分布式光纤传感技术助力通信线路维护智能化

赵锦辉 何涛 张成 胡莉娜 蒋燕

[摘    要]随着电力配电系统结构复杂化、规模化以及智能化趋势的不断显现，传统电力通信线路维护工作中存在的定位不准确、维护成本高以及基础工作量大等问题也在不断凸显，在很大程度上制约着电力行业的服务水平和盈利能力，因此，如何提升电力通信线路的自动化、智能化水平，成为了广大企业领导人共同关注的问题。文章在参考前人研究成果的基础上，结合笔者多年工作经验，论述了将分布式光纤传感技术应用于电力通信线路维护工作的可行性与效益性。现将相关研究结果总结于下文，以供参考。

[关键词]分布式光纤传感;通信线路;维护智能化;维护成本

[中图分类号]TP212 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）03–00–03

Distributed Optical Fiber Sensing Technology Helps

Intelligent Maintenance of Communication Lines

Zhao Jin-hui，He Tao，Zhang Cheng，Hu Li-na，Jiang Yan

[Abstract]With the continuous emergence of complex structure， large-scale and intelligent trend of power distribution system， the problems of inaccurate positioning， high maintenance cost and large amount of basic work in the maintenance of traditional power communication lines are also becoming increasingly prominent. To a large extent， it restricts the service level and profitability of the power industry. Therefore， how to improve the automation and intelligence level of power communication lines has become a common concern of business leaders. Based on the previous research results and the author's years of work experience， this paper introduces the feasibility and benefit of applying distributed optical fiber sensing technology to power communication line maintenance. The relevant research results are summarized below for the reference of readers.

[Keywords]distributed optical fiber sensing; communication line; intelligent maintenance; maintenance cost

分布式光纤传感技术具有通过感知所处环境扰动情况和振动幅度实现长距离实时监测的优势，将其应用于电力通信线路的日常维护工作中，不仅能增强线路的安全性、稳定性以及效益性，同时还可以减少运维人员的实际工作量和电力企业的运维成本。此外，随着电力通信线路建设规模和覆盖范围的持续增加，传统以人工防护为主的通信线路维护模式已表现出明显的滞后性和片面性，

例如，当通信线路发生故障时，运维人员只能通过实地查看的方式确定故障点的位置和故障产生的原因，大幅降低了通信线路维护工作的质量和效率。即使部分线路采用了普通光纤监测系统，但也只能在线路发生故障后才会发出预警，无法实现提前感知和预防线路周边安全隐患的监测目的。而分布式光纤传感技术是1种在光时域反射原理上构建的传感测量技术，可实现动态实时在线监测通信线路的运行状态。

分布式光纤传感器还具有抗电磁干扰能力强、监测范围广以及监测结果精准等优势，可准确地测量出通信线路故障点的应力大小、温度高低以及振动频率强弱等数据信息，有效降低了运维人员定位故障点和排查线路安全隐患的难度。因此，对本课题进行深入的分析与研究，具有十分重要的意义。

1 分布式光纤传感原理

光波与光介质中的粒子相互作用形成的散射现象是分布式光纤传感技术得以实现的核心原理，根据散射时光信号强度的不同，可将散射光划分为瑞利散射（Rayleigh scattering）、布里淵散射（Brillouin scattering）以及拉曼散射（Raman scattering）3种类型，3种散射光谱分布情况，如图1所示。

文章介绍的分布式光纤传感监测系统是以布里渊散射原理为基础建立的。反射光的频率略低于入射光的频率，通常用υB表示两者之间的频率差，即为布里渊频移，当出现背向布里渊散射现象时，可通过折射率n、声学学速度νa以及真空波长3个参数计算出υB的数值。具体计算公式为：

两个相反方向的波会形成1个移动的折射率光栅;反射功率越大，折射率光栅越强，有效反射率越大。当我们将探测脉冲光注入到传感光纤后，脉冲光会在做经过的区域产生背向的布里渊散射光，并沿着光纤传输路线反射回光纤入射端，此时，布里渊频移数值υB与对应位置处的光纤应变量之间的关系可进一步表示为：

式中，υB（ε）表示的是实际测量后获得的布里渊频率漂移量，υB（0）表示的是应变等于0时产生的布里渊频率的漂移量，表示的是比例系数。通常情况下，当波长为1550 nm波长时，其比例系数为493 MHz/%，此时，可根据这一数值进一步计算出光纤背向布里渊散射光的频率漂移量υB，并以此为依据确定光纤沿线的应变分布信息，最终实现分布式光纤应变传感的目的。当前市场使用最为广泛的布里渊散射分布式光纤传感监测技术包含了布里渊光时域反射仪（BOTDR）、布里渊光时域分析仪（BOTDA）以及布里渊光频域分析仪（BOFDA）3种类型，其中布里渊光时域反射仪具有只需单端注入光脉冲、不需要搜集回路光纤信息等优势，被广泛运用于环境复杂、监测距离跨度大的电力通信线路监测中，当前BOTDR仪器监测距离已达到几千米到几十千米，且应变测试精准可控制在几米至十几米的范围。

2 布里渊散射的分布式光纤传感技术的发展历程

2.1 布里渊光时域分析仪（BOTDA）

布里渊光时域分析仪（BOTDA）是以应变与布里渊频移之间的关系为依据构建的1种应变测量技术。其实现测量的流程大致如下：由激光器分别向光纤的两端注入频差和布里渊频移相等的泵浦光，利用两束泵浦信号强度之间的差異，进一步放大布里渊散射光的信号强度。根据布里渊散射光产生的信噪比、动态范围等数据，明确线路产生故障的原因和具体位置，且随着信噪比和布里渊散射光信号强度的不断增加，系统测量的精准度也会得到相应的提高。布里渊光时域分析仪（BOTDA）的系统构造相对复杂，且需要通过双端摄入光源、控制两个光源频率差等才能实现其测量功能，并不适用于电力通信线路的监测。

2.2 布里渊光频域分析仪（BOFDA）

布里渊光频域分析仪（BOFDA）依然是1种利用布里渊频移原理实现远程测量线路温度和应力变化情况的光纤传感测量技术，但该测量技术所使用的空间定位技术不再是传统的光时域反射仪，而是通过测量光纤复合基带传输函数实现的。这主要是由于复合基带传输函数能够显示出注入光纤的探测光振幅与泵浦光振幅之间的关系，并计算出光纤受到冲击后产生的响应情况，从而根据冲击响应环节产生的数据信息计算出通信线路的应变情况和温度值。但是，布里渊光频域分析仪依然存在着需要使用双光源、双端摄入等弊端，且使用成本高昂，因此，其在电力通信线路监测系统中的应用范围也相对较小。

2.3 布里渊光时域反射仪（BOTDR）

布里渊光时域反射仪（BOTDR）是1项在光时域反射仪基础上延伸而来的新型测量技术，它主要是通过计算发端向光纤注入光脉冲和获取背向布里渊散射光之间的时间差与光速之间的关系，确定光纤发生故障的空间位置，同时再根据光纤中光信号强度的衰减情况测量散射信号的强度。

随着温度和应变等外界因素的改变，光纤中形成的布里渊散射信号的频移和强度等也会发生相应的变化，因此，还可以运用光时域反射仪（BOTDR）测量光纤所处环境的温度信息和所受到的外力影响，且基于BOTDR的传感方式只需要使用单向光源就能实现定位故障点和判断故障点风险因素等工作目标，可帮助运维人员及时全面地掌握光纤运行状态和运行效率，在减少运维人员工作负担的同时，提升通信线路故障的处理质量和处理效率。

3 分布式光纤传感技术在通信线路维护领域的应用

3.1 通信线路健康监测

覆冰监测作为智能电网监测工作的重点和难点，是决定电网自动化和智能化水平的核心因素，受架空线路距离长、所处环境恶劣以及电磁环境复杂等因素的影响，仅仅依靠传统的监测系统和监测技术已无法实现全面、及时、准确检测架空线路实时运行情况的目的。

为有效解决上述问题，电力企业在很多新建输电线路中都铺设了光纤复合相线（optical phase conductor，OPPC）和光纤复合架空地线（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW），为将光纤传感器应用于输电线路运行状态监测领域提供了强有力的基础条件。可通过将光纤温度传感器和光纤应变传感器安装于输电线路和输电杆塔上等方式，实现对线路和杆塔的监测。

例如，当输电线路表面出现覆冰情况时，其所承受的应力就会随之变大，此时，可以根据应力的变化情况计算出线路重量的增加量，并以此为依据推算出冰层的厚度，为后期维护工作的开展提供可靠的参考依据。

可通过在电缆上安装光纤振动传感器的方式，获取线路在不同风力条件下产生的舞动情况，防止因舞动幅度过大导致杆塔倒塌的事故发生。

布里渊分布式光纤传感器还可以同时监测线路的温度和应力的变化情况，且具有传感距离长、受电磁干扰能力强以及适用范围广等优势，可有效减少线路巡检人员的工作负担。

3.2 通信线路运行环境监测

分布式光纤传感技术应用于通信线路运行环境的监测，可有效实现将电力通信线路监测模式由传统人工巡检模式转化为技术监测模式的目的，提升通信线路的运行质量和运行效率，为广大用电客户提供更加安全稳定的电力能源。此外，将分布式光纤传感技术应用于通信线路维护，还能从根本上提升线路维护工作的智能化水平，使预防、维修以及养护等工作从传统的人工模式转化为自动化、智能化的传感监控模式，大幅提升了线路维护工作的实效性和准确性。

例如，可通过对比通信线路各区域应力变化情况的方式，判断线路经过区域是否出现紧固件松动、漂浮物附着以及线路因地震、滑坡、泥石流等自然灾害断裂等情况，为准确查找和定位线路故障点提供真实可靠的参考依据。

电力通信线路作为1个统一的整体，一旦某个部位或某个区域出现故障，就会导致整个线路的瘫痪，如果不对其进行及时的维修与养护，势必会增强供电企业的实际运营成本。而以分布式光纤传感技术为基础构建的通信线路监测系统具有兼容性强、运行成本低以及测量结果精准等优势，可帮助通信线路运维人员准确定位故障位置和制定故障修复方案，确保通信线路长期处于一种安全稳定的环境中运行。

3.3 通信线路温度变化情况监测

随着用电设备的不断革新，用户对电力能源的安全性、便捷性以及稳定性等提出了更高的要求，通信线路在实际运行的过程中，常常会因为传输电流过大、电缆接头松动、绝缘层老化等原因，引起电缆表面温度升高、绝缘层或保护层发生阴燃等安全风险，不仅无法满足广大用电客户的实际用电需求，还大幅增加了供电企业的运维成本。由于电缆在发生短路故障之前往往会产生大量的热量，所以，如果能及时掌握线缆温度的变化情况，就能提前发现和消除安全隐患，确保通信线路的正常运行。

传统的电缆监测技术采用的是感温电缆技术，很难实现准确测量电缆温度、实时报送电缆温度以及远程监测电缆温度等监测目的。而基于分布式光纤传感技术构建的电缆温度测量系统，不仅可以准确测量温度异常的故障区域，还能判断出温度变化的速度和分析出制约电缆流量的具体原因，可实现及时发现和预防电缆故障的监测目的。

分布式光纤传感技术构建的测温系统还能根据温度的变化情况判断电缆表面的结构、电缆线芯的温度以及电流量的变化情况等信息，使运维人员能够快速的确定电缆的运行状态，并及时采取调整负荷电流等方式增强电缆的安全性和稳定性。

4 结束语

在分布式光纤传感技术日益成熟、大数据智能算法不断完善等因素的共同作用下，通信线路监测系统的精准性、安全性、稳定性以及效益性等都得到了显著的提升，使电力企业能够在控制线路运维成本的同时，及时发现和处理线路中出现的故障。且该通信线路監测系统还具有监测距离长、抗电磁次干扰能力强等优势，可满足不同环境下通信线路的监测和维护需求，值得在今后的工作中不断推广和使用。通信线路运维人员，也应当树立终身学习的意识，在今后的工作中不断总结和积累工作经验，积极完善自身的专业技术和业务水平，以便于可以最大限度地发挥分布式光纤传感监测系统在电力通信线路监测中的作用和价值，为供电领域通信线路智能化水平的提升提供充足的人力资源保障。

参考文献

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[2] 袁莉.分布式光纤传感技术在不同领域的应用[C].中国通信学会2011年光缆电缆学术年会论文集，2011.

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[4] 梁浩，张旭苹，路元刚.基于自发布里渊散射的双路分布式光纤传感器设计与实现[J].中国光学与应用光学，2009，2（1）：60-64.