電力光纜網(wǎng)分布式綜合量測統(tǒng)一平臺開發(fā)研究

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0 引言

電力光纜網(wǎng)的監(jiān)測參量主要有光功率監(jiān)測、溫度監(jiān)測，應(yīng)力監(jiān)測等，對各類型參量的量測通常由各個單一功能的儀器或設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行。對多參量同時在線量測、智能化手段方面自動化水平較低，而影響電力光纜網(wǎng)絡(luò)的各種因素通常不是孤立存在[1]。電力光纜網(wǎng)軟件監(jiān)測平臺通常是針對單一功能的進(jìn)行開發(fā)，無法做到對溫度、應(yīng)力、舞動、振動、線路故障等狀態(tài)參量的綜合感知和分析，無法滿足電力系統(tǒng)對多種狀態(tài)參量感知的需求。多參量傳感設(shè)備監(jiān)測，可使量測的范圍擴(kuò)展至整個光通信網(wǎng)絡(luò)，能有效地降低運(yùn)行成本。采用多種傳感器來增加監(jiān)測參量，電力光纜網(wǎng)的監(jiān)測成本會急劇上升，進(jìn)而從根本上阻礙光纖傳感器在電力行業(yè)中的推廣應(yīng)用[2-3]。為了有效支撐復(fù)雜環(huán)境下的通信保障、重大活動保障，在電力光纜網(wǎng)的多參量監(jiān)測、超長距離監(jiān)測、量測控制、配網(wǎng)監(jiān)測、故障診斷分析等方面都提出了很多新需求。同時隨著“大云物移智”等信通新技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速增長，多參量光纖傳感技術(shù)實(shí)時感知整個光路運(yùn)行狀態(tài)，同時的反應(yīng)了對應(yīng)的輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)。因此，集成多種參量監(jiān)測功能設(shè)備對光纜進(jìn)行量測很有必要。目前，對光纜的監(jiān)測是通過對光纜內(nèi)某一根光纖或是幾根光纖的監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)整個條光纜的間接監(jiān)測。根據(jù)被監(jiān)測光纖的使用狀態(tài)可以分為：在線監(jiān)測、備纖監(jiān)測、離線監(jiān)測、混合監(jiān)測四種監(jiān)測方式。目前電力光纜網(wǎng)的監(jiān)測主要采用光時域反射儀，對光纖通信線路進(jìn)行有效的故障識別和定位，但是，測量參量單一難以滿足多參量和廣域量測的需求。因此，從電力光纜網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測的實(shí)際需求出發(fā)研究多參量分布式光纖傳感機(jī)理和量測控制技術(shù)，融合分布式光纖瑞利散射傳感、布里淵散射傳感和拉曼散射傳感、光纖光柵傳感技術(shù)等，整合光纖傳感器的硬件結(jié)構(gòu)，在通用架構(gòu)的基礎(chǔ)上兼容或擴(kuò)充特征功能模塊實(shí)現(xiàn)多參量傳感和量測控制，并拓展其智能巡線量測功能，從而實(shí)現(xiàn)一臺傳感設(shè)備覆蓋一個變電站內(nèi)幾乎所有光纜線路的監(jiān)測能力，降低系統(tǒng)部署復(fù)雜度。為電力光纜網(wǎng)監(jiān)測提供可廣域監(jiān)測的、高可靠性、低成本且具有市場推廣價值的監(jiān)測設(shè)備，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價值。

1 分布式電力光纜網(wǎng)監(jiān)測

光纜網(wǎng)監(jiān)測的主要目的是保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行，對現(xiàn)有問題及時發(fā)現(xiàn)，潛在的光纜故障提前預(yù)警，對故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位，為光纜網(wǎng)運(yùn)維人員提供依據(jù)。而電力光纜由于本身結(jié)構(gòu)的特殊性，通常是隨電力系統(tǒng)輸電線路走廊直接敷設(shè)，因此也間接反應(yīng)了輸電線路的狀態(tài)，包括振動、溫度、應(yīng)力等，因此，與傳統(tǒng)的運(yùn)營商光纜監(jiān)測要求比較，電力光纜量測的參數(shù)要求更多，環(huán)境更復(fù)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)式傳感無法實(shí)現(xiàn)寬范圍無盲區(qū)監(jiān)測，分布式光纖傳感技術(shù)，利用光纖本身可兼做傳感器，監(jiān)測可以做到沿整條光纖無盲區(qū)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(tǒng)自身的線路走廊，無需另開溝道或?qū)ｉT架設(shè)，不受電磁干擾，而且光纖資源豐富，具有重要的工程應(yīng)用價值[4]。

電力光纜中，傳輸網(wǎng)中的OPGW具有電力架空地線和通信特種光纜雙重功能，它既是輸電線路防雷保護(hù)的避雷線，又是傳輸信息的電力通信線。無需要單獨(dú)立桿塔、不占線路走廊，節(jié)約了投資，提高了線路走廊的利用效率，具有非常高的可靠性和安全度、同時使用壽命長。但是OPGW再野外，跨距長、地理?xiàng)l件復(fù)雜，在極端天氣下，沿途地形地貌、氣象條件、環(huán)境因素對線路影響大。外界因素所可能會引起的長時間光纜振動、覆冰、舞動等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致光纜線路故障。2008年冰災(zāi)，由于線路覆冰，當(dāng)線路拉伸的應(yīng)力超過耐張塔的承受范圍，導(dǎo)致耐張塔倒塌，引起輸電線路故障，因此對電力光纜網(wǎng)的分布式監(jiān)測，同時也是間接反映了輸電線路監(jiān)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，可對輸電線路實(shí)現(xiàn)全范圍無盲點(diǎn)監(jiān)控。在電力系統(tǒng)中，分布式光纖傳感對在不同的場景中，監(jiān)測的參量需求重點(diǎn)不同，因此，需要一種綜合量測統(tǒng)一平臺，實(shí)現(xiàn)對光纜線路的全面監(jiān)測。分布式光纜傳感原理如圖1所示。

圖1 分布式電力光纖多參量綜合量測

2 電力光纜網(wǎng)多參量量測設(shè)計(jì)

對于工程中實(shí)際應(yīng)用的分布式光纖傳感技術(shù)，按照其傳感原理有：瑞利光時域散射、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?yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)，在電力行業(yè)，普遍應(yīng)用的有：OTDR，主要用于電網(wǎng)通訊光纜的損傷點(diǎn)檢測；ROTDR，主要用于輸電線路的溫度監(jiān)測，進(jìn)而拓展到輸電線路基于溫度的火災(zāi)和動態(tài)載流量監(jiān)測技術(shù)；BOTDR和BOTDA，主要應(yīng)用于輸電線路的溫度和應(yīng)變監(jiān)測，該技術(shù)在輸電線路的弧垂、溫度、應(yīng)變變形同時監(jiān)測方面具有很高的應(yīng)用價值。對于瑞利光時域散射、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(xù)分布監(jiān)測的特點(diǎn)，獲得時間和線性空間上的二維信息分布，對大型基礎(chǔ)工程設(shè)施及設(shè)備表面的典型部位進(jìn)行感知、遠(yuǎn)程監(jiān)測，不需構(gòu)成回路或雙路，工程現(xiàn)場應(yīng)用方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是以綜合多種量測的功能設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一量測，數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，工程上可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一部署，從而降低整個系統(tǒng)的開發(fā)工作量和工程安裝成本。

2.1 光衰量測

光時域反射技術(shù)利用向光纖中發(fā)送光脈沖，同時在同步時鐘的控制下通過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(tǒng)中應(yīng)用最多的一種監(jiān)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(yīng)用。其原理是利用同步時鐘記錄探測光信號在光纖中的往返時間，由于每個時間點(diǎn)對應(yīng)光脈沖在光纖中傳播的位置，從而實(shí)現(xiàn)對光纖沿線故障點(diǎn)的識別和定位。光時域反射儀的測量過程如圖2所示。

圖2 光時域反射儀光衰監(jiān)測方案

2.2 溫度和應(yīng)力量測

布里淵散射是指光源發(fā)出的光波與介質(zhì)內(nèi)的彈性聲波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象[5]。光纖溫度量測是近年利用布里淵散射原理發(fā)展起來的長距離分布式光纖傳感技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)對溫度和應(yīng)變進(jìn)行量測，對應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備可分為環(huán)路測量的布里淵光時域分析儀BOTDA以及單端測量的布里淵光時域反射計(jì)BOTDR。BOTDR進(jìn)行量測時，采用單端輸入探測光方法，利用探測光在傳輸過程中的布里淵散射來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，但隨著距離增長，返回的布里淵光強(qiáng)度會變?nèi)酰盘枡z測難度大。而BOTDA進(jìn)行量測時候，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(xiàn)的光纖溫度量測是通常采用單模光纖，實(shí)現(xiàn)長距離分布式溫度和應(yīng)變監(jiān)測，測量精度、空間分辨率等指標(biāo)更優(yōu)，可以實(shí)現(xiàn)全程±1℃、1 m的測溫性能?；诓祭餃Y散射效應(yīng)的分布式光纖傳感系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 基于布里淵散射效應(yīng)的分布式光纖傳感器方案

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(xiàn)溫度監(jiān)測。在脈沖光在光纖中傳輸時，散射信號是連續(xù)，利用OTDR計(jì)算散射點(diǎn)位置，從而得到光纖沿線的溫度分布[6-7]。

2.3 振動量測

光纜分布式振動量測常用的是基于相位敏感OTDR技術(shù)的原理?當(dāng)由聲音或物體振動產(chǎn)生的壓力施加于傳感光纜時，將會同時引起光纖的振動，由于介質(zhì)中應(yīng)力波的存在可改變介質(zhì)的介電常數(shù)或光折射率，影響光在介質(zhì)中的傳播，導(dǎo)致傳感光纖振動處的光纖折射率發(fā)生變化，因而引起傳感光纜中傳輸光的相位改變[8-9]。將光纖作為相位調(diào)制元件,根據(jù)光學(xué)原理，由于外界的振動同時引起光纖振動，光纖中散射光的相位將會發(fā)生變化，通過監(jiān)測光纖返回的瑞利散射信號的變化，對同一監(jiān)測點(diǎn)上的不同時刻的返回信號特征值進(jìn)行分析監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)整段光纜振動信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，再通過OTDR技術(shù),將對應(yīng)的各采樣點(diǎn)返回的時間來換算成距離，實(shí)現(xiàn)振動位置的準(zhǔn)確定位，也可通過測量注入的脈沖與接收信號之間的時間延遲計(jì)算振動位置[11-12]。

2.4 多參量量測平臺開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

依照系統(tǒng)實(shí)際需求，系統(tǒng)中集成三種測試模塊，OTDR模塊量測光衰，BOTDR測試模塊量測應(yīng)力和溫度，Φ-OTDR測試模塊量測振動，集成該三種量測模塊的一體化設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對電力光纜線路的主要參數(shù)的全覆蓋監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)光纜線路的全方位感知，將量測結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，存入數(shù)據(jù)庫中，方便后期的調(diào)用分析。該量測平臺同時可以接入其它類型的量測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 多參量量測平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)中，傳感單元包括電纜光纖線路的備用光纖，電纜光纖本身作為一個傳感器單元，實(shí)現(xiàn)光纖線路的分步式量測，其它傳感單元將采用外置式，通過網(wǎng)絡(luò)接入綜合處理中心，綜合監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感，數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理實(shí)現(xiàn)歸一化后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存檔，多參量綜合監(jiān)測平臺軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中展示，并實(shí)現(xiàn)策略定制，GIS展示等[13-14]。

2.5 工程施工方案

在硬件設(shè)計(jì)上面，主要是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的傳感設(shè)備集成，通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同參量的量測功能和被測線路切換，通過處理平臺軟件實(shí)現(xiàn)輪詢測試、手工測試、事件觸發(fā)測試等， OTDR光衰量測設(shè)置輪詢測試的周期為12小時，對與參考曲線進(jìn)行后臺對比，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)奇異點(diǎn)，對該數(shù)據(jù)存儲。BOTDR模塊實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力監(jiān)測，溫度和應(yīng)力監(jiān)測相對變化較慢，可以在線路空閑時候切換到BOTDR模塊，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測。振動監(jiān)測通常發(fā)生時間比較短，在電力系統(tǒng)中，通常出現(xiàn)電力認(rèn)為破壞的主要因素為城市施工，因此,對振動監(jiān)測主要集中在白天。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在一根纖芯上實(shí)現(xiàn)多種功能量測。方案如圖5所示。

圖5 多參量監(jiān)測工程實(shí)施方案示意圖

該方案兼顧到了多個參量監(jiān)測的靈活切換，同時又兼顧到了監(jiān)測線路覆蓋，通過兩級獨(dú)立的光開關(guān)級聯(lián)，每個光開關(guān)獨(dú)立控制，能夠很好完成監(jiān)測任務(wù)。接觸結(jié)果在后臺做統(tǒng)一的歸一化處理，后后臺應(yīng)用系統(tǒng)分析使用[15-16]。

2.6 軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件開發(fā)基于主流的BS架構(gòu)，主要分為后臺服務(wù)部分、數(shù)據(jù)庫、瀏覽器。后臺服務(wù)包含3個模塊：通信服務(wù)模塊、應(yīng)用服務(wù)模塊、GIS服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測試的總體調(diào)度與設(shè)備控制，接收外部告警，數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果的采集比對，策略和監(jiān)測規(guī)則定義、業(yè)務(wù)處理，數(shù)據(jù)解析等，同時在后臺服務(wù)部分實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的GIS集成、對外提供標(biāo)準(zhǔn)的WMS服務(wù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)量測結(jié)果和空間精確定位的計(jì)算等。數(shù)據(jù)庫包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的存儲，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫存儲測試路由光路相關(guān)信息，量測結(jié)果，測試參數(shù)等?；氐貓D數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的儲存以及空間計(jì)算。各模塊的功能如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

在功能獨(dú)立的軟件開發(fā)平臺，每個量測系統(tǒng)要求的功能不一樣，都有各自的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一體化平臺主要目的是實(shí)現(xiàn)多個量測參量的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，因此需提取各類型監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)結(jié)果的共性，將多個監(jiān)測平臺的監(jiān)測結(jié)果在一個統(tǒng)一的平臺處理展示[17]。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行一致化處理，將結(jié)果序列化為統(tǒng)一的格式，兼容第三方軟件。該多平臺系統(tǒng)中，系統(tǒng)光功率和時間軸(對應(yīng)的距離)二維數(shù)據(jù)，反射信號和長度的對應(yīng)，最終結(jié)果是通過曲線以及對曲線的分析為主，為保證不同參量平臺的監(jiān)測結(jié)果文件格式兼容，又能結(jié)合電力系統(tǒng)特色的業(yè)務(wù)特點(diǎn)。文件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：數(shù)據(jù)目錄塊存儲整個文件的模塊信息，包括每個塊的大小，標(biāo)識；通用信息塊標(biāo)識存儲設(shè)備信息，用于記錄本次量測使用的設(shè)備模塊，以及對應(yīng)的廠家信息；量測參數(shù)塊記錄本次量測使用的量測參數(shù)；事件塊記錄本次量測后分析的事件列表或?qū)?yīng)的事件位置；由于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對光路的連續(xù)監(jiān)測，因此連接模塊記錄對應(yīng)的光路上對應(yīng)的物理連接點(diǎn)；數(shù)據(jù)點(diǎn)將采用16進(jìn)制存儲，節(jié)約存儲空間；測試類型記錄本次量測方法對應(yīng)的傳感類型等；業(yè)務(wù)參數(shù)記錄當(dāng)前測試的光纜上當(dāng)前所承載的業(yè)務(wù)類型，等級等。本系統(tǒng)中使用的文件格式設(shè)計(jì)如表1所示。

通過表1的統(tǒng)一格式文件，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，后臺自動確定數(shù)據(jù)是否存儲到數(shù)據(jù)庫中，并在后臺解析完成后，瀏覽器端展示效果如圖7所示。

3 統(tǒng)一量測平臺應(yīng)用分析

統(tǒng)一量測平臺與傳統(tǒng)的監(jiān)測平臺相比，采用全新的BS框架，通過權(quán)限配置，實(shí)現(xiàn)不同用戶的對數(shù)據(jù)的分級數(shù)據(jù)瀏覽，保證了用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全。本平臺對物理資源和邏輯資源數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一的管理，通過 監(jiān)控，測試路由，光纜資源三個不同的資源樹從不同的管理角度實(shí)現(xiàn)對資源分類分層，所有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理維護(hù)。光纜資源實(shí)現(xiàn)物理資源如機(jī)房、光纜段、交接箱、電力人井、桿塔等基礎(chǔ)的錄入，測試路由實(shí)現(xiàn)邏輯資源如路由拓?fù)涞慕?，監(jiān)控實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)上監(jiān)測設(shè)備的錄入。因此，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即減少了系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入，又為其它的監(jiān)控系統(tǒng)提供擴(kuò)展接口，具有良好的擴(kuò)展性[18]。

表1 監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)模型

圖7 統(tǒng)一監(jiān)測平臺系統(tǒng)主界面

4 結(jié)語

結(jié)合電力光纜網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測參量的特殊要求，分析并總結(jié)了電力光纜網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的各種監(jiān)測的主要原理，以及各種監(jiān)測的不同應(yīng)用場景，為便于施工方便，降低施工成本，設(shè)計(jì)了一套可行的多參量監(jiān)測設(shè)備并實(shí)現(xiàn)對電力光纜的主要參量全方位監(jiān)測，在數(shù)據(jù)處理部分，采用歸一化數(shù)據(jù)處理方式，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)一存儲和解析，最后通過后臺處理和分析軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和結(jié)果的關(guān)聯(lián)展示。本平臺的開發(fā)思路可以為類似的監(jiān)測平臺開發(fā)提供思路。