分布式单模光纤测温技术改进及应用研究

发布时间：2020-02-06

　　摘要：智能电网建设是智慧城市建设必不可少的一部分。为解决光纤复合低压电缆(OPLC)温度的实时监测、故障定位与隐患发现等问题，在基于喇曼散射的单模光纤分布式测温系统的温度解调模块中，提出利用背向瑞利散射光与反斯托克斯光比值的双路解调的优化方案;在数字处理模块中，提出多次累加平均与多小波算法相结合的方法。通过改进这两项技术进一步实现了测温高精度、定位高精度和空间高分辨率的在线实时测量目标，同时还在OPLC状态监测及安全运行评估系统中得到了验证。通过对温度、光功率和负荷电流等参量一体化测量，为OPLC安全运行评估、运维检修工作的简化、易行提供了技术支持。

　　关键词：电力光纤到户;OPLC;分布式测温;温度解调;数据处理

　　0引言

　　在智能电网建设中，随着电力行业的迅速发展，各种适用于电力系统的电力设备容量也大大增加。但由于电力设备的制造缺陷和运行单位的检修水平等原因，在使用过程中往往由故障引发大面积停电和火灾事故，这种现象在负荷增长较快的地区尤为常见。因此，输变电状态和电网设备的实时温度检测是重要的一环，它对运行安全状态的评估、隐患发现与故障定位等有重要意义[1-3]。

　　分布式单模光纤测温技术改进及应用研究相关期刊推荐：《光通信技术》(月刊)创刊于1977年，由中国电子科技集团公司第34研究所主办。主要报道光通信、光纤维传感技术在公用通信、专用通信和国防通信中的应用研究成果，包括系统与网络、光纤光缆与器件、光通信相关技术的开发及新技术新产品介绍等，还刊登专题讲座、厂商简介、书刊评价、人物专访、重大活动报道。读者对象为相关专业及部门的工程技术人员和管理人员。

　　目前,国内分布式光纤传感测温技术已经具有最大监测距离为30km、空间分辨率达1~3m、测温精度为±1℃和温度分辨率达0.1℃的技术能力;国外最新的SensorTrans5100系列产品融入了最新的计算机和光信号处理技术，达到了测温距离为15km、空间分辨率为1m和测量精度为±1℃的技术指标。但是面向电力光纤到户的光纤复合低压电缆(OPLC)的单模光纤测温技术尚未开展类似研究。分布式光纤温度传感技术凭借抗电磁干扰等自身优势，可以实现长距离、大范围和多点实时监测[4-7]。本文将该技术应用于电力光纤到户工程中的OPLC状态监测与安全运行状态评估系统中，通过改进分布式光纤喇曼测温技术性能，达到测温和定位高精度的技术指标。另外，将OPLC的负荷电流、光功率测量和分布式光纤测温技术集成在一起，实现对OPLC的3个状态量的一体化测量，可以开展OPLC健康状况和安全运行状态实时监测和评估，很大程度上简化了运维检修的工作，对输变电安全运行状态评估、故障预测和定位、及时检修和实现电力光纤到户都具有重要意义。

　　1分布式光纤测温技术优化

　　传统的温度解调方案主要有单信道温度解调和双信道温度解调两种解调方法[8]，其中双信道温度解调的效果要远胜于单信道温度解调。而分布式光纤测温传感收集和处理的是背向喇曼散射光的传感信息，背向喇曼散射光光强是入射光光强的几万分之一，反斯托克斯散射光光强又远小于斯托克斯散射光光强，这给相关信息收集工作带来了很大的困扰[9,10]。

　　1.1双信道温度解调提高精度

　　为了解决这一困扰，本文在双信道解调的基础上对系统进行改进，采取一种优化的解调方案：基于喇曼散射的反斯托克斯光与背向瑞利散射光强度的比值的解调方法，瑞利噪声的光强度要比喇曼光强大30dB,同时瑞利散射光对温度不敏感，因此具有一定优越性。该解调方法采用光纤中的瑞利散射曲线来解调反斯托克斯喇曼散射的曲线，如图1所示。

　　瑞利散射在背向散射光所占的比例很大，温度也不影响功率，因此在参考温度T0和解调处的绝对温度T处的功率大致相同。用背向瑞利散射光来取代传统方案的斯托克斯光解调，会使系统更加稳定，灵敏度和精度也会更精准，具体的推倒过程如下。

　　1.2累加平均与多小波算法结合提高信噪比

　　分布式光纤测温传感系统的噪声来源有光纤传感的喇曼扩大形成的自发辐射噪声，喇曼散射光在光电转换和信号放大的过程中形成对系统扰动性很强的噪声。在分析噪声的过程中，其处理方法主要采用累加平均和滑动平均方法。累加平均去噪技术通过对温度信号进行多次测量累加，能很好地滤除微弱光信号中的白噪声，但累加平均次数过多会影响测温实时性，另外累加平均对白噪声以外的噪声不能达到有效去噪的效果，最终这类噪声的存在使得系统的温度分辨率难以提高。滑动平均技术可以滤除高频噪声，但是得以降低空间分辨率为代价，容易把突变点当噪声过滤，造成漏报情况[11]。

　　通过相关研究发现[12-15]，采用累加平均算法，其累加次数超过10000次之后，累加次数的递增会加大系统的响应时间，也会影响系统的响应速度，对系统信噪比的提升效果不再明显。为了提高测温系统的精确性，本文在采用累加平均算法的同时也采用多小波算法加以辅助，即可在提升系统信噪比的前提下，提高响应速度。经过相关研究发现多小波与传统小波的去噪原理十分相似，即在多小波分解系数的基础上，设置阈值处理多小波系数，将与噪声相应的系数置零，然后利用多小波重构信号。多小波去噪的每一层阈值可以根据实际情况设置多个，而单小波去噪在每层只能设置一个阈值。因此，多小波除了具有单小波去噪拥有的光滑性、紧支撑性、对称性和正交性优点外，还具有精确性高、灵活实用等优点，在实际应用中更加广泛，其基本过程如图2所示。与单小波不同的是，多小波与尺度函数的关系不再是一列数据，而是矩阵。因此，在分解前对输入数据进行预处理，之后还要对重构后的数据进行处理才能得到需要的结果。

　　2实验结果与分析

　　本文对分布式光纤测温系统的温度解调方法、信号处理方法进行优化，将改变单模光纤测温时的不稳定性，同时提升测温数据的精度。OPLC状态分析仪通常设置两个温度测量通道，通过两个通道同时测量，获得温度数据，然后在系统内部进行数据解调处理，进一步提高了系统的测温精度。同时两个通道也可以互为备用通道，在其中一个通道出现故障时，可以通过另一个通道开展运维、检修工作，降低了设备的报修率。本文对油槽进行了双通道温度测量，得到的分布式测温系统的温度测量结果如表1所示。

　　从表1中的两个通道的温度测量数据对比可以看出，通道1和通道2所测的光缆实际温度相差不大，其测温精度基本稳定在±1℃。因此，该测温系统可以更好地实现双通道同时测量，并通过优化的数据解调处理技术，得到了更高测温精度的测量指标。

　　图6是OPLC进行导体温度、负载电流和光功率综合实时测量的原理图。通过该实验研究OPLC导线温度、内嵌的光纤光功率随负荷电流、环境温度的变化规律，研究电缆运行温度对电缆热老化等状态的影响。在实验中，我们选取OPLC较为合适的点(一般选取所截取电缆的中心位置和两端的位置3个测量点，尽量减小误差)进行测量，用数字温度计测量电缆表面，它的采样频率很高(达到100ms以上)，因此电缆的表面温度的稳定时间可以近似忽略。同时我们也对电缆表面对应的光纤位置进行温度测量，通过OPLC状态检测仪的温度测量通道获得光纤的温度，电缆内的光纤温度的稳定时间如同电缆表面一样，可以近似忽略不计。在实验中，我们记录了OPLC从25℃升温到35℃所需要的时间大约是30min左右。实验实物图如图7所示，测量得到的OPLC运行状态数据如表2所示。

　　从表2可以看出，OPLC状态监测装置在测温精度上实现了±1℃的测量要求。在OPLC运行过程中，随着负荷电流的变化，OPLC的运行温度也相应变动。OPLC的线芯温度与电缆表面的温度不相同，这是由于电缆的传热特性，温度由内到外逐渐降低。电缆外护套的温度较低，铜导体的温度较高，也证明了对OPLC内部纤芯温度测量的方式能更好地监测电缆的温度运行情况，所以该优化测温系统能更好地实时在线测量电缆的温度和故障，对于电缆的保护起到更加显著的作用。

　　3结束语

　　本文研究了分布式喇曼测温系统的温度解调和数据处理技术，在OPLC状态监测和运行状态评估系统的面向单模光纤的分布式喇曼测温模块中，提出了温度解调优化和数据处理优化技术，使该系统进一步实现了温度精度±1℃的在线实时测量目标。通过试验验证OPLC内部纤芯的温度测量方式能更好监测电缆的温度运行情况，对电缆保护起到更加显著的作用。该技术对电力光纤到户的进展工作起到重要的作用，并在推动智能电网建设的道路上扮演了重要角色。