基于分布式光纤振动传感的电缆外破监测系统

监测意义

近年来, 为满足城市建设、环境美化的要求，越来越多电力线路采用电缆方式建设，地下电缆在输配电系统中的比重越来越大,规模增长迅速。但是在服役过程中，电缆时常受到外力破坏, 故障隐患频发，且类型、位置、时刻难以预知，电缆供电安全可靠的优势受到严重影响。因此,保障电缆供电不受外力破坏成为了电力运行部门急需解决的问题。但传统运行维护技术无法有效匹配电力基础设施的增长速度，致使电缆线路及电缆通道运维工作面临着巨大压力。

图 1 频发的电缆外破事故

基于分布式光纤振动传感的电缆外破监测系统依托分布式光纤振动传感技术实现电缆外破监测，实时测量传输线路周围的振动情况,定位异常发生地点，并识别潜在威胁到光缆的垂直距离，从而有效评估外破威胁等级。该系统能够提供可靠的传输线路防外力破坏预警功能，有力保证电力系统安全运行。

原理及系统简介

本产品通过Ada-5000系列分布式光纤微扰动场感测仪构建监测平台。在原理上利用相位敏感型光时域反射计（Φ-OTDR）技术来探测振动，实现对外破事件的监测。Φ-OTDR通常采用kHz级别的窄线宽激光器作为光源，通过向传感光纤注入探测光脉冲，并检测传感光纤中由此产生的瑞利背向散射（RBS）信号来感知光纤所受到的外部扰动。该技术灵敏度*、测量响应速度快，能够实现长距离全分布式的无盲区传感，非常适合对地埋电缆周边各类微扰动事件的监测。

图 2 相位敏感型光时域反射计（Φ-OTDR）工作原理

在测量原理上，当外部扰动发生时，光纤的长度、折射率等会随着外部扰动事件发生变化，最终导致光纤相应位置产生的RBS光信号相位发生变化。Φ-OTDR通过分析外部扰动发生前后该位置的RBS相位变化，便可以对外部扰动事件进行定量测量。其原理如图2所示：

图 3外部扰动引起的应变大小与相位变化关系示意图

通过信号处理可以提取出扰动位置的相位变化信息，就可以获得外部扰动作用在待测光纤上引起的光纤长度变化，最终实现外部声场的重构。结合信号分析，就能够对电缆管廊附近发生的施工现象进行精确定位以及快速识别，达到提前预警、快速巡视排查、减少故障发生的几率，保障电缆安全运行的目标。

图 4 电缆外破监测系统结构框图

电缆防外破监测系统的核心解调装置放置于监控机房，用于光信号的输出、光电转换处理、采集信号，并能够通过数字信号分析进行事件甄别和报警信息处理。结合光学多路复用模块，可以实现单个站点对多条线路的轮询检测，其结构如图3所示。装置采用光纤单芯定位等一系列创新技术，通过对电缆线路上发生的对电缆有安全隐患的破坏行为、周边环境施工等扰动的实时监测, 采集和分析信息，判定扰动发生的位置、类型、强度，以帮助线路维护人员及时发现电缆的窃取、入侵和破坏行为。该装置能够在事件发生时实时监测、准确定位、智能分析,还可以实现对事故发生的预警, 有效解决对电缆损毁的预警监测，为值班人员提供告警、智能分析和辅助决策支持。

图 5 标准机柜4U尺寸的检测装置硬件外观

   系统的硬件装置采用如图4所示的标准4U结构，其内部结构紧凑，稳定性强，能够安装在变电站通信机房的机柜内。装置安装便捷，只需将一根传感光纤的单端接入就可完成装置安装。内置硬盘矩阵，可以完成长时间的监测数据储存，利用网络接口和4G无线传输，可以实现远程监控与数据传输。

图 6 基于B/S架构的外破信息展示

系统软件中的数据预处理模块对采集得到的振动信号进行实时的数据清洗，然后经过数据分析与模式识别模块，分析沿线状态量转换为有效的机械作业引发的振动事件，再匹配线路数据与相关阈值参量，形成如图6所示的实时监测预警数据，并能够通过B/S架构的软件界面进行远程展示与查询。

图 7 报警阈值的本地化自适应设置

为了提高系统的适应性，系统软件将根据布设地点的实测数据，统计线缆周边的环境背景噪声特性，自动生成并动态调整报警阈值，提高设备现场安装、调试的效率，如图6所示。

图 8 外破事件的精准识别

系统对振动信号的时域特征进行统计分析，研究信号的形态随时间变化的规律，抽取短时能量、平均过零率、谐振频率、子频带能量、香农熵等典型特征量作为信号判断和识别的依据，结合谱减、自适应滤波等噪声抑制方法，能够有效降低虚警率。本系统一方面能够实现单条线路或多条串/并联电缆线路外破隐患的监控和定位，形成电缆全线监控体系，另一方面又能够实现对电缆所有外破隐患点的全流程管控，做到线面结合。系统软件通过架设的通信服务器，由GPRS/WIFI/OPGW光纤网络等形式的网络传输，将监测装置主机的实时监测结果连接到远端的监控中心，实时监测预警数据列表，供GIS模块展现及相关管理人员浏览监测运行日志，以事件为单位实现对每个隐患点的发现、处理全流程管控。同时利用移动端APP软件，能够实时发布、接收事件预警信息。通过监控中心的实时数据同享，可及时推送故障预警信息，并可安排距离最近的人员快速达到现场，避免事故发生，并可通过远程终端指导运维检修，实现信息的移动互联。

图 9 基于GIS信息展示、移动端信息推送的智能巡检平台

   依托本系统可以有效地实时监测地埋电缆周边的施工振动情况，及时了解异常信号，有效减少地埋电缆故障发生的几率，一旦周边有异常施工和破坏，系统就可以发出及时预警。在故障发生后，能够做到精准定位，快速确定故障点的位置，降低人工查巡工作量，提高故障抢修的效率。系统设备安装在机房，采用通讯光缆的1芯光纤既作为传感装置又做数据通讯，无需额外加装传感器和供电电源。光电复合缆敷设的区段可全线监测，全线路无盲区。系统软件提供检测预警数据的访问接口，以备用户的二次开发与集成。系统所构建的“线面结合、移动互联" 监测预警技术架构，可极大降低故障发生率和巡检的工作强度，提升工作质量，是电缆外破监测水平和管理水平的又一次提升！