Φ-OTDR 技术在光缆故障快速定位中的应用研究

祝视， 郑惠敏， 王海燕

(1. 国网湖南省电力有限公司信息通信分公司 湖南 长沙410004；2. 泛在电力物联网湖南省重点实验室， 湖南 长沙410004；3. 国网湖南省电力有限公司长沙供电公司， 湖南 长沙414000)

0 引言

在电力系统中, 光纤通信是最重要的一种传输方式。 每个站点的通信设备通过光纤作为传输媒介, 满足了电网各环节业务配置和实时监控的需要。 然而, 光纤作为连接不同站点的通信设备经常被外力破坏, 目前仍缺乏有效的实时监控方法感知光缆运行状态[1-2]。

光纤既是传输媒介也是传感元件, 利用光在光纤中传输时的全反射效应可以实现信号传输, 而利用光在光纤中传输的散射效应可以实现分布式光纤传感, 光纤传感可以实现空间上的连续探测, 这一点在地铁隧道入侵检测、 水利工程和管道工程方向均有比较成熟的应用[3-5]。

光在光纤中传输存在瑞利散射、 布里渊散射、拉曼散射三种效应[6-8], 依托这些效应可实现光缆各点振动、 应力和温度状态的监测, 普通OTDR(Optical Time Domain Reflectometer, 光时域反射仪) 利用瑞利散射感知散射信号的功率损耗情况获知光缆故障位置, 同一时刻只能测试一根光纤,且由于光缆在沟道中存在余缆, 其测出的故障位置往往与预估的地理位置有差异, 给巡线定位带来困难。 Φ-OTDR (相位敏感型光时域反射) 技术[9],可检测到光缆某位置受到振动时相位发生变化, 进而导致散射信号幅度发生变化, 信号经解调后可直观看出幅度与位置的对应关系。 基于这项技术, 在光缆故障时通过敲击光缆人为制造振动可获取当前位置与中心站的距离信息, 利用人为制造振动时的已知位置信息避开光缆余缆影响, 实现故障点的快速定位。

1 基于相干检测的Φ-OTDR 技术原理

Φ-OTDR 通过分析散射光的信号可监测光缆附近的振动信息, 其系统架构如图1 所示。

图1 基于相干检测的Φ-OTDR 系统架构

窄线宽光源产生的光信号在发射耦合器中分成两部分, 一部分作为本地参考光进入接收耦合器,一部分作为发射信号经调制器调制后进入EDFA(掺铒光纤放大器), 放大后的信号进入环形器,再由光开关注入特定光纤中。

本文的Φ-OTDR 系统是基于相干检测的[10],与传统直接检测方式不同, 相干检测并不是直接检测散射回来的瑞利光信号, 而是散射回的信号经光开关后送到环形器中, 再到接收耦合器中与本地参考光信号进行拍频[11-12], 拍频之后的信号经过一个平衡探测器, 得到拍频信号的交流部分。

从光纤中反射回来的信号光是瑞利散射光干渉叠加的结果, 接收耦合器从环形器接收到的瑞利散射光信号可表示为:

式中,ES是散射光的振幅；ΦS是散射光的相位；ω是入射光的角频率, Δω是调制器引入的频率偏移。本地参考光是从光源直接引入的光, 表示为:

经过接收耦合器, 散射光与参考光发生拍频,得到的耦合器两路输出光信号的相位相差180°,表示为:

φ(t) 即参考光与散射光之间的相位差φ(t)＝ΦR(t)- ΦS(t) 。

拍频之后的信号经平衡探测器, 可得:

光信号经过平衡探测器之后, 既滤除无效噪声成分, 又提高散射光的信号强度。 当光缆某个位置受到外界扰动时光纤折射率和长度微变, 导致ΦS变化, 从而散射光强度变化。

由检测到的散射信号与入射信号时间差可定位到振动点, 假设在t＝0 时刻, 光信号注入光纤中,经过时间t1在入射位置探测到散射光, 则光的传播距离为2L＝ ( c /n)t1, 其中c 为真空光速,n为光在光纤中的折射率,L为散射点所处的位置,可以得出L＝c×t1/ (2n), 这样便实现了散射点的定位, 从而进一步获知散射光强度与位置的映射关系。

2 电力通信沟道光缆运维现状

长沙城区沟道光缆有近100 条, 绝大部分都是与电缆同沟道敷设, 承载了国网湖南省电力有限公司中心站(以下简称湖南省中心站) 和国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司站( 以下简称长沙公司站) 出口的绝大部分电网业务。 由于沟道光缆在线监测水平不足, 市政施工造成光缆甚至电缆频繁受损, 运维压力较大, 表1 为2018—2019年长沙城区发生的光缆非计划中断事件信息。

表中光缆段对端站点信息通过站点名称首字母隐化。 经统计2018—2019 年长沙城区沟道光缆被外力破坏达15 次, 比较典型的几次故障情况见表1, 其中OTDR 平均定位时长为2. 46 h, 巡线定位到具体故障点的平均时长为1. 93 h, 综合定位时间长达4. 39 h。 沟道光缆故障有以下特征[13]: 一是影响范围较大, 往往多条光缆同时中断, 且影响的光路重要等级高； 二是中断原因主要以市政施工机械挖断为主, 这类故障外破痕迹明显, 巡线时间短, 而非市政施工原因导致的外破( 鼠咬等) 因沟道外破痕迹不明显, 巡线定位时间较长； 三是故障主要由市政施工引起, 常发生在非工作时间, 检修人员需先到公司携带仪表工具后再赶到站内测试, OTDR 定位时间较长。 总体而言, 基于普通OTDR 技术进行光缆故障定位花费时间较长, 在故障处置中, 不得不制定更有效的现场处置方案, 将重要光路或业务先迂回抢通, 再修复光缆, 最后通过计划检修将重要光路或业务调回原方式, 这种处置流程对资源的消耗较大, 影响通信网的稳定运行[14-16]。

表1 2018—2019 年沟道光缆非计划中断事件

3 基于Φ-OTDR 的光缆故障快速定位方案

主流光缆在线监测系统只能监测1 个方向, 采用分光器虽然可监测2 个方向, 但每多一个方向发射能量会降低监测距离, 而基于Φ-OTDR 的监测系统使用高可靠性光开关, 从湖南省中心站出口选取4 个方向, 分别监测城区东向、 西向、 北向及长沙公司附近的沟道光缆, 见表2, 光开关分时监测每个方向沟道光缆, 高精度光源发出的光信号某一时刻只监测一个方向, 使每个方向可监测的光缆长度达40 km, 且每个方向均支持跳纤, 从而对城区沟道光缆进行拉力式监测。

表2 路由中每2 个站点中间的数字表示该段光缆长度, 单位为km, E、 W、 N、 S 表示具体站点。通过优化路由设计, 将湖南省中心站及长沙公司中心站所有出口光缆纳入监测范围。

表2 长沙城区光缆监测方案

4 实施效果

为验证技术效果, 对纳入监测的光缆段开展了试验, 通过人工敲击光缆的方式模拟光缆受到振动刺激, 验证监测系统能否采集到有关信息。

在湖南省中心站往黎托( E1) 方向2. 4 km处、 15. 5 km 处同时进行敲击, 在监测系统中监测到明显的振幅信号, 如图2 所示, 从振动时刻曲线可以看出, 在以上2 个位置都监测到比其他地方强得多的能量, 图中96. 05、 66. 3 表示当前位置检测到的信号能量强度, 强度大小与敲击光缆的力度有关。 其他位置的信号能量很小, 受车辆经过等其他类型振动干扰影响, 曲线不平缓, 视为噪声。

图2 湖南省中心站—黎托信号曲线

光缆相应位置受外力振动将在监测系统中产生告警, 此外, 光缆中断后监测系统发出的光信号将在故障点受到强反射, 同时故障点后的任何振动信号均无法被系统监测到, 监测系统可以通过这2 种方式实现传统OTDR 的初步定位功能。 通过查阅《光缆纤芯资源表》 及《光缆地理接线图》 可将故障定位到具体的光缆段, 同时联系运维单位直接巡线确定故障点, 无需再用OTDR 进行初步定位。

通过监测系统提供的大致位置信息开展巡线,在故障点前(靠近湖南省中心站) 任意位置的敲击信号均可以被平台检测到, 检测精度在10 m 以内, 而故障点后的敲击信号无法被平台检测, 故巡线定位可以采用二分法, 快速逼近故障点, 经测试巡线定位的时间可缩短至0. 5 h, 考虑到运维人员赶往现场的时间大约为1 h, 采用本方案后综合定位时间为1. 5 h, 从时间上看光缆故障定位处置效率提高了65. 8% ( (4. 39-1. 5) / 4. 39)。

故障点被快速定位后, 通过开展城区光缆故障应急演练, 加强光缆应急物资储备, 提高应急队伍人员光缆修复技能水平, 可全方位缩短光缆故障时间, 从而与上级调度机构协调直接修复光缆, 无须对光路或业务迂回抢通, 将故障定位-业务迂回-光缆修复-提报检修计划-调回原方式整个流程精简为故障定位-光缆修复, 可最大限度降低光缆故障对现有运行方式的影响, 提升通信网运维效率。

5 结语

基于Φ-OTDR 的沟道光缆防外破监测系统充分考虑电力系统实际, 将系统直接与在运光缆中的某一空余纤芯相连, 即可对多个方向的沟道光缆同时开展在线监测, 系统操作简单, 既减少工程施工复杂度, 又使监测范围大大提高。 由于该系统能准确识别人工敲击振动信号位置, 在日常运维中可对故障点快速定位, 有效减少埋地光缆修复过程中寻找地下断点的难度, 从而大大提高光缆故障后的应急处置效率。 当然, 对该技术的应用研究远不止于此, 下一步, 将运用神经网络算法进行振动模式识别, 对有害振动进行精确判定, 在光缆故障发生前对外破风险进行干预, 从源头降低光缆外破概率,提高通信系统智能化水平, 保障电网本质安全。