CN113820039A - 一种分布式光纤测温与防外破监测设备及防外破预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤测温与防外破监测设备及防外破预警方法，其中设备包括：分布式光纤传感系统，用于采集待测电缆上产生的感温光信号和振动光信号；光纤测温防外破监测主机，与分布式光纤传感系统连接，用于将感温光信号和振动光信号进行解调；边缘物联代理装置，与光纤测温防外破监测主机连接，用于根据温度信号和振动信号生成电缆预警信息。本发明通过利用分布式光纤传感系统，可以将现有的分布式光纤测温系统和分布式光纤防外破系统的光路部分合二为一，使得本发明的分布式光纤传感系统能同时监测温度信息和振动信息，并基于此生成电缆预警信息，不仅可以大大降低系统的硬件成本，也保障了电力电缆监测的全面性。

Description

一种分布式光纤测温与防外破监测设备及防外破预警方法

技术领域

本发明涉及电力电缆监测设备技术领域，特别是涉及一种分布式光纤测温与防外破监测设备及防外破预警方法。

背景技术

电力电缆作为电力系统输电载体，其运行状态直接关系到电网的安全和稳定。近年来，随着电力电缆输送负荷需求的持续增加，再加上建设、改造工期过分紧张，给电缆安全运行埋下了隐患，电缆击穿和火灾的事件不断发生。同样的，由于技术和管理上的原因，电力电缆由于人为等因素导致的破坏时有发生，严重威胁电网的安全运行。

分布式光纤测温系统能够实时提供待测电缆全程的表面温度、导芯温度、接头温度等信息，且具有抗干扰、本征安全、测量距离远、精度高、定位准等优势，是电力电缆在线状态监测的最佳手段。分布式光纤防外破监测系统是基于分布式光纤传感网络技术，利用光纤传感和光通信等高科技技术构建的安全报警系统，有灵敏度高、结构简单、适合各种场合、适合于埋入地面隐蔽敷设、抗电干扰、抗腐蚀、能于恶劣的环境下工作等优点，能对外界入侵实时监测并发出报警。

边缘物联代理装置位于电力物联网的感知层、利用设备本地通信接口对各类传感器、终端等设备接入并统一管理、通过协议解析将业务数据提取、汇聚及存储、并按物模型要求进行标准化建模、利用边缘计算能力对业务数据处理后发送至平台层。边缘物联网代理宜具备本地通信、远程通信、协议解析、数据存储及处理、设备信息建模、边缘计算、设备管理、安全防护等功能模块、边缘物联代理装置功能架构图如图1所示。

目前的产品及解决方案是两种产品分开的方案，即分布式光纤测温为一套独立的产品，分布式光纤防外破为另一套独立的产品，两套产品有各自的光路、传感器(光纤)、电路等。传感光纤作为物联网传感器，与边缘物联代理装置需深化结合使用，促进解决相互独立的产品间在信息传递和处理存在时延，造成故障预警不及时的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种分布式光纤测温与防外破监测设备及其防外破预警方法，以解决现有的电力电缆监测设备预警不及时的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种分布式光纤测温与防外破监测设备，包括：

分布式光纤传感系统，用于采集安装在待测电缆上的感温光纤和振动光纤产生的温度光信号和振动光信号；

光纤测温防外破监测主机，与所述分布式光纤传感系统连接，用于将所述温度光信号和所述振动光信号进行解调生成温度数字信号和振动数字信号；

边缘物联代理装置，与所述光纤测温防外破监测主机连接，用于根据所述温度信号和所述振动信号生成电缆预警信息。

优选地，所述分布式光纤传感系统，包括：

激光器；

激光调制系统，所述激光调制系统的一端与所述激光器的输出端连通；

耦合器，所述耦合器的第一端与所述激光调制系统的另一端连通；

感温光信号探测系统，分别与所述耦合器的第二端和所述感温光纤连通，用于采集所述感温光纤上的温度光信号；

振动光信号探测系统，分别与所述耦合器的第三端和所述振动光纤连通，用于采集所述振动光纤上的振动光信号。

优选地，所述激光调制系统，包括：

半导体光放大器，所述半导体光放大器的一端与所述激光器连通；

脉冲掺铒光纤放大器，所述脉冲掺铒光纤放大器的一端与所述半导体光放大器的另一端连通，所述脉冲掺铒光纤放大器的另一端与所述耦合器的第一端连通。

优选地，所述感温光信号探测系统，包括：

波分复用器，所述波分复用器的第一端与所述耦合器的第二端连通，所述波分复用器的第二端与所述感温光纤连通，所述波分复用器的第三端和所述波分复用器的第四端均与所述光纤测温防外破监测主机连通。

优选地，所述振动光信号探测系统，包括：

拉曼放大器；

环形器，所述环形器的第一端与所述耦合器的第三端连通，所述环形器的第二端与所述光纤测温防外破监测主机连通，所述环形器的第三端与所述拉曼放大器的一端连通，所述拉曼放大器的另一端与所述光纤测温防外破监测主机连通。

优选地，所述光纤测温防外破监测主机，包括：

光电探测单元，所述光电探测单元分别与所述感温光信号探测系统和所述振动光信号探测系统连通，用于将所述感温光信号和所述振动光信号进行解调生成温度信号和振动信号；

数据采集单元，与所述光电探测单元连接，用于将所述温度信号和所述振动信号传输到工控主板；

工控主板，与所述数据采集单元连接，用于将所述温度信号和所述振动信号传输到所述边缘物联代理装置。

优选地，所述激光器为超窄线宽激光器。

本发明还提供了一种防外破预警方法，包括：

获取当前帧振动信号和前一帧振动信号；

利用差值算法计算所述当前帧振动信号与所述前一帧振动信号的差得到两帧信号的差值；

判断所述两帧信号的差值是否大于第一阈值；

若所述两帧信号的差值大于第一阈值，则返回所述获取当前帧振动信号和前一帧振动信号的步骤；

若所述两帧信号的差值小于第一阈值，则采用峰值定位公式对入侵点的位置进行定位，并计算当前帧振动信号的功率谱；

根据所述功率谱发出报警信号。

优选地，所述峰值定位公式为：

其中，L为入侵点的位置，N为峰值点的序号，f′为采样率，c为光速，n为光纤的有效折射率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过利用分布式光纤传感系统，可以将现有的分布式光纤测温系统和分布式光纤防外破系统的光路部分合二为一，使得本发明的分布式光纤传感系统能同时监测温度信息和振动信息，并基于此生成电缆预警信息，不仅可以大大降低系统的硬件成本，也保障了电力电缆监测的全面性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例中的边缘物联代理装置功能架构图；

图2为本发明提供的实施例中的光纤测温与防外破监测设备原理架构图；

图3为本发明提供的实施例中的光纤测温与防外破监测设备硬件组成框架图；

图4为本发明提供的实施例中的光纤测温与防外破监测设备的光路图；

图5为本发明提供的实施例中的一种防外破预警方法原理图；

图6为本发明提供的实施例中的异常信号时间分布图，其纵轴表示信号强度；

图7为本发明提供的实施例中的异常信号故障定位图，其纵轴表示信号强度。

符号说明：

1-超窄线宽激光器；2-半导体光放大器；3-脉冲掺铒光纤放大器；4-1×2耦合器；5-1×3波分复用器；6-环形器；7-拉曼放大器；8-第一光电探测器；9-第二光电探测器；10-第三光电探测器；11-感温光纤；12-振动光纤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。

本发明的目的是提供一种分布式光纤测温与防外破监测设备及其防外破预警方法，以解决现有的电力电缆监测设备预警不及时的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请一并参阅图2-3，本发明提供了一种分布式光纤测温与防外破监测设备，包括：分布式光纤传感系统、光纤测温防外破监测主机和边缘物联代理装置。

分布式光纤传感系统，用于采集安装在待测电缆上的感温光纤和振动光纤产生的感温光信号和振动光信号；光纤测温防外破监测主机与所述分布式光纤传感系统连接，用于将所述感温光信号和所述振动光信号进行解调生成温度信号和振动信号；边缘物联代理装置与所述光纤测温防外破监测主机连接，用于根据所述温度信号和所述振动信号生成电缆预警信息。

需要说明的是，光纤测温防外破监测主机位于变电站内主控室或其他合适地点，只需要将探测光纤沿待监测对象(如电缆)进行固定，引回测温防外破主机上，在主机上实现对测温以及测振信号的调制解调，将解调后的标准数字信号通过Lora通信模块传输到边缘物联代理装置，在装置内完成数据分析，进而实现对电缆温度以及外破信息的展示和预警。

在实际应用中，分布式光纤传感系统和光纤测温防外破监测主机主要由以下几部分组成：(1)激光器组件：有高脉冲半导体激光器和激光器驱动电路组成。由于超窄线宽低频率的漂移，可以使激光器发出具有高相干性的连续激光，激光器内部自带光隔离器，防止光反射回激光器造成激光器的损坏；超窄线宽低频率漂移的连续激光，经过声光调制器后被调制为脉冲光，由于声光调制器和高速采集电路是由采集电路内部同步触发的，因此两者是严格同步的。由于脉冲光的占空比很低，所以平均光功率也很低，因此需要经过EDFA放大再经过拉曼放大器后进入传感光纤。

(2)光开关控制/参考温度测量单元：用来解决温度传感器的定标，提供参考温度。

(3)光路单元：由耦合器和波分复用器系统组成。系统中需要注入光纤的光为脉冲光，而超窄线宽激光器输出光为连续光，因此需要对激光器的连续光进行脉冲调制。本发明对连续超窄线宽激光器采用外部调制的方法进行调制。

(4)工控主板：由带尾纤、带前置放大器的雪崩光电二极管(APD)和高增益、低噪声放大器组成。光纤中的自发拉曼散射信号非常弱，但是在强光场的作用下，介质中的斯托克斯波随着入射光场能量的增强而迅速增强，以至于大部分的泵浦光能量都转移到斯托克斯波中，这种非线性现象称为受激拉曼散射(SRS)。如果合适频率的较弱的信号光和泵浦光同时在同一根光纤中传播，小功率的连续泵浦源(100mW)便可使信号光得到显著放大，光纤拉曼放大器正是基于上述原理将光纤中传输的信号光进行放大的。

激光器发射光波脉冲信号光波进入光缆后，经光路单元分光后，把光缆产生的背向散射光耦合到光电探测单元，系统会对接受到的光波信号进行处理，将光强较弱的Anti-Stocks散射光放大，并进行光电信号转换后经数字信号处理单元会得到相对应的电压值。

进一步的，所述分布式光纤传感系统，包括：激光器、激光调制系统、耦合器、感温光信号探测系统和振动光信号探测系统。

请参阅图4，所述激光调制系统的一端与所述激光器的输出端连通；所述耦合器4的第一端与所述激光调制系统的另一端连通；感温光信号探测系统分别与所述耦合器4的第二端和所述感温光纤11连通，用于采集所述感温光纤11上的感温光信号；振动光信号探测系统分别与所述耦合器4的第三端和所述振动光纤12连通，用于采集所述振动光纤12上的振动光信号。在本发明中，分布式光纤传感系统可以在整个光纤长度上以距离的连续函数形式传感出被测参数随光纤长度的变化。

优选地，所述激光调制系统，包括：半导体光放大器2和脉冲掺铒光纤放大器3。所述半导体光放大器2的一端与所述激光器连通；所述脉冲掺铒光纤放大器3的一端与所述半导体光放大器2的另一端连通，所述脉冲掺铒光纤放大器3的另一端与所述耦合器4的第一端连通。

优选地，所述感温光信号探测系统，包括：波分复用器5，所述波分复用器5的第一端与所述耦合器4的第二端连通，所述波分复用器5的第二端与所述感温光纤11连通，所述波分复用器5的第三端和所述波分复用器5的第四端均与所述光纤测温防外破监测主机连通。

优选地，所述振动光信号探测系统，包括：拉曼放大器7和环形器6。

所述环形器6的第一端与所述耦合器4的第三端连通，所述环形器6的第二端与所述光纤测温防外破监测主机连通，所述环形器6的第三端与所述拉曼放大器7的一端连通，所述拉曼放大器7的另一端与所述光纤测温防外破监测主机连通。

优选地，所述光纤测温防外破监测主机，包括：光电探测单元、数据采集单元、工控主板和声光报警器单元。

所述光电探测单元分别与所述感温光信号探测系统和所述振动光信号探测系统连通，用于将所述感温光信号和所述振动光信号进行解调生成温度信号和振动信号；数据采集单元与所述光电探测单元连接，用于将所述温度信号和所述振动信号传输到工控主板；工控主板与所述数据采集单元连接，用于将所述温度信号和所述振动信号传输到所述边缘物联代理装置。声光报警器单元包括蜂鸣器和指示灯。所述声光报警器单元与工控主板连接，用于接收边缘物联代理装置传输的电缆预警信息，发出声光报警。

下面结合具体的光路图对本发明的原理进行说明：

分布式光纤温度传感系统测量基本原理如下：光纤中的自发拉曼散射产生斯托克斯光(stokes，1663nm)和反斯托克斯光(anti-stokes，1450nm)，而反斯托克斯光的强度与外部温度存在一定关系。因此，测量反斯托克斯光和斯托克斯光的强度并进行解算，即可得到散射点处的温度信息，进而实现对整个光纤所处温度场的分布式温度测量。

分布式光纤防外破监测系统测量基本原理如下：超窄线宽激光器发出连续激光(1550nm)，激光经过调制器后连续光被调制成脉冲光，脉冲光经过多级放大器后进入传感光纤，进入传感光纤中的光脉冲在传输过程中产生瑞利背向散射光(1550nm)，在其脉冲宽度内的瑞利背向散射光会发生干涉。当光纤线路上有振动时，该处的瑞利背向散射光相位发生变化，由此引起背向散射光之间干涉发生变化，通过探测器检测到干涉信号的变化，就可以测量到振动信号。

超窄线宽激光器1发出连续超窄线宽的激光，经半导体光放大器2后调制成脉冲光；经过脉冲掺铒光纤放大器3(EDFA)进行光放大，再经过1×2耦合器4均分为两束光；一路光经过1×3波分复用器5(WDM)后进入感温光缆11，在感温光缆11中会产生拉曼散射，拉曼散射光经由1×3波分复用器5(WDM)后将反斯托克斯光(1450nm)与斯托克斯光(1663nm)送入光电探测器(8、9)中进行温度解调，得到温度信息；另一路光经过环形器6进入拉曼放大器7进行放大后进入振动光纤12，在振动光纤12中会产生瑞利背向散射光，经过瑞利散射后的光经由环形器6送入光电探测器10中进行振动解调，得到振动信息。

本发明通过利用分布式光纤传感系统，可以将现有的分布式光纤测温系统和分布式光纤防外破系统的光路部分合二为一，使得本发明的分布式光纤传感系统能同时监测温度信息和振动信息，并基于此生成电缆预警信息，不仅可以大大降低系统的硬件成本，也保障了电力电缆监测的全面性。

图5为本发明提供的实施例中的一种防外破预警方法原理图，如图5所示，本发明还提供一种防外破预警方法，包括：

步骤1：获取当前帧振动信号和前一帧振动信号；

步骤2：利用差值算法计算所述当前帧振动信号与所述前一帧振动信号的差得到两帧信号的差值；

步骤3：判断所述两帧信号的差值是否大于第一阈值；

步骤4：若所述两帧信号的差值大于第一阈值，则返回所述获取当前帧振动信号和前一帧振动信号的步骤；

步骤5：若所述两帧信号的差值小于第一阈值，则采用峰值定位公式对入侵点的位置进行定位，并计算当前帧振动信号的功率谱；进一步的，利用差值算法找到差值后的峰值，根据峰值进行定位；其中，所述峰值定位公式为：

其中，L为入侵点的位置，N为峰值点的序号，f′为采集卡的采样率，c为光速，n为光纤的有效折射率，可以取1.46。

上述的峰值定位过程能够准确识别一些入侵事件与非入侵事件，且这种方法的实时性较好。但仅仅依靠此种方法来进行入侵判断是远远不够的，因为不同的振动模式可能产生的振动强度是一样的，从而造成很高的误报率。因此本发明还需要计算当前帧振动信号的功率谱，并基于此对振动信号进行功率谱分析，确定是否为实际外破信号。示例性的，参阅图6可知系统监测到线路在13:59时产生较大的振动信号。图7中曲线为信号强度随距离的分布情况，竖线代表路线位置，基于此可发现异常振动位置在距离原点5-10m之间。图6监测到线路在13:59时产生较大的振动信号。图7中曲线为信号强度随距离的分布情况，竖线代表路线位置，发现异常振动位置在距离远点5-10m之间；乱码代表路线位置，即塔的编号。

根据所述功率谱发出报警信号。具体的，若当前帧振动信号的功率大于第二阈值则发出报警信号，若当前帧振动信号的功率小于第二阈值则返回步骤1。

本发明首先利用差值算法计算出两帧信号的差值，并结合设定的阈值对振动位置进行定位，可以排除微小的干扰信号；接着系统通过计算功率谱的方式，对振动信号进一步进行功率谱分析，可以准确的识别出振动信号是否为实际外破信号。

本发明的有益效果如下：

本发明通过利用分布式光纤传感系统，可以将现有的分布式光纤测温系统和分布式光纤防外破系统的光路部分合二为一，使得本发明的分布式光纤传感系统能同时监测温度信息和振动信息，并基于此对外界入侵事件实时监测同时进行报警，大大提高了光纤传感系统对电力电缆监测的全面性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种分布式光纤测温与防外破监测设备，其特征在于，包括：

分布式光纤传感系统，用于采集安装在待测电缆上的感温光纤和振动光纤产生的感温光信号和振动光信号；

光纤测温防外破监测主机，与所述分布式光纤传感系统连接，用于将所述感温光信号和所述振动光信号进行解调生成温度信号和振动信号；

边缘物联代理装置，与所述光纤测温防外破监测主机连接，用于根据所述温度信号和所述振动信号生成电缆预警信息。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温与防外破监测设备，其特征在于，所述分布式光纤传感系统，包括：

激光器；

激光调制系统，所述激光调制系统的一端与所述激光器的输出端连通；

耦合器，所述耦合器的第一端与所述激光调制系统的另一端连通；

感温光信号探测系统，分别与所述耦合器的第二端和所述感温光纤连通，用于采集所述感温光纤上的感温光信号；

振动光信号探测系统，分别与所述耦合器的第三端和所述振动光纤连通，用于采集所述振动光纤上的振动光信号。

3.根据权利要求2所述的一种分布式光纤测温与防外破监测设备，其特征在于，所述激光调制系统，包括：

半导体光放大器，所述半导体光放大器的一端与所述激光器连通；

脉冲掺铒光纤放大器，所述脉冲掺铒光纤放大器的一端与所述半导体光放大器的另一端连通，所述脉冲掺铒光纤放大器的另一端与所述耦合器的第一端连通。

4.根据权利要求2所述的一种分布式光纤测温与防外破监测设备，其特征在于，所述感温光信号探测系统，包括：

波分复用器，所述波分复用器的第一端与所述耦合器的第二端连通，所述波分复用器的第二端与所述感温光纤连通，所述波分复用器的第三端和所述波分复用器的第四端均与所述光纤测温防外破监测主机连通。

5.根据权利要求2所述的一种分布式光纤测温与防外破监测设备，其特征在于，所述振动光信号探测系统，包括：

拉曼放大器；

环形器，所述环形器的第一端与所述耦合器的第三端连通，所述环形器的第二端与所述光纤测温防外破监测主机连通，所述环形器的第三端与所述拉曼放大器的一端连通，所述拉曼放大器的另一端与所述光纤测温防外破监测主机连通。

6.根据权利要求2所述的一种分布式光纤测温与防外破监测设备，其特征在于，所述光纤测温防外破监测主机，包括：

光电探测单元，所述光电探测单元分别与所述感温光信号探测系统和所述振动光信号探测系统连通，用于将所述感温光信号和所述振动光信号进行解调生成温度信号和振动信号；

数据采集单元，与所述光电探测单元连接，用于将所述温度信号和所述振动信号传输到工控主板；

工控主板，与所述数据采集单元连接，用于将所述温度信号和所述振动信号传输到所述边缘物联代理装置。

7.根据权利要求2所述的一种分布式光纤测温与防外破监测设备，其特征在于，所述激光器为超窄线宽激光器。

8.一种防外破预警方法，所述方法应用于权利要求1-7任意一项所述的一种分布式光纤测温与防外破监测设备，其特征在于，包括：

获取当前帧振动信号和前一帧振动信号；

利用差值算法计算所述当前帧振动信号与所述前一帧振动信号的差得到两帧信号的差值；

判断所述两帧信号的差值是否大于第一阈值；

若所述两帧信号的差值大于第一阈值，则返回所述获取当前帧振动信号和前一帧振动信号的步骤；

若所述两帧信号的差值小于第一阈值，则采用峰值定位公式对入侵点的位置进行定位，并计算当前帧振动信号的功率谱；

根据所述功率谱发出报警信号。

9.根据权利要求8所述的一种防外破预警方法，其特征在于，所述峰值定位公式为：

其中，L为入侵点的位置，N为峰值点的序号，f′为采样率，c为光速，n为光纤的有效折射率。

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