Φ-OTDR 技術(shù)在光纜故障快速定位中的應(yīng)用研究

祝視， 鄭惠敏， 王海燕

(1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司信息通信分公司 湖南 長沙410004；2. 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙410004；3. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電公司， 湖南 長沙414000)

0 引言

在電力系統(tǒng)中, 光纖通信是最重要的一種傳輸方式。 每個(gè)站點(diǎn)的通信設(shè)備通過光纖作為傳輸媒介, 滿足了電網(wǎng)各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)配置和實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要。 然而, 光纖作為連接不同站點(diǎn)的通信設(shè)備經(jīng)常被外力破壞, 目前仍缺乏有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控方法感知光纜運(yùn)行狀態(tài)[1-2]。

光纖既是傳輸媒介也是傳感元件, 利用光在光纖中傳輸時(shí)的全反射效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸, 而利用光在光纖中傳輸?shù)纳⑸湫?yīng)可以實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感, 光纖傳感可以實(shí)現(xiàn)空間上的連續(xù)探測, 這一點(diǎn)在地鐵隧道入侵檢測、 水利工程和管道工程方向均有比較成熟的應(yīng)用[3-5]。

光在光纖中傳輸存在瑞利散射、 布里淵散射、拉曼散射三種效應(yīng)[6-8], 依托這些效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)光纜各點(diǎn)振動(dòng)、 應(yīng)力和溫度狀態(tài)的監(jiān)測, 普通OTDR(Optical Time Domain Reflectometer, 光時(shí)域反射儀) 利用瑞利散射感知散射信號(hào)的功率損耗情況獲知光纜故障位置, 同一時(shí)刻只能測試一根光纖,且由于光纜在溝道中存在余纜, 其測出的故障位置往往與預(yù)估的地理位置有差異, 給巡線定位帶來困難。 Φ-OTDR (相位敏感型光時(shí)域反射) 技術(shù)[9],可檢測到光纜某位置受到振動(dòng)時(shí)相位發(fā)生變化, 進(jìn)而導(dǎo)致散射信號(hào)幅度發(fā)生變化, 信號(hào)經(jīng)解調(diào)后可直觀看出幅度與位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 基于這項(xiàng)技術(shù), 在光纜故障時(shí)通過敲擊光纜人為制造振動(dòng)可獲取當(dāng)前位置與中心站的距離信息, 利用人為制造振動(dòng)時(shí)的已知位置信息避開光纜余纜影響, 實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的快速定位。

1 基于相干檢測的Φ-OTDR 技術(shù)原理

Φ-OTDR 通過分析散射光的信號(hào)可監(jiān)測光纜附近的振動(dòng)信息, 其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于相干檢測的Φ-OTDR 系統(tǒng)架構(gòu)

窄線寬光源產(chǎn)生的光信號(hào)在發(fā)射耦合器中分成兩部分, 一部分作為本地參考光進(jìn)入接收耦合器,一部分作為發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后進(jìn)入EDFA(摻鉺光纖放大器), 放大后的信號(hào)進(jìn)入環(huán)形器,再由光開關(guān)注入特定光纖中。

本文的Φ-OTDR 系統(tǒng)是基于相干檢測的[10],與傳統(tǒng)直接檢測方式不同, 相干檢測并不是直接檢測散射回來的瑞利光信號(hào), 而是散射回的信號(hào)經(jīng)光開關(guān)后送到環(huán)形器中, 再到接收耦合器中與本地參考光信號(hào)進(jìn)行拍頻[11-12], 拍頻之后的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)平衡探測器, 得到拍頻信號(hào)的交流部分。

從光纖中反射回來的信號(hào)光是瑞利散射光干渉疊加的結(jié)果, 接收耦合器從環(huán)形器接收到的瑞利散射光信號(hào)可表示為:

式中,ES是散射光的振幅；ΦS是散射光的相位；ω是入射光的角頻率, Δω是調(diào)制器引入的頻率偏移。本地參考光是從光源直接引入的光, 表示為:

經(jīng)過接收耦合器, 散射光與參考光發(fā)生拍頻,得到的耦合器兩路輸出光信號(hào)的相位相差180°,表示為:

φ(t) 即參考光與散射光之間的相位差φ(t)＝ΦR(t)- ΦS(t) 。

拍頻之后的信號(hào)經(jīng)平衡探測器, 可得:

光信號(hào)經(jīng)過平衡探測器之后, 既濾除無效噪聲成分, 又提高散射光的信號(hào)強(qiáng)度。 當(dāng)光纜某個(gè)位置受到外界擾動(dòng)時(shí)光纖折射率和長度微變, 導(dǎo)致ΦS變化, 從而散射光強(qiáng)度變化。

由檢測到的散射信號(hào)與入射信號(hào)時(shí)間差可定位到振動(dòng)點(diǎn), 假設(shè)在t＝0 時(shí)刻, 光信號(hào)注入光纖中,經(jīng)過時(shí)間t1在入射位置探測到散射光, 則光的傳播距離為2L＝ ( c /n)t1, 其中c 為真空光速,n為光在光纖中的折射率,L為散射點(diǎn)所處的位置,可以得出L＝c×t1/ (2n), 這樣便實(shí)現(xiàn)了散射點(diǎn)的定位, 從而進(jìn)一步獲知散射光強(qiáng)度與位置的映射關(guān)系。

2 電力通信溝道光纜運(yùn)維現(xiàn)狀

長沙城區(qū)溝道光纜有近100 條, 絕大部分都是與電纜同溝道敷設(shè), 承載了國網(wǎng)湖南省電力有限公司中心站(以下簡稱湖南省中心站) 和國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司站( 以下簡稱長沙公司站) 出口的絕大部分電網(wǎng)業(yè)務(wù)。 由于溝道光纜在線監(jiān)測水平不足, 市政施工造成光纜甚至電纜頻繁受損, 運(yùn)維壓力較大, 表1 為2018—2019年長沙城區(qū)發(fā)生的光纜非計(jì)劃中斷事件信息。

表中光纜段對(duì)端站點(diǎn)信息通過站點(diǎn)名稱首字母隱化。 經(jīng)統(tǒng)計(jì)2018—2019 年長沙城區(qū)溝道光纜被外力破壞達(dá)15 次, 比較典型的幾次故障情況見表1, 其中OTDR 平均定位時(shí)長為2. 46 h, 巡線定位到具體故障點(diǎn)的平均時(shí)長為1. 93 h, 綜合定位時(shí)間長達(dá)4. 39 h。 溝道光纜故障有以下特征[13]: 一是影響范圍較大, 往往多條光纜同時(shí)中斷, 且影響的光路重要等級(jí)高； 二是中斷原因主要以市政施工機(jī)械挖斷為主, 這類故障外破痕跡明顯, 巡線時(shí)間短, 而非市政施工原因?qū)е碌耐馄? 鼠咬等) 因溝道外破痕跡不明顯, 巡線定位時(shí)間較長； 三是故障主要由市政施工引起, 常發(fā)生在非工作時(shí)間, 檢修人員需先到公司攜帶儀表工具后再趕到站內(nèi)測試, OTDR 定位時(shí)間較長。 總體而言, 基于普通OTDR 技術(shù)進(jìn)行光纜故障定位花費(fèi)時(shí)間較長, 在故障處置中, 不得不制定更有效的現(xiàn)場處置方案, 將重要光路或業(yè)務(wù)先迂回?fù)屚? 再修復(fù)光纜, 最后通過計(jì)劃檢修將重要光路或業(yè)務(wù)調(diào)回原方式, 這種處置流程對(duì)資源的消耗較大, 影響通信網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[14-16]。

表1 2018—2019 年溝道光纜非計(jì)劃中斷事件

3 基于Φ-OTDR 的光纜故障快速定位方案

主流光纜在線監(jiān)測系統(tǒng)只能監(jiān)測1 個(gè)方向, 采用分光器雖然可監(jiān)測2 個(gè)方向, 但每多一個(gè)方向發(fā)射能量會(huì)降低監(jiān)測距離, 而基于Φ-OTDR 的監(jiān)測系統(tǒng)使用高可靠性光開關(guān), 從湖南省中心站出口選取4 個(gè)方向, 分別監(jiān)測城區(qū)東向、 西向、 北向及長沙公司附近的溝道光纜, 見表2, 光開關(guān)分時(shí)監(jiān)測每個(gè)方向溝道光纜, 高精度光源發(fā)出的光信號(hào)某一時(shí)刻只監(jiān)測一個(gè)方向, 使每個(gè)方向可監(jiān)測的光纜長度達(dá)40 km, 且每個(gè)方向均支持跳纖, 從而對(duì)城區(qū)溝道光纜進(jìn)行拉力式監(jiān)測。

表2 路由中每2 個(gè)站點(diǎn)中間的數(shù)字表示該段光纜長度, 單位為km, E、 W、 N、 S 表示具體站點(diǎn)。通過優(yōu)化路由設(shè)計(jì), 將湖南省中心站及長沙公司中心站所有出口光纜納入監(jiān)測范圍。

表2 長沙城區(qū)光纜監(jiān)測方案

4 實(shí)施效果

為驗(yàn)證技術(shù)效果, 對(duì)納入監(jiān)測的光纜段開展了試驗(yàn), 通過人工敲擊光纜的方式模擬光纜受到振動(dòng)刺激, 驗(yàn)證監(jiān)測系統(tǒng)能否采集到有關(guān)信息。

在湖南省中心站往黎托( E1) 方向2. 4 km處、 15. 5 km 處同時(shí)進(jìn)行敲擊, 在監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測到明顯的振幅信號(hào), 如圖2 所示, 從振動(dòng)時(shí)刻曲線可以看出, 在以上2 個(gè)位置都監(jiān)測到比其他地方強(qiáng)得多的能量, 圖中96. 05、 66. 3 表示當(dāng)前位置檢測到的信號(hào)能量強(qiáng)度, 強(qiáng)度大小與敲擊光纜的力度有關(guān)。 其他位置的信號(hào)能量很小, 受車輛經(jīng)過等其他類型振動(dòng)干擾影響, 曲線不平緩, 視為噪聲。

圖2 湖南省中心站—黎托信號(hào)曲線

光纜相應(yīng)位置受外力振動(dòng)將在監(jiān)測系統(tǒng)中產(chǎn)生告警, 此外, 光纜中斷后監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出的光信號(hào)將在故障點(diǎn)受到強(qiáng)反射, 同時(shí)故障點(diǎn)后的任何振動(dòng)信號(hào)均無法被系統(tǒng)監(jiān)測到, 監(jiān)測系統(tǒng)可以通過這2 種方式實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)OTDR 的初步定位功能。 通過查閱《光纜纖芯資源表》 及《光纜地理接線圖》 可將故障定位到具體的光纜段, 同時(shí)聯(lián)系運(yùn)維單位直接巡線確定故障點(diǎn), 無需再用OTDR 進(jìn)行初步定位。

通過監(jiān)測系統(tǒng)提供的大致位置信息開展巡線,在故障點(diǎn)前(靠近湖南省中心站) 任意位置的敲擊信號(hào)均可以被平臺(tái)檢測到, 檢測精度在10 m 以內(nèi), 而故障點(diǎn)后的敲擊信號(hào)無法被平臺(tái)檢測, 故巡線定位可以采用二分法, 快速逼近故障點(diǎn), 經(jīng)測試巡線定位的時(shí)間可縮短至0. 5 h, 考慮到運(yùn)維人員趕往現(xiàn)場的時(shí)間大約為1 h, 采用本方案后綜合定位時(shí)間為1. 5 h, 從時(shí)間上看光纜故障定位處置效率提高了65. 8% ( (4. 39-1. 5) / 4. 39)。

故障點(diǎn)被快速定位后, 通過開展城區(qū)光纜故障應(yīng)急演練, 加強(qiáng)光纜應(yīng)急物資儲(chǔ)備, 提高應(yīng)急隊(duì)伍人員光纜修復(fù)技能水平, 可全方位縮短光纜故障時(shí)間, 從而與上級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)直接修復(fù)光纜, 無須對(duì)光路或業(yè)務(wù)迂回?fù)屚? 將故障定位-業(yè)務(wù)迂回-光纜修復(fù)-提報(bào)檢修計(jì)劃-調(diào)回原方式整個(gè)流程精簡為故障定位-光纜修復(fù), 可最大限度降低光纜故障對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行方式的影響, 提升通信網(wǎng)運(yùn)維效率。

5 結(jié)語

基于Φ-OTDR 的溝道光纜防外破監(jiān)測系統(tǒng)充分考慮電力系統(tǒng)實(shí)際, 將系統(tǒng)直接與在運(yùn)光纜中的某一空余纖芯相連, 即可對(duì)多個(gè)方向的溝道光纜同時(shí)開展在線監(jiān)測, 系統(tǒng)操作簡單, 既減少工程施工復(fù)雜度, 又使監(jiān)測范圍大大提高。 由于該系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別人工敲擊振動(dòng)信號(hào)位置, 在日常運(yùn)維中可對(duì)故障點(diǎn)快速定位, 有效減少埋地光纜修復(fù)過程中尋找地下斷點(diǎn)的難度, 從而大大提高光纜故障后的應(yīng)急處置效率。 當(dāng)然, 對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用研究遠(yuǎn)不止于此, 下一步, 將運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行振動(dòng)模式識(shí)別, 對(duì)有害振動(dòng)進(jìn)行精確判定, 在光纜故障發(fā)生前對(duì)外破風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行干預(yù), 從源頭降低光纜外破概率,提高通信系統(tǒng)智能化水平, 保障電網(wǎng)本質(zhì)安全。