基于分布式光纖的電力電纜檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)

孫世國，黃志敏，葉尚興，江友華

(1．冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司新三礦，河北省邯鄲市 056200；2.上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海市 200090)

基于分布式光纖的電力電纜檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)

孫世國1，黃志敏2，葉尚興2，江友華2

(1．冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司新三礦，河北省邯鄲市 056200；2.上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海市 200090)

分布式光纖能夠有效實(shí)現(xiàn)電力電纜的在線監(jiān)測，但由于分布式光纖節(jié)點(diǎn)部署不均衡、采集頻率頻繁、感知數(shù)據(jù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，造成所測電力電纜數(shù)據(jù)的真實(shí)性受損，從而形成漏報(bào)、誤報(bào)，這就對光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)管理技術(shù)提出了更高的要求?；诖?，給出了分布式光纖檢測電力電纜健康狀態(tài)的軟硬件平臺，并針對電力電纜檢測漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象，通過提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，采用不確定感知數(shù)據(jù)的自動檢測及修復(fù)算法，從而在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況時能夠進(jìn)行有效修正，提高了電力電纜感知數(shù)據(jù)的質(zhì)量，降低了光纖檢測系統(tǒng)的缺陷發(fā)生率，提高了工作效率。最后，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了算法驗(yàn)證。

電力電纜；分布式光纖；檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量；優(yōu)化

0 引 言

目前關(guān)于電力電纜狀態(tài)的檢測方法比較多，比如測溫通常采用點(diǎn)式感溫裝置(如熱電偶)，在電纜重要部位進(jìn)行測溫；采用電力線載波及視頻監(jiān)控方式，減少偷盜電力電纜行為[1-7]。但這些方法均是零散的，沒有構(gòu)成綜合系統(tǒng)，無法對電力電纜進(jìn)行全方位實(shí)時監(jiān)測，不能實(shí)現(xiàn)對電力電纜線路的溫度、載流量以及偷盜入侵情況等進(jìn)行監(jiān)測。分布式光纖技術(shù)可以有效進(jìn)行電力電纜的全方位檢測，但國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)用光纖傳感監(jiān)測技術(shù)對配網(wǎng)設(shè)備的安全監(jiān)測研究大多還處于初期研究階段，應(yīng)用也基本停留在對個別設(shè)備和某個部件的監(jiān)測[8]。雖然也有一些相關(guān)文獻(xiàn)介紹了電力電纜的分布式光纖測試技術(shù)，但都比較籠統(tǒng)，沒有具體介紹其軟、硬件平臺設(shè)計(jì)[9-10]。

此外，由于電纜線路分布面廣、相距較遠(yuǎn)，致使分布式光纖節(jié)點(diǎn)部署不均衡，外加系統(tǒng)損耗和噪聲的影響，造成所測電力電纜數(shù)據(jù)的真實(shí)性受損，從而形成漏報(bào)、誤報(bào)，致使其應(yīng)用受限。為了使光纖傳感監(jiān)測技術(shù)更好地應(yīng)用于實(shí)際，對其數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)管理技術(shù)就提出了更高的要求，以便提高電力電纜感知數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并進(jìn)行有效計(jì)算與準(zhǔn)確報(bào)警?；诖?，論文提出分布式光纖測試技術(shù)的軟、硬件平臺，并針對光纖傳送數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的算法優(yōu)化，以使在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況時能夠進(jìn)行有效修正， 一定程度上降低光纖檢測系統(tǒng)的缺陷發(fā)生率，避免大量的現(xiàn)場工作，提高工作效率。

1 分布式光纖的電力電纜監(jiān)測原理

分布式光纖傳感技術(shù)是利用光在光纖中傳輸時產(chǎn)生后向散射信號和光時域反射，如瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼散射等技術(shù)來獲取溫度、振動等參量的分布信息，被廣泛應(yīng)用于光纜線路的監(jiān)測、維護(hù)、施工之中，可進(jìn)行光纖溫度、偷盜情況及長度和故障定位等的測量。其典型結(jié)構(gòu)光時域反射(optical time domain reflectometer,OTDR)技術(shù)，如圖1所示。

圖1 光時域反射技術(shù)原理

激光器發(fā)出的光經(jīng)過脈沖發(fā)生器調(diào)制后，產(chǎn)生所需寬度的光脈沖 (通常為 10～400 ms)，經(jīng)耦合器后入射到待測光纖，光纖中的后向散射光和菲涅耳反射光經(jīng)耦合器后進(jìn)入光電探測器，光電探測器把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)入電腦或示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如脈沖激光器輸出的脈沖光波，傳輸至事件點(diǎn)D，經(jīng)瑞利散射后，背向散射光在激光器脈沖輸出t后被探測器接收，令事件點(diǎn)D至探測器的距離為z，則

(1)

式中：v為光在光纖中傳輸速度；n為光纖有效折射率；C為真空中的光速。

圖1中，設(shè)光脈沖持續(xù)時間為Δt，則在t時刻，檢測到的后向散射光為[z，z+(vΔt)/2]這段光纖后向散射的總能量,所以，OTDR的空間分辨率為

(2)

這樣，不同時間測量的反射光強(qiáng)度就對應(yīng)著整個傳感光纖不同位置的散射。因此，可以通過測量后向散射的時間函數(shù)來獲取不同距離的后向散射信息，這樣一根光纖中的連接點(diǎn)、耦合點(diǎn)以及斷點(diǎn)的位置很容易被測量到。而且，如果光纖有一段彎曲過大或者被過重外部物體壓制等情況也可以被測量到。而光纖溫度監(jiān)測則可根據(jù)待測溫度函數(shù)得到：

(3)

式中：Ias為反斯托克斯光強(qiáng)；Is為斯托克斯光強(qiáng)；fas為反斯托克斯光頻率；fs為斯托克斯光頻率；f0為瑞利光頻率；h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。

根據(jù)式(3)可以得到:

(4)

由式(4)可知，在測溫系統(tǒng)標(biāo)定后，通過測定R(T)，利用已知溫度T0下的R(T0)，根據(jù)后向光波的傳播時間，就可以確定沿光纖各測量點(diǎn)的溫度值。

由式(2)、(4)可知，采用分布式光纖傳感技術(shù)可以有效檢測電力電纜的振動及溫度信息，然而電力電纜在長期運(yùn)行中受到雨雪、日照、電磁感應(yīng)、人為因素(如：電纜附件施工、汽車通過等)影響，以及整個系統(tǒng)損耗和噪聲的影響，致使光波在電纜傳輸過程中，以及在數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)中心時，造成所測電力電纜數(shù)據(jù)的真實(shí)性受損，從而形成漏報(bào)、誤報(bào)。為消除此影響，需要選擇合適的智能采樣方法，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和修復(fù)，從而降低光纖振動及測溫系統(tǒng)的缺陷發(fā)生率。

2 軟、硬件平臺設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件集成架構(gòu)

電力電纜的分布式光纖防盜、載流量及溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件集成架構(gòu)如圖2所示，主要包括子系統(tǒng)、客戶端、集成軟件平臺這3部分。其中各子系統(tǒng)負(fù)責(zé)各自監(jiān)測參數(shù)的采集、分析處理和存儲，并通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)的上傳到集成軟件平臺上。各子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)集成軟件平臺的接口模塊接收并統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式存儲到數(shù)據(jù)庫中，供集成軟件平臺上層分析和應(yīng)用；各客戶端通過網(wǎng)絡(luò)來查看集成軟件平臺上的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能請求；集成軟件平臺采用網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、處理、分析和展示，并通過TCP/IP協(xié)議與電力部門其他軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.2 系統(tǒng)軟件平臺

電力電纜的分布式光纖防盜、載流量及溫度監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺從功能結(jié)構(gòu)上主要分成4個。

圖2 基于分布式光纖的電力電纜系統(tǒng)硬件集成架構(gòu)

(1)源數(shù)據(jù)提供層：需要接入電纜監(jiān)控平臺的各個監(jiān)控子系統(tǒng)提供相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。如分布式光纖振動監(jiān)測子系統(tǒng)提供的振動數(shù)據(jù)，分布式光纖溫度監(jiān)測子系統(tǒng)提供的溫度數(shù)據(jù)，電力設(shè)備提供的狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

(2)數(shù)據(jù)接入層：基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型和統(tǒng)一接口方式接入各個系統(tǒng)至集成數(shù)據(jù)總線。

(3)數(shù)據(jù)整合層：主數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)提升電網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量，向集成監(jiān)控管理系統(tǒng)提供完整、可靠的數(shù)據(jù)支持，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)提供給業(yè)務(wù)應(yīng)用層進(jìn)行應(yīng)用。

(4)監(jiān)控應(yīng)用層：包括集成監(jiān)控運(yùn)行的管理功能，如運(yùn)行監(jiān)控，負(fù)責(zé)展現(xiàn)來自各個監(jiān)控子系統(tǒng)的監(jiān)控參數(shù)變化曲線及各種報(bào)表；電纜載流量分析、振動信號分析等數(shù)據(jù)分析處理功能。

通過軟件平臺把基于分布式振動傳感器和分布式溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測與修正，然后結(jié)合電纜各種事件的特征，分析得到電纜負(fù)荷、電纜故障狀態(tài)、電纜故障原因等信息，判斷設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)級別，采取合理的檢修管理，安排檢修計(jì)劃，實(shí)施狀態(tài)檢修；基于光纖測溫監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測導(dǎo)線溫度與導(dǎo)線載流量關(guān)系，達(dá)到更好地監(jiān)測電纜運(yùn)行異常情況，穩(wěn)定、優(yōu)化電纜運(yùn)行，最終達(dá)到電力電纜狀態(tài)的全方位檢測，又能有效防止數(shù)據(jù)的真實(shí)性受損，減少漏報(bào)、誤報(bào)，有效降低光纖振動及測溫系統(tǒng)的缺陷發(fā)生率。

3 高質(zhì)量的智能光纖檢測數(shù)據(jù)采樣方法

分布式光纖的電力電纜監(jiān)測技術(shù)除了有合理的軟、硬件平臺與架構(gòu)外，有效的數(shù)據(jù)采集算法也是其應(yīng)用于實(shí)際中必不可少的組成部分。這是因?yàn)殡娏﹄娎|線路分布面廣、相距較遠(yuǎn)，致使分布式光纖節(jié)點(diǎn)部署不均衡、采集頻率頻繁、感知數(shù)據(jù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，系統(tǒng)損耗和噪聲的影響較大；其次，對不同狀態(tài)信息的傳感器節(jié)點(diǎn)，其感知器件的精度、節(jié)點(diǎn)環(huán)境和感知過程都可能是不同的，如果要求所有傳感器都獲取同樣數(shù)量的樣本是不現(xiàn)實(shí)的。如果直接簡單地把采集數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，則容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測不準(zhǔn)確，形成漏報(bào)、誤報(bào)。為了有效地監(jiān)測電力電纜的健康狀態(tài)，以便能夠得到更能反映所測電力電纜健康狀態(tài)的真實(shí)數(shù)據(jù)，比如溫度曲線、絕緣及老化程度等，需要提高電力電纜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。一般的做法是盡量獲取較多的采樣數(shù)據(jù)，并將其平均值作為“真正的”感知數(shù)據(jù)。雖然該方法看似簡單，但在傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多次采樣卻是很大的挑戰(zhàn)。而在最壞的情況下，為了達(dá)到指定的采樣準(zhǔn)確率，所有的傳感器都必須使用最高的采樣率。而實(shí)際上只有最不準(zhǔn)確的傳感器才需要使用該采樣率。顯然，上述簡單的采樣策略會浪費(fèi)很多能量。

圖3 不同自由度參數(shù)對應(yīng)的t分布

參數(shù)確定的基本過程為：

Step 1，獲取一個樣本數(shù)據(jù)；

Step 3，在檢驗(yàn)區(qū)間[si-eri,si+eri]上執(zhí)行t檢驗(yàn), 如果通過，過程結(jié)束，否則跳轉(zhuǎn)到Step 1。

利用以上方法進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，確定每個光纖檢測節(jié)點(diǎn)的采樣頻率。對于給定的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)置信度要求，找到一種高質(zhì)量、低能耗的節(jié)點(diǎn)智能采樣方法。

4 不確定感知數(shù)據(jù)的自動檢測及修復(fù)算法

在數(shù)據(jù)采集過程中，由于節(jié)點(diǎn)環(huán)境變化、電磁干擾、測量誤差、采樣錯誤、網(wǎng)絡(luò)延遲等因素的客觀存在，導(dǎo)致獲得的感知數(shù)據(jù)經(jīng)常是不確定的，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)修正技術(shù)無法完全消除感知數(shù)據(jù)中存在的噪音。同時，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，也會引入新的數(shù)據(jù)噪音。而采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)清洗辦法來提高感知數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)質(zhì)量，顯然是不合適的。這是因?yàn)樵陔娏﹄娎|的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中，有些 “異常數(shù)據(jù)”雖然是小概率的，但其往往是故障檢測等重要的數(shù)據(jù)來源。如果直接使用低質(zhì)量的感知數(shù)據(jù)，將會對電力電纜的檢測和管理造成嚴(yán)重的后果。因此，如何提高這些感知數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并進(jìn)行有效計(jì)算，給光纖檢測的數(shù)據(jù)管理帶來了新的挑戰(zhàn)，也是分布式光纖傳感技術(shù)在電力電纜檢測應(yīng)用中是否成功的關(guān)鍵所在。

4.1 不確定感知數(shù)據(jù)的自動檢測

利用2個節(jié)點(diǎn)的感知向量的相似性度量來對相鄰2個節(jié)點(diǎn)之間測量序列的相似程度進(jìn)行比較。首先，利用最大—最小規(guī)范化方法對感知向量進(jìn)行規(guī)范化處理，然后選擇廣義Jaccard系數(shù)(又稱Tanimoto系數(shù))作為相似性度量[13]。如果用i和j表示2個相鄰節(jié)點(diǎn)，這2個節(jié)點(diǎn)經(jīng)過規(guī)范化處理的感知數(shù)據(jù)分別為xi和xj，這2個感知向量的點(diǎn)積為xi·xj，則廣義Jaccard系數(shù)可以表示為

(5)

給定閾值θ，當(dāng)Jij>θ時，則認(rèn)為這2個感知向量是相似的，否則認(rèn)為其中某個感知向量具有異常。

4.2 基于X-repair、S-repair和U-repair修復(fù)模型的感知數(shù)據(jù)修復(fù)

由于受分布式光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性、不確定性、強(qiáng)電磁干擾等因素的影響，在數(shù)據(jù)采集過程中存在“不精確、不完整、不一致”等問題。同時，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，也會引入新的數(shù)據(jù)噪音。為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保電力電纜檢測系統(tǒng)的正常運(yùn)行， 除了自動檢測感知數(shù)據(jù)庫中的不確定數(shù)據(jù)外，還需要采用合適的方法來修復(fù)這些不確定數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)修復(fù)理論一般都是在發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時直接使用刪除操作[14-15]。但在電力電纜傳感器網(wǎng)絡(luò)中，這一方法并不適用，因?yàn)檫@些所謂的“異常數(shù)據(jù)”可能是分析電力電纜故障的主要數(shù)據(jù)來源。為此，論文基于X-repair、S-repair和U-repair修復(fù)模型和構(gòu)建的條件函數(shù)依賴關(guān)系，建立修復(fù)可能世界(repaired possible world)來修復(fù)這些不確定數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)修復(fù)的剪枝策略

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)實(shí)驗(yàn)1。在測試電力電纜中，傳輸不同電流強(qiáng)度，用電流記錄儀、水銀溫度計(jì)和電力電纜分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測模塊采集負(fù)荷電流和電纜內(nèi)部溫度信號進(jìn)行溫度測量對照，具體數(shù)值如表1所示。由表1可以看出，光纖測溫同水銀溫度測溫誤差均在1 ℃范圍內(nèi)，滿足檢測要求。由此可知，智能光纖檢測數(shù)據(jù)采樣方法能夠使光纖測溫有效的進(jìn)行，并使測溫誤差控制在允許范圍內(nèi)。

表1 溫度測量對比試驗(yàn)

(2)實(shí)驗(yàn)2。在測試電力電纜的不同位置進(jìn)行溫度故障設(shè)置，并施加電磁干擾，在沒有采用不確定感知數(shù)據(jù)算法時，出現(xiàn)誤報(bào)，如圖5(a)所示的測試點(diǎn)C，采用數(shù)據(jù)清洗算法后，并進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)的剪枝策略，誤報(bào)點(diǎn)C被有效濾除，其效果如圖5(b)所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理前、后溫度測試對照波形

(3)實(shí)驗(yàn)3。為了測試電力電纜正常振動與被偷盜時系統(tǒng)能否有效區(qū)別，采用廣義Jaccard系數(shù)算法，并設(shè)定閾值θ，當(dāng)Jij>θ時，則認(rèn)為這2個感知向量是相似的，否則認(rèn)為其中某個感知向量具有異常。作為正常振動條件，本實(shí)驗(yàn)采用汽車路過測試點(diǎn)作為輸入條件，其被測點(diǎn)位置振動背景噪聲幅度小于0.1 V，如圖6(a)所示，而偷盜時測試點(diǎn)位置振動背景噪聲幅度大于0.2 V，如圖6(b)所示。因此，正常輸入信號小于設(shè)定閾值，而不正常輸入測定信號大于設(shè)定閾值，表明智能數(shù)據(jù)采樣及處理算法能夠有效區(qū)別異常信號，而識別出正常信號，防止漏報(bào)和誤報(bào)。

圖6 數(shù)據(jù)處理前、后振動測試對照波形

6 結(jié) 論

由于電纜線路分布面廣，且由于整個系統(tǒng)損耗和噪聲的影響，造成所測電力電纜數(shù)據(jù)的真實(shí)性受損，從而形成漏報(bào)、誤報(bào)，致使其應(yīng)用受限。論文首先介紹了光纖檢測原理，然后給出了具體的軟、硬件架構(gòu)。為了提高檢測正確率，采用智能采樣算法，有效提高了分布式光纖傳感器信息的質(zhì)量，并在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況時能夠進(jìn)行有效修正， 在一定程度上降低光纖檢測系統(tǒng)的缺陷發(fā)生率，避免了大量的現(xiàn)場工作，提高了工作效率。

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(編輯：蔣毅恒)

OptimizationTechnologyofDetectionDataQualityforPowerCableBasedonDistributedOpticalFiber

SUN Shiguo1, HUANG Zhiming2, YE Shangxing2, JIANG Youhua2

(1. New No.3 Mine, Jizhong Fengfeng Energy Group Co., Ltd., Handan 056200, Hebei Province,China;2. School of Electronic and Information Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Distributed optical fiber can effectively realize the on-line monitoring of power cable. Because of the characteristics of distributed optical fiber, such as imbalance sensor deployment, frequency collection, strong correlation in perception data and so on, the measured data’s authenticity of power cable was damaged, so as to form omissions and false positives, which put forward higher requirements for the data quality and data management technology of optical fiber sensing technology. Based on this, this paper proposed the hardware and software platform for the health status detection on power cable by distributed optical fiber. According to the omissions and false positives of power cable detection, through the improvement of data acquisition quality, the uncertain automatic detection and repair algorithm for perception data were used to effectively correct the abnormal data, which could improve the quality of power cable sensing data, reduce the incidence of defects in optical fiber detection system, and improve the work efficiency. Finally, the experiments were carried out to verify the algorithm.

power cable; distributed optical fiber; detection data quality; optimization

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Z2012-068)。

TM 247; TP 301

： A

： 1000-7229(2014)09-0053-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.010

2014-04-03

：2014-05-07

孫世國(1970)，男，高級工程師，主要從事機(jī)電檢測及電子信息方面的研究；

黃志敏(1989)，男，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)檢測及控制方面的研究;

葉尚興(1990)，男，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)檢測及控制方面的研究；

江友華(1974)，男，博士，教授，主要從事電力系統(tǒng)檢測及控制方面的研究，E-mail:jyhua0306@163.com。