基于光纤测振与视频监测的区间电缆防外破系统

陈太艺，曾繁祎，周 川，赵 耀，孟庆铭

（1.海南电网有限责任公司三亚供电局，海南 三亚 572000；2.杭州巨骐信息科技股份有限公司，浙江 杭州 311411）

电力电缆的外力破坏（以下简称“外破”）故障是恶意偷盗或者城市建设过程中带来的偶然性破坏，会影响到供电可靠性和供电安全性［1］。目前多采用人工定期巡检方式来预防外破，但这种方法存在较多弊端，无法从根本上预防外破的发生，因此必须采用更加科学与便捷的手段来防止外破的发生。本文为此建立一套既能完成电缆防盗，同时又能完成电缆状态实时在线监测的区间电缆防外破系统，用以解决现场电缆实时运行中出现的安全问题。

1 区间电缆防外破系统的设计思路和原则

1.1 设计思路

现阶段的电力电缆防护存在着现场环境复杂多变的情形，经常伴有施工作业、人流车流等不确定因素。为满足市区、近郊电缆布设密集区域的电缆防护，对电缆监控系统提出了全敷设段灵敏触发、精确解析入侵事件的要求。针对这些要求，确定区间电缆防外破系统采用分布式光纤浅层敷设与广角视频范围入侵事件自动识别的方案，达到振动光纤灵敏触发、视频智能监测系统识别并报警的目的［2］。

1.2 设计原则

针对利用光纤传感技术可以实时检测并能联动视频监测技术来获取电缆入侵事件现场有效信息的情况，本文提出将基于目标检测的计算机视觉和图像处理技术应用于获得的有效信息的后续处理，从而达到自动识别和分类的效果。根据这一设计原则，基于光纤测振与视频监测的区间电缆防外破系统功能设计如下。

1.2.1 外破振动事件信息的检测与采集

外破振动事件信息的采集与检测模块，也就是振动光纤报警系统，主要包含振动探测部分、入侵报警部分、模式识别部分、系统联动部分、模式切换部分、防拆保护部分、报警存储部分、故障报警部分及在线升级部分等。

（1）振动探测功能实现光缆敷设沿途发生的振动信号探测。

（2）入侵报警功能可以完成当有不同形式的外部侵入行为时，能够及时检测并反馈产生报警信号。

（3）模式识别功能的主要作用是准确识别入侵行为与干扰行为，减少系统的误触发与漏报行为的发生。

（4）系统联动功能是通过开关量、RJ45 接口输出报警信号并自由扩展声光报警仪等报警设备。

（5）模式切换功能具有布防模式、撤防模式两种探测模式。

（6）防拆保护功能具有开盖报警功能，可防止设备被恶意破坏。

（7）报警存储功能具有报警信息存储能力，最多可存储30 000 条。

（8）故障管理功能能够对系统的各种故障进行解析管理。

（9）在线升级功能能够通过RJ45 对系统进行功能升级［3］。

1.2.2 光纤-视频智能监测平台

光纤-视频智能监测平台可以实现在线监控和信息分析两大功能。在线监控功能又分为电子地图、防区画线、报警信息列表、平台报警4 个部分，而视频监控包括实时监控、预置位管理2 个部分，并且可以根据获取的视频或者照片信息自动识别出可疑对象。

此外，本文设计的光纤-视频智能监测平台拥有很好的容错性，识别精度和识别准确度相对较高，还具备优秀的抗干扰能力和可维护性。如果系统中软、硬件或者通信组件出错，以及由于操作人员或应用工程师在操作使用时发生了一般性操作错误时，系统不会立刻丧失主体功能或影响主体系统的正常工作，另外在振动信息采集、照片信息传输、存储以及分析等环节上均采取相应措施确保分析的准确性。

2 区间电缆防外破系统的关键技术

2.1 分布式光纤测振技术

分布式光纤测振技术是组成振动光纤报警系统的最核心技术。由于光纤的不均匀性，光会发生散射。当外部环境发生变化并影响到传感光纤时，光纤自身的特性会发生变化，其光纤折射率、光纤长度等将会发生微小变化，最终影响光纤内部散射信号的变化。鉴于该技术的应用背景以及成本方面的考虑，振动光纤探测报警系统采用原理相对简单的Michelson 光纤干涉回路搭建，其原理示意如图1 所示。

图1 Michelson 光纤干涉原理示意

Michelson 光纤干涉的基本原理是一束光被分成两束相同强度的光，这两束光经过不同的光路被反射回来之后相遇并发生干涉，属于双光束干涉仪。由激光器输出的相干光被1 个3 dB 光耦合器分成两束连续光，并分别注入传感光纤和参考光纤两根单模光纤中，如图2 所示。传感光纤放置在监测环境中感应外部振动信号，外部振动信号的产生引起传感光纤中光波的相位角变化。在两根单模光纤的尾端加入高反射率的反射镜，传感光纤中传输的光信号经反射镜回到光耦合器处发生干涉，形成Michelson 干涉现象。

图2 光纤入侵探测示意

在无入侵信号时，传感光纤状态是比较稳定的，接收器也会收到较为稳定的信号；当系统检测到有外部行为入侵时，光纤上会受到外界压力和振动，此时传感光纤内部激光相位就会发生变化，接收器接收到的干涉信号也随之变化。因为可以把接收器收到的干涉信号作为探测信号，所以可以对入侵动作进行实时探测，并发出报警信号。

2.2 视频联动技术

视频联动部分由联动报警继电器、球机摄像头、服务器等构成。其中联动报警继电器采用干接点常开方式，外接5 V 直流电源，当探测到的干涉光强达到设定的阈值时，就会接通，给球机摄像头+5 V 电平，将球机摄像头从休眠状态唤醒。球机摄像头内置有4G 模块，用于对所监控区域进行拍摄照片和获取现场视频信息，并通过4G 无线网络将拍摄的照片和获取到的视频信息发送到服务器主机，存储到指定文件夹。

2.3 目标检测技术

目标检测技术主要由计算机视觉部分和图像处理部分构成，主要目标检测领域包括人脸检测和行人检测。

视频智能监控系统整体示意如图3 所示。首先对视频信息或者图片进行预处理，调整合适的图片尺寸，然后将其传入卷积神经网络得出众多候选结果，最后使用非极大值抑制算法（局部最优）得出最终结果。智能视频检测系统的主要功能是将目标检测中的每个部分统一到一个独立的神经网络中，神经网络提取整幅图像的特征来预测每个边界框的位置参数及其所属目标类别。简单地说就是，该网络可以一次性地将图片中的所有目标都预测出来，基于卷积神经网络的视频智能监控系统在保证处理速度的同时，依旧能够满足较高的平均准确精度［4-9］。

图3 视频智能监控系统整体示意

3 系统实施效果

本文设计的基于光纤传感技术的电缆防外破安全预警系统在实际场景应用中具有如下优势。

（1）测量范围大：理论探测距离可达到30 km，具有较高的精确定位侵害点的能力。

（2）连续不间断分布式测量：能够完成多点数据的同时监测，且各点数据在传输时互不影响，传输准确度较高。

（3）数据检测灵敏度和精度高：系统中的参数可以根据使用环境的实际情况进行配置，在数据采集上可以直接使用市面上出售的标准通信光缆，监测区域根据现场划分。精确度高：系统中单通道周期扫描可以精确到1 s。

（4）功耗与报错率低：振动光纤报警系统触发球机摄像头，对有入侵事件发生的位置进行拍摄，随后将拍摄到的图像或者视频信息上传，服务器主机会启动相应的视频智能监测系统对拍摄到的图像或者视频信息进行智能分析和识别，大大减少了由于光纤灵敏而产生的误报，降低了报错率。在没有外破事件发生时，球机摄像头处于休眠状态，当有外破事件发生时才触发球机摄像头工作，降低了整个系统的功耗。

（5）具有良好的稳定性：当现场出现风雨、雷电等突发情况时，由于系统自身优势，抗误报性较强。

（6）电磁绝缘性和抗干扰能力强，能够抵抗一般的电磁干扰，还可以抵抗雷电灾害：传感光纤主要由石英材质制作而成，而石英是绝缘的，且具有良好的防腐蚀性能；光纤中传输的激光脉冲的频段远远高于电磁场的频段，完全不受电磁干扰，因此既使用现场有强电磁场也不会对其正常工作造成影响。

（7）安全可靠：光纤在正常工作时根据其材料特性完全不会产生电火花，光纤中传输的激光脉冲平均功率很低，当受到外力破坏后，既使光纤发生断裂也不会对周围环境造成影响，更不会产生任何危险［10］。

（8）施工简单，后期维护方便：光纤具有很强的抗压抗拉能力，施工简单方便，在正常使用时不会出现任何问题，当受到外力破坏后，维修反应速度较快。能够较快发现破坏点，经专业人员重新熔接后便可以恢复正常工作。

（9）在线监测就地化：实现对防外破区域的现场实时监测，这是在线监测系统实现测量高精确性和高可靠性的重要保证。

（10）系统维护方便：由于采用了先进的总线网络和模块化的硬件结构设计，使得在线监测系统的现场安装、调试及维护非常方便。

4 结语

本文运用分布式光纤测振技术和基于目标检测的视频智能监测技术，对分布式光纤路径的外破事件进行智能监控和分析，能够对敷埋分布式光纤的防区进行全天候在线监测。当有外破事件发生时，系统可以及时地将报警信息发送给负责人，必要时可以对外破事件进行及时补救，大大减少了由设施外破带来的经济损失和人员监控需要，对周界安防具有十分重要的意义，可达到保障施工车辆操作人员工作安全、提升电网运行可靠性的目的。