瑞利散射信号的远距离OPGW光缆断纤定位研究

陈小龙,汪 娟,卢 峰,桂 宁,张 婷

(国网安徽省电力有限公司合肥供电公司,安徽 合肥 230041)

0 引言

随着现代社会对电力供应不断增长和能源可靠性的日益关注,电力输电线路的运行和维护变得至关重要。其中,远距离光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead groud wire,OPGW)[1]作为一种集通信和电力传输于一体的高层可靠性光缆技术,在电力系统中扮演着重要的角色。然而,由于外界因素的影响和潜在的灾害风险,OPGW光缆可能会发生断纤故障。这为正常的电力运行和监测带来了挑战。OPGW[1]作为由电力线路和通信光纤共同组成的传输网络,在电力系统输电过程中起到传输媒介的作用。然而,在给人类生活带来便利的同时,因长期服役于室外环境,OPGW光缆存在断纤的风险。暴雨、暴雪、冰灾、高温等恶劣环境是造成OPGW光缆断纤的主要原因。尽管光纤光栅技术的优化在一定程度上提高了OPGW光缆的抗高温、抗电磁干扰和抗低温性,但长期服役于恶劣环境使得OPGW光缆的非弹性形变能力持续下降。当应力累积超过界限值时,OPGW光缆极易因机械疲劳加重而导致断纤。由此可见,检测OPGW光缆状态、定位光缆断纤位置并及时开展运维检修工作,对电力系统的安全运行具有重大意义。为此,相关人员对OPGW光缆断纤定位方法进行研究。

李灿等[2]通过分布式传感技术分析OPGW光缆在实际工况下的分布式布里渊频移特性,并重点标注频移速率低的线路位置,以此确定OPGW光缆的故障位置,实现远距离OPGW光缆断纤定位。阮峻等[3]提出了一种多脉宽组合测量的方法。该方法通过拼接测量结果,获取了更远的测量距离,拓展了光时域反射仪(optical time domain reflectometer,OTDR)的测量动态范围。张訢炜等[4]通过采集OPGW光缆发生细微扰动时的光纤信号,获取基于OPGW光缆的光纤信号波动曲线,并分别从时域和频域特性分析该曲线,以实现远距离OPGW光缆断纤定位。

但是,以上方法在广域大范围的电力系统应用中存在一定问题。主要问题是一旦区域过大、距离过长,相关信号会明显衰减。精准、高效的断纤定位方法可以减少维护团队的工作量和时间成本,提高电力系统的可靠性和恢复能力。为了进一步优化光缆断纤定位效果,本文提出一种基于广域测量的远距离OPGW光缆断纤定位方法,实现了OPGW光缆断纤的精准定位。

1 采集OPGW光缆的瑞利散射信号

1.1 瑞利散射大幅度波动信号特征提取

远距离OPGW光缆之所以能够协助电网运行、完成电力通信任务,是因为OPGW光缆内部含有导电性能较为优越的材料分子。这些材料分子在光纤纤芯内交互缠绕,组成了OPGW光缆的核心结构。正常情况下,室外光线直射OPGW光缆外部,会有部分光子穿过胶质进入OPGW光缆的核心结构。这些能够进入OPGW光缆内部的光子被称为入射光子。由于自然界光子具有布里渊散射特性[5],即光子在接触光纤时会在脉冲差异的刺激下发生线性散射,当入射光子非均匀分布于OPGW光缆核心结构时,光纤中的脉冲声波会使入射光子反射出携带超声波传感参量信息的瑞利散射信号。这就是光学领域著名的瑞利散射原理。入射光子K的表达式为:

(1)

式中:y为入射光场强;i为超声波传感范围;t为脉冲光能量,J。

布里渊散射特性L为:

(2)

式中:τ为光电转换系数;Δh为临接散射点的欧氏距离;S为电缆导体横截面面积,mm2。

瑞利散射信号H的表达式为:

(3)

式中:I1为光信号同向分量;I2为光信号异向分量;α为振幅增益,dB;b为光频率,Hz。

如果OPGW光缆断纤,则断纤部位失去入射光子反射能力,此处瑞利散射信号的振幅也会瞬时下降至断纤对应反射率的变化量。想要通过定位远距离OPGW光缆断纤来保障电网安全运行,可以参考瑞利散射原理,通过识别瑞利散射信号的波动情况来定位远距离OPGW光缆的断纤位置。

1.2 广域测量系统设计

广域测量系统是根据同步相量测量技术[6]搭建而成的高精度实时信号采集系统。广域测量系统可以实时监测远距离OPGW光缆各点位的电流、电压和相角等测量数据。当光缆发生断纤故障时,电力线路中的测量数据会发生异常变化。通过检测这些异常变化,可以及时发现光缆断纤故障的位置。

广域测量系统拓扑结构如图1所示。

图1 广域测量系统拓扑结构

信号采集模块利用多组广域测量单元采集电网运行途中远距离OPGW光缆各点位的瑞利散射信号。信号采集结果F为:

F=fk(δ)

(4)

式中:fk为采样间隔,s;δ为光纤沿线的电压信号幅值,mV。

2 定位方法设计

由于远距离OPGW光缆传输路径中存在多径传播和随机散射等因素,瑞利散射信号可能受到不同类型的噪声影响。经过广域测量系统采集的瑞利散射信号因存在较高分量的噪声,如热噪声、多径衰落噪声、信号自相干噪声、外部干扰等,尚不能作为样本信号判断OPGW光缆断纤位置。为了获取更精确的定位结果,本文在应用瑞利散射信号识别OPGW光缆断纤位置前,利用快速傅里叶变换去除干扰信号中的噪声。在去除噪声后,本文利用相位调制器拟合瑞利散射信号的幅值波动情况,并从中提取大幅变化的瑞利散射信号特征点,从而实现远距离OPGW光缆断纤定位。

2.1 基于快速傅里叶变换的信号去噪

局部放电白噪声降噪方法是信号降噪方法的统称。根据能量损耗和数字化滤波强度的差异,局部放电白噪声降噪方法可以分为快速傅里叶变换[7]、自适应盲源分离、经验模态分解、改进模态分解和小波变换[8]。考虑到瑞利散射信号具有尖峰或陡峭的波形,且这些波动在识别OPGW光缆断纤上具有指导意义,因此瑞利散射信号通常采用特征信息保留度最高的快速傅里叶变换[9],即通过重构噪声鲁棒性较高的瑞利散射信号获取更为纯净的优化信号。瑞利散射信号尖峰波形的曲率Q为:

(5)

式中:v为自适应阈值;ε为尖峰模态预估的中心频率,Hz;r为尖峰模态的带宽,bit/s;n为尖峰信号的幅值;weff为衰减振荡频率,Hz。

瑞利散射波形陡峭波形的曲率T为:

(6)

快速傅里叶变换结果D为:

(7)

优化后瑞利散射信号J为:

(8)

式中:qi为高频分量噪声剔除率,%;bα为波形平滑度;bβ为信号均值;m为信号标准差。

2.2 大幅衰减信号特征提取

使用相位调制器有助于分离瑞利散射信号中的不同成分,从而更好地了解振幅波动情况。因此,在成功对OPGW光缆瑞利散射信号去噪的基础上,本文采用相位调制器拟合三维视角下瑞利散射信号的振幅波动情况。通过调制相位,可以将瑞利散射信号分解成各频率成分,使得振幅波动的特性能够更好地被观察和分析,以提高大幅衰减信号特征提取精度。相位调制器[10-11]又称干涉型光纤传感器。其核心思路围绕相位载波解调原理展开,即从标准正弦信号和标准余弦信号两种频谱角度区分数公里光路的瑞利散射信号。其中:标准正弦信号对应OPGW光缆未断纤时,入射光子在光纤中传播所产生的反射现象;标准余弦信号对应OPGW光缆断纤时,入射光子无法产生反射现象而出现的“陷波点”。相位调制器输出结果W的表达式为:

(9)

式中:Ψ为瑞利散射信号频移量,rad/s·V;z为相位信号突变率,%;σ为光纤芯径,mm;γ为光纤轴向长度,mm。

相位载波解调结果B的表达式为:

(10)

式中:kn为解调瑞利散射信号的重复频率,Hz;km为入射光子在光纤中的传播速度,m/s;η为垂直分量。

标准正弦信号R的表达式为:

(11)

式中:ρ为正向散射曲线的总长度;Q′为低频正交信号;pik为解调差分强度。

标准余弦信号V的表达式为:

(12)

式中:fi为负向散射曲线的总长度;fj为脉冲光探测波;μ为光纤等效反射率。

“陷波点”波动情况S的表达式为:

(13)

式中:tR为相位载波调制区间;v′为“陷波点”扰动强度;x为扰动强度与“陷波点”频率的关系。

由相位调制器拟合的三维视角下,瑞利散射信号幅值波动情况如图2所示。

图2 瑞利散射信号幅值波动情况

由图2可知,通过观察瑞利散射信号的幅值波动情况,可识别信号幅值大幅跌落的OPGW光缆断纤位置,从而实现远距离OPGW光缆断纤定位。

3 试验与结果

为了验证基于广域测量的远距离OPGW光缆断纤定位的整体有效性,试验对所提方法进行测试。

3.1 试验准备

本文随机选择国内某地区OPGW光缆作为验证所提方法定位性能的试验对象。

3.2 试验结果分析

本文以实际瑞利散射信号幅值变化情况为基准进行试验,从光缆断纤定位距离、定位精度、定位效率三方面对所提方法进行验证。

实际瑞利散射信号幅值变化情况如图3所示。

图3 实际瑞利散射信号幅值变化情况

①光缆断纤定位距离。

根据实际瑞利散射信号幅值变化情况可知,距电力铁塔最近的光缆断纤位置在30 km处、最远的光缆断纤位置在250 km处。本文分别采用所提方法、文献[2]的分布式传感技术方法和文献[3]的多脉宽组合测量方法定位远距离OPGW光缆断纤位置,并观察不同方法能够定位的有效距离。通过对比不同方法的有效距离,可以判断不同方法对远距离OPGW光缆断纤的定位性能。

不同方法的有效距离如图4所示。

由图4可知,采用所提方法定位OPGW光缆断纤位置,其有效距离为300 km。这说明所提方法对光缆断纤位置的定位范围较远,能够满足远距离OPGW的检修要求。

所提方法在定位OPGW光缆断纤位置前,优先利用快速傅里叶变换优化广域测量系统采集的瑞利散射信号。而采用文献[2]方法和文献[3]方法定位OPGW光缆断纤位置时,两者的有效距离分别为190 km和210 km。该结果与所提方法存在较大差距。这说明文献[2]方法和文献[3]方法对光缆断纤位置的定位范围远不及所提方法,无法满足远距离OPGW的检修要求。经上述对比可知,所提方法的远距离OPGW光缆断纤定位距离明显优于两种对比方法。

②光缆断纤定位精度。

为保证光缆断纤定位精度测试的有效性,综合有效距离试验结果,本文将定位范围设定为190 km,并分别采用所提方法、文献[2]方法和文献[3]方法定位OPGW光缆断纤位置。通过将不同方法的定位结果与图3中的实际值对比,判断不同方法对远距离电力OPGW光缆断纤的定位精度。

不同方法的对比结果如图5所示。由图5可知,所提方法获取的OPGW光缆断纤定位结果无论是断纤位置还是信号幅值波动情况均与实际值高度重合。这说明所提方法的精确度较高。文献[2]方法和文献[3]方法获取的远距离OPGW光缆断纤定位结果无论是断纤位置还是信号幅值波动情况均与实际值呈现整体偏离的趋势。这说明文献[2]方法和文献[3]方法的精确度较低。经上述对比可知,所提方法下远距离OPGW光缆断纤定位精度明显优于两种对比方法。

③光缆断纤定位效率。

本文分别采用所提方法、文献[2]方法和文献[3]方法定位190 km内OPGW光缆断纤位置,并记录不同方法消耗的时间。通过对比不同方法消耗的时间,可以判断不同方法的定位效率。

所提方法定位190 km内OPGW光缆断纤仅花费20 min,即0.105 min/km。这说明所提方法的定位效率较高。文献[2]方法和文献[3]方法定位190 km内OPGW光缆断纤分别花费25 min和30 min,即文献[2]方法约0.132 min/km,文献[3]方法约0.158 min/km,均较所提方法用时更长。这说明文献[2]方法和文献[3]方法的定位效率较低。

经上述对比可知,所提方法下远距离OPGW光缆断纤定位效率明显优于两种对比方法。

4 结论

OPGW光缆作为光缆通信领域的常用线路,不仅便于铺设,还具备灵敏度高、抗振能力强等优点。为保证OPGW光缆远距离作业安全,本文提出了基于广域测量的远距离OPGW光缆断纤定位方法。本文利用广域测量系统采集光纤反射的瑞利散射信号,并结合快速傅里叶变换消除瑞利散射信号噪声。通过相位调制器拟合幅值波动情况,判断断纤造成的大幅度跌落信号位置,实现远距离OPGW光缆断纤定位。试验结果表明,所提方法具有较好的定位效果和效率。如何在保证远距离OPGW光缆断纤定位性能的同时,对OPGW光缆断纤定位过程实行实时监控,是研究人员下一步的研究重点。