振動(dòng)位置的準確定位, 也可通過(guò)測量注入的脈沖與接收信號之間的時(shí)間延遲計算振動(dòng)位置。

依照系統實(shí)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(dòng), 集成該三種量測模塊的一體化設備, 可以實(shí)現對電力光纜線(xiàn)路的主要參數的全覆蓋監測, 從而實(shí)現光纜線(xiàn)路的全方位感知, 將量測結果進(jìn)行歸一化處理, 存入數據庫中, 方便后期的調用分析。

本系統中, 傳感單元包括電纜光纖線(xiàn)路的備用光纖, 電纜光纖本身作為一個(gè)傳感器單元, 實(shí)現光纖線(xiàn)路的分步式量測, 其它傳感單元將采用外置式, 通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接入綜合處理中心, 綜合監測設備實(shí)現分布式光纖傳感, 數據經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理實(shí)現歸一化后, 傳輸到數據處理中心, 并實(shí)現數據的存檔, 多參量綜合監測平臺軟件主要實(shí)現數據的集中展示, 并實(shí)現策略定制, GIS展示等。

在硬件設計上面, 主要是實(shí)現現有的傳感設備集成, 通過(guò)光開(kāi)關(guān)實(shí)現不同參量的量測功能和被測線(xiàn)路切換, 通過(guò)處理平臺軟件實(shí)現輪詢(xún)測試、手工測試、事件觸發(fā)測試等, OTDR光衰量測設置輪詢(xún)測試的周期為12小時(shí), 對與參考曲線(xiàn)進(jìn)行后臺對比, 當數據出現奇異點(diǎn), 對該數據存儲。BOTDR模塊實(shí)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(xiàn)路空閑時(shí)候切換到BOTDR模塊, 實(shí)現溫度監測。振動(dòng)監測通常發(fā)生時(shí)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(dòng)監測主要集中在白天。該結構設計可以在一根纖芯上實(shí)現多種功能量測。

該方案兼顧到了多個(gè)參量監測的靈活切換, 同時(shí)又兼顧到了監測線(xiàn)路覆蓋, 通過(guò)兩級獨立的光開(kāi)關(guān)級聯(lián), 每個(gè)光開(kāi)關(guān)獨立控制, 能夠很好完成監測任務(wù)。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。

系統軟件開(kāi)發(fā)基于主流的BS架構, 主要分為后臺服務(wù)部分、數據庫、瀏覽器。后臺服務(wù)包含3個(gè)模塊:通信服務(wù)模塊、應用服務(wù)模塊、GIS服務(wù)模塊, 實(shí)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(yè)務(wù)處理, 數據解析等, 同時(shí)在后臺服務(wù)部分實(shí)現標準的GIS集成、對外提供標準的WMS服務(wù), 實(shí)現光學(xué)量測結果和空間精確定位的計算等。數據庫包括業(yè)務(wù)數據庫和基礎地圖數據的存儲, 業(yè)務(wù)數據庫存儲測試路由光路相關(guān)信息, 量測結果, 測試參數等?；氐貓D數據庫實(shí)現空間數據的儲存以及空間計算。

在功能獨立的軟件開(kāi)發(fā)平臺, 每個(gè)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(jìn)行處理, 一體化平臺主要目的是實(shí)現多個(gè)量測參量的數據統一處理, 因此需提取各類(lèi)型監測平臺數據結果的共性, 將多個(gè)監測平臺的監測結果在一個(gè)統一的平臺處理展示。首先對數據進(jìn)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(shí)間軸 (對應的距離) 二維數據, 反射信號和長(cháng)度的對應, 最終結果是通過(guò)曲線(xiàn)以及對曲線(xiàn)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(yè)務(wù)特點(diǎn)。文件結構設計如下:數據目錄塊存儲整個(gè)文件的模塊信息, 包括每個(gè)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(chǎng)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(shí)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(diǎn);數據點(diǎn)將采用16進(jìn)制存儲, 節約存儲空間;測試類(lèi)型記錄本次量測方法對應的傳感類(lèi)型等;業(yè)務(wù)參數記錄當前測試的光纜上當前所承載的業(yè)務(wù)類(lèi)型, 等級等。

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(guò)權限配置, 實(shí)現不同用戶(hù)的對數據的分級數據瀏覽, 保證了用戶(hù)數據和系統安全。本平臺對物理資源和邏輯資源數據進(jìn)行了統一的管理, 通過(guò)監控, 測試路由, 光纜資源三個(gè)不同的資源樹(shù)從不同的管理角度實(shí)現對資源分類(lèi)分層, 所有的基礎數據統一管理維護。光纜資源實(shí)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(shí)現邏輯資源如路由拓撲的建立, 監控實(shí)現節點(diǎn)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。

結合電力光纜網(wǎng)絡(luò )監測參量的特殊要求, 分析并總結了電力光纜網(wǎng)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(chǎng)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(shí)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(shí)現對監測結果的統一存儲和解析, 最后通過(guò)后臺處理和分析軟件實(shí)現數據分析和結果的關(guān)聯(lián)展示。