基于分布式光纤传感的电缆安全状态在线监测_熊川羽.pdf

控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications基于分布式光纤传感的电缆安全状态在线监测熊川羽,明 月,熊 一,李智威(国网湖北省电力有限公司经济技术研究院，湖北 武汉 430000)摘要:为提升在电力传输中电缆运行状态监测准确性，提出了基于分布式光纤传感的电缆安全状态在线监测方法。该方法采用分布式光纤传感技术采集拉曼散射光信号和瑞利散射光信号，通过拉曼散射光信号获取电缆温度，实现温度在线监测，通过瑞利散射光信号获取电缆温振动情况，然后通过电缆温度和振动情况描述电缆当前所处安全状态，最后通过具体测试实验分析本文方法的电缆安全状态在线监测。结果表明所提方法可以对电缆安全状态进行准确在线监测，电缆安全状态在线监测效果要优于对比方法，具有更高的实际应用价值。关键词:分布式光纤传感；电缆安全状态；拉曼散射；瑞利散射中图分类号：TP277;TP212.4文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)06-0020-04Online Monitoring of Safety Status of CableBased on Distributed Optical Fiber SensorXIONG Chuan-yu,MING Yue,XIONG Yi,LI Zhi-wei(China National Network Hubei Electric Power Co.,Ltd.,Institute of Economics and Technology,Wuhan 430000 China)Abstract:In order to improve the accuracy of cable operation monitoring in power transmission,an online monitoring method of cable safe-ty status based on distributed optical fiber sensor is proposed.The method uses distributed fiber sensing technology to collect theRaman scattering light signal and Rayleigh scattering light signal,and obtains the cable temperature through the Raman scatteringlight signal,realizes the on-line temperature monitoring,obtains the cable temperature and vibration through the Rayleigh scatter-ing light signal,and then describes the current safety state of the cable through the cable temperature and vibration,Finally,the pa-per analyzes the cable safety status online monitoring through specific test experiments.The results show that the method can ac-curately monitor the cable safety status online,and the online monitoring effect of cable safety status is better than the compari-son method,and has higher practical application price.Keywords:distributed fiber sensing;cable safety status;Raman scattering;Rayleigh scattering收稿日期:2021-07-08DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）06-0020-04.1引言电力技术高度发展，高压电缆从空中到地下均大范围铺设，众多城市和周边区域都使用地下隧道输送电力的形式1。通常情况下，电缆所处环境存在诸多干扰因素，如大风、冻害、雷击、强降水等天气因素都会影响输电线路空芯电缆出现故障或者影响监测设备的工作效率，干扰电力系统稳定运行，一旦输电线路受到自然灾害破坏会导致出现大面积停电的情况，直接对各类生产建设造成影响，导致严重经济损失3-5。常规监测设备和预警设备易受干扰无法实现准确电缆监测2。当前已有对于电缆安全监测中有学者提出高压电力电缆轨迹法在线监测方法6，该方法把信号拟合成轨迹图，根据轨迹图特征参数变化情况判断电缆故障，尽管该方法能够实现电缆状态的检测，但是精度方面存在一定欠缺；还有学者提出基于低频信号注入法的电缆绝缘在线监测，通过低频信号注入法测量响应低频介质损耗判断故障，该方法在实际使用时受到各种因素制约，存在监测结果波动较大的情况7。为了更好对电缆安全状态进行在线监测，设计了基于分布式光纤传感技术的电缆安全状态监测方法，并通过具体实验分析其监测效果。2基于分布式光纤传感的电缆在线监测方法2.1电缆安全状态在线监测原理分布式光纤传感器使用分布式光纤探测技术，其排列布局传感光纤沿场获取随时间变化的信息和被测场的空间分布8，其工作原理是结合利用传输信号介质和光纤传感敏感元件，探测沿光纤不同位置变化的温度与应变，获取分布式的测量结果9-11。分布式光纤传感器提取出的是光信号，该过程中不会受到电磁干扰，同时监测出周围环境导致的电缆温度和振动变化。目前市场上的分布式光20自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications纤传感器包含三种，分别为拉曼光纤作为基础的传感器、瑞利光纤作为基础的光纤传感和布里渊作为基础的光纤传感器，其中拉曼光纤作为基础的传感器在监测温度反应尤其敏感，瑞利光纤作为基础的光纤传感对振动信号敏感，能够监测被测光纤各点的振动情况，符合电缆监测需求被应用于光缆安全状态监测。电缆和输电线路在运行时存在诸多复杂影响因素，如果只对个别物理量的变化情况实行测量，监测结果不够准确，所以需要从温度和振动情况多个角度监测电缆运行的安全状态。基于分布式光纤传感的电缆安全状态在线监测系统工作原理图如图1所示。图1分布式光纤传感的电缆安全状态在线监测原理2.2数据采集与预处理通过多参量光时域传感反射能够同时采集拉曼散射信号和瑞利散射信号，同步测量被测管线点的温度和振动，获得运行状态结果，多参量光时域传感反射数据采集的流程见图2。图2数据采集流程90:10耦合器接受在线宽光源发射的光波，将光波划分成两路，强度调制器把90%的光调制成脉冲光，经掺饵光纤放大器和光学滤波器实行放大和波形处理，形成探测脉冲光，传输到已有光缆实行传感，同时此探测脉冲光只需要占据单根光纤。该探测脉冲光在光纤内生成白象散射信号经过环形器返回后由50:50耦合器接受；另一路50%的光归为参考光经过声光调制器加载40 MHz移频在50:50耦合器和信号光混合在一起，经高频响应的双平衡探测器实行外差相干检测，获得混合信号，分别为40 MHz中频信号与12 GHz频率的射频信号。电压放大器将混合信号放大后传导至双通带滤波器，划分成中频信号和射频信号。其中射频信号是拉曼信号，经一系列信号解调系统解调后经DAQ采集卡转换成数字信号；中频信号是瑞利散射信号，经过中频放大器与带通滤波器处理后也由DAQ采集卡转换成数字信号。数字处理模块处理采集后的数据获取温度和振动掺量，将结果输入到计算机开展后续处理。数据采集主要采集拉曼北向散射光信号和瑞利背向散射光信号，通过这两种信号同时监测光纤的温度和振动变化，解决多参量同步监测问题。2.3基于拉曼散射分布式传感的温度监测温度信号强调散射光谱信号内的Anti-Stocks(反斯托克斯)散射光强度，Anti-Stocks散射光携带散射区的温度信息，通过时域反射技术得到沿光纤长度方向的拉曼散射信息，获得分布式光纤温度监测。尽管瑞利散射光主要用于振动信号的监测，但是在温度信号监测阶段，同样需要使用瑞利散射光协助拉曼信号。当温度t与初始温度t0相等时检测出整段传感光纤的瑞利散射光功率曲线和Anti-Stocks拉曼散射光功率曲线：(1)(2)式中，QAS(t)与QR(t)分别表示后向Anti-Stocks拉曼散射光功率和后向瑞利散射光；v与E0分别表示光在光纤中的传输速度和泵浦光脉冲的能量；j和v分别表示普朗克常数和光纤拉曼频移量；AS与AS分别表示反向Anti-Stocks拉曼散射光散射系数和光纤单位上次上后向瑞利散射光；L和0分别表示测量起始点到对应光纤上某个测量点的距离和入射泵浦光；k与分别表示波尔兹曼常数和光纤中单位长度上的后向瑞利散射光。对式(1)和式(2)进行比较得到式(3)。(3)根据式(3)的对比结果，对任意时刻监测得到的瑞利21控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications散射光功率曲线和Anti-Stocks拉曼散射光功率曲线实行对比得到式(4)。(4)式(3)是t0时刻两条曲线的比较结果；式(4)是t时刻两条曲线的比较结果，以此为基础实行比较和反算获取温度分布曲线：(5)式中，t和t0分别表示测量点的绝对温度和已知参考温度值。2.4基于瑞利散射分布式传感的振动监测窄性宽光源存在强相干特性，这种特性会导致背向瑞利散射光出现干涉情况，造成背向瑞利散射光功率出现波动，这种波动被研究者称为相干衰落噪声。瑞利分布影响相干衰落噪声强度，尽管如此，仍旧能够保证相位呈现均匀分布状态。稳定状态下，光纤瑞利散射强度变化规律一般不会发生剧烈变化，使用常见方法不能累加平均消除干扰因素。一旦光纤某一段出现振动与对应光纤长度和折射率会发生明显变化，导致干涉作用下振动段光纤中各个散射点生成的散射光相位关系出现背向散射光起伏，外部振动频率与背向散射光强度变化情况高度相关。对注入探测光脉冲和接受散射光信号二者间的时间延迟实行测量来得到振动段位置。假如存在足够良好相干性的光源，使用一维脉冲响应模型描述传感光纤返回的后向瑞利散射光，使用式(6)描述电场强度ER(s)。(6)式中，与Es分别表示脉冲光角频率和信号强度，v表示相位。假如传感光纤中某一段出现扰动，会在光纤中引入相位变化，振动幅度直接影响振动大小，振动位置调制后的后向瑞利散射光为：(7)通过式(7)可知振动干扰光纤导致瑞利散射光出现变化，从而通过散射光强度获得电缆的振动信息。3测试结果与分析3.1测试对象以及对比方法将某省大型变电站输电线路的电缆作为研究对象，电缆型号为BVR6。收集该变电站中电缆使用过程中真实运行数据，输入到FlexSim软件中构建真实性较强的模拟实验环境，在该环境中开展实验，并且将实验结果与真实运行数据对比，分析各项数据准确性。为使实验结果具有对比性，使用高压电力电缆轨迹法在线监测方法(简称轨迹法)和基于低频信号注入法的电缆绝缘在线监测(简称低频信号注入法)进行对比测试。为了得出覆冰状态和不覆冰状态的振动频率，运用分布式光纤传感技术进行实验，系统结构图如图3所示。图3分布式光纤传感技术系统的结构图3.2结果与分析图4为三种方法在信号采集方面的性能对比，由于电缆处于室外环境，在信号采集过程中，需要把各类自然环境因素考虑