电力光缆健康在线监测与环境参量监测技术

万琪

（云南电网有限责任公司红河供电局，云南 蒙自 661100）

0 前言

建设“智能电网”提出将信息技术、数据通信技术、传感器技术、人工智能等有效地综合运用于电力系统中。其中基于电力光缆的数据通信技术及光纤传感技术则是“智能电网”数据传输的关键，助力电网的安全可靠与智能化运行。因此保障电力光缆的安全以及通信质量非常重要。

1 电力光缆运行现状与不足

近年来，光纤复合架空地线及自承式电力光缆在我国电力系统通信干线传输网中得到了广泛应用，是架空电力光缆的主要形式。云南地区自然条件恶劣，输电线路以及电力光缆除了要承载自身重量的机械力作用外，运行条件不仅需要穿越高海拔、多积雪、重覆冰的地区，还会受到恶劣天气（如大风、雷电）、外力、小动物等因素的影响，因覆冰、舞动以及雷击等因素引起的架空输电线及电力光缆频繁事故，一旦出现此类情况，修复时间长，费用高昂，严重影响输电线路及电力生产实时及非实时通信业务的可靠稳定传输，导致电力调度系统的不能正常运行。

2019年，红河地区光纤复合架空地线（OPGW）及自承式电力光缆（ADSS）故障共计63次，故障原因有小动物破坏、外力破坏13次、施工质量等。同时还存在OPGW受雷击或发生短路故障时，强电流会导致温度急剧上升导致熔断；OPGW覆冰、风吹舞动拉断光缆纤芯等现象。电力光缆故障频次高，严重影响电网调度工作的正常运行。

光缆故障排查采用传统方法，耗费时间长，影响电力通信通道快速恢复的要求。传统光缆故障排查现状如图1所示。

图1 传统光缆故障排查现状

2 电力光缆健康在线监测与环境参量监测技术方案

电力通信光缆安全运行是电网正常运行的重要保障，一旦出现光缆事故，将对电网生产、调度等业务造成极大的影响。在各类光缆安全事故中，多数都因光缆沿途违章开挖、野蛮施工、雷击、线路覆冰等外部因素影响，导致光缆发生事故。大多数危及电力通信光缆的隐患有一个渐进过程，在光缆遭受外部因素破坏的过程中如果可以通过提前发现、判断及预警而采取措施加以处理，将可及时、有效地发现、预防或避免事故的发生与扩大，有效降低灾害造成的损失。因此，对电力光缆进行安全健康在线监测，及时发现故障并发出预警尤为重要。

国内外传统的电力光缆监测预警方案主要有人工巡检法、称重法，模拟导线法和图像监测法。但人工巡检法劳动强度大，成本高，检测结果与实际差距很大；称重法采用的拉力传感器存在非线性、蠕变、零点漂移等问题；模拟导线法中的模型在实际运行时不能完全区分是由风荷载还是冰荷载导致的拉力变化，无法反应不均匀覆冰现象；图像监测法的观测视场有限，且恶劣天气条件下的拍摄效果不理想，通常仅能够作为覆冰监测的辅助手段。

光纤传感技术通过检测光纤中传输光的强度、频率、相位、偏振等参量，能够实现对输电线路温度、振动等多种基础物理参量的在线监测。与电子式传感器相比，光纤传感技术具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、绝缘、易于远距离遥测、便于组网、保密性好、重量轻可微型化等优点，使得光纤传感技术有望在传统电子传感器使用受限的电力传输领域中获得广泛应用[1]。其中，利用OPGW和ADSS等传输光缆中的光纤芯作为传感媒介的分布式光纤传感（DOFS）技术，可以实现对光纤沿线多种参量的长距离、实时在线连续监测，实现对电力通信安全的保障。首先实现对电力光缆纤芯健康度的在线监测，包括已运行业务的纤芯和备用纤芯；监测参数包括光纤损耗，连接头损耗，反射点/弯折点等，光纤监测长度>150km。然后试验光纤传感技术，实现电力光缆自身运行安全监测，包括：

1）OPGW熔断监控：当OPGW受雷击或发生短路故障时，强电流会导致温度急剧上升导致熔断，通过对线路上的温度和传输光信号的SOP的分布式监测，识别事件的发生与地点；

2）OPGW及ADSS光缆覆冰、风吹舞动拉断、外力破坏等监控，根据受应力等参量变化预警断缆、倒塔等事故发生，保障通信与输电安全；

3）结合人工智能机器学习，实现事件准确识别，降低预警误报率。

通过调研及技术分析，充分利用现有通信网络资源来进行电力光缆进行安全健康在线监测是一种行知有效的方法。在红河电网中，光传输A网为华为OSN系列组成的光传输网络，我们研究在华为OSN系列升级的设备上开发支持光监控信道的处理、再生等功能和特性的单板，实现对电力光缆安全健康在线监测，这一方案可行性、安全性的好，利用现有通信资源来实现该方案，可节约大量的投资。电力光缆监控场景如图2所示。

图2 电力光缆监控场景

3 电力光缆纤芯健康在线监测实施方案

应用瑞利散射技术，通过光时域反射仪向被测光纤发射光脉冲，检测光纤中返回的瑞利散射及菲涅尔反射数值，时时监测补测光纤的长度及损耗等物理特性，并借助智能光纤监控管理系统对数据分析判断，当监测纤芯发生质量变化时，可及时、精确定位纤芯质量变化的故障点，实现对运行光缆纤芯故障提前预警并及时做出处理措施的目的[2]，图3为光纤故障监测与定位技术。

图3 光纤故障监测与定位技术

3.1 对于已运行业务光缆纤芯质量监测

有业务运行的光缆纤芯直接影响电力生产实时及非实时通信通道、生产管理通信通道等的稳定可靠性，因此必须对已运行业务光缆纤芯进行质量健康状态监测。为不影响光缆纤芯上业务的正常运行，对光缆纤芯监测采用非业务波长探测信号（例如1491 nm、1510 nm），耦合入已运行业务光纤，在不干扰正常电力通信前提下，实时监测该光纤的健康状态[3]。

华为OSN系统产品中，AST4单板属于光监控信道类单板，应用于实现对两个方向的两路光监控信号的收发控制。AST4单板还支持IEEE 1588v2同步时钟处理功能，两路FE信号的透传以及线路光纤质量探测功能。光监控通道不限制2个光线路放大器之间的距离，线路放大器失效不影响光监控通道性能。该单板相对主控板是独立的，即它在主控板不在位的情况下，仍然可以保证本板两对光口的ECC通道自动穿通，确保对其它各站的监控。两路光监控信号光口可配置1511 nm或1491 nm波长的光模块。在华为传输网管上增加智能光纤监控管理系统，使用线路光纤质量探测功能，探测图形和数据在网管界面上显示。综合上述功能，在OSN系列升级后的传输设备上配置AST4单板，即可实现对已运行业务光缆纤芯质量监测[4]。AST4单板的应用如图4所示。

图4 AST4单板的应用

3.2 对于备用光缆纤芯的质量监测

与已运行业务光缆纤芯质量监测同理，使用华为OSN系统产品AST4单板多接口光开关分时探测各备用光纤质量。

4 电力光缆环境参量及运行安全监测

输电线路以及电力光缆除了要承载自身重量的机械力作用外，运行条件恶劣，不仅需要穿越高海拔、多积雪、重覆冰的地区，还会受到恶劣天气如大风、雷暴 等环境因素的影响，因覆冰、舞动以及雷击等因素引起的输电架空线路跳闸或通信中断事故频频发生，影响了电力系统的安全稳定运行。电力光缆环境参量及运行安全监测能够在灾害发生的早期及时发现并进行干预，可以有效降低灾害造成的损失。

利用分布式光纤传感原理，把光纤作为分布式的传感器，可通过光缆状态检测设备上的分光器切换多根监测光纤，采集光纤内传输的光信号光学基础参量（波长、频率、强度、偏振态、相位等），监测光缆沿线温度、振动等物理量，建立光学参量与架空光缆线路温度、风致振动、雷电、覆冰状态之间的关系（如图5所示），根据多维特征数据模型和特征参数的采集提取算法，建立光缆温度、振动等因素的实时多维特征数据集。实现整条光缆安全状态监测和智能判断，及时发现可能影响光缆安全运行的隐患问题[1]。

图5 覆冰雷击监测方案示意

主要监测因素包括：

1）温度监测：监测架空光缆沿线的环境温度，建立架空光缆沿线完整的温度分布曲线；对于OPGW光纤复合架空地线可实时监测电缆本体温度。

2）振动监测：通过监测OPGW光纤复合架空地线的双折射变化，实现长距离、实时的振动监测。

3）根据采集到的温度、振动等物理量，结合架空光缆温度/振动等多维特征数据模型和特征参数的采集提取算法，建立光缆温度、振动等因素的实时多维特征数据集，通过基于机器学习的模式识别技术，结合架空光缆线路所处环境、微地形数据，对有可能影响架空光缆性能的常见异常事件进行分析判断，并自动定位异常事件发生的具体地图位置或区域。

4）架空电缆环境温度分析：根据架空光缆沿线环境温度分布曲线，分析判断光缆沿线温度升降变化。根据各个点位温度发展变化趋势，自动定位发生温度异常的位置或区域，分析判断引起温度变化的外界事件。

5）盗窃与外力伤害事件分析与识别：通过监测OPGW光纤复合架空地线的振动、应变情况，实现对外界入侵的监测，并且能快速定位事件发生位置。通过分析架空光纤偏振态变化，能有效识别盗窃、破坏行为，并有效解决非接触式监测技术及其带来的误报警现象。

6）风摆分析：根据采集到的光缆温度和振动分布曲线，针对架空光缆线路所处环境、微地形数据，自动定位风摆剧烈的位置或区域，判断架空光缆随风力摆动幅度的发展趋势和严重程度。

7）异常振动事件分析与识别：根据架空光缆振动分布曲线，提取在实际环境中不同类型人为破坏激励情况下的输电线路振动特征，建立振动数据模型库，自动定位发生异常振动的位置或区域，分析判断该区域异常振动的成因。

8）雷击与闪络故障事件分析与识别：根据架空线路温度场变化，提取在实际环境中不同类型雷击和闪络故障情况下的输电线路的相关特征，基于监测数据、气象数据、线路走向、微地形等信息，绘制架空输电线路落雷分布图，构建每个档距的雷害和闪络故障预测模型，自动定位每个档距雷击位置，为雷击后光缆性能测试提供参考。

9）覆冰情况分析与识别：针对在冬季寒潮时容易发生架空光缆覆冰的地区，结合架空光缆局部温度发展趋势和振动的变化，建立整条架空光缆每个档距覆冰分布，自动定位出现覆冰现象的位置或区域，分析判断覆冰现象的发展趋势和严重程度，为覆冰巡线提供参考。

5 结束语

通过对电力光缆纤芯健康在线监测、电力光缆环境参量、安全运行监测，极大地提高电力通信光缆的运维工作效率，减轻运维工作负担，节约管理成本。同时将有效地提升通信光缆及输电线路沿途的环境变化的监测与预警，大幅提高通信和输电部门对各类环境变化的预警和处置能力，提升现场指导与处置的综合能力，保障电力通信网的安全运行，全面提升电力光缆在环境变化应对方面的安全管理工作水平。