关键词： 站端智能感知；10kV地缆通道；隐患定位
1 主要方案设计
1.1 传感方案设计
结合萨格奈克/双马赫-曾德干涉仪的传感结构，需要在传感光纤末端设置探测器和处理电路，并为数据远程传送提供通道，所以不能用于长途线路检测系统。如果将探测器通过引导光纤设置在传感光纤的起始端，经过适当调整，可得一个全新的传感系统如下图所示：
如图1 所示的传感系统中，使用两个独立的光源，分别满足萨格奈克干涉仪和马赫-曾干涉仪各自对光源的要求。其中光源S1位宽带光源，为萨格奈克干涉仪提供光源，S2为长相干光源，为马赫-曾德干涉仪提供光源。光纤隔离器的主要作用是阻止从耦合器C2输出的光波返回到光源S1和S2，避免对光源性能产生影响。耦合器C3 C4 C5传感光纤F1和F2，以及引导光纤F3，构成两个相反方向的马赫-曾德干涉仪，D1和D2用于对其光强的探测。
1.2 探测系统等效光路设计
在构建传感系统时，如果使用长相干光源，即光源的相干长度大于两条传感光纤之间的长度差，四束光波之间会发生干涉。根据多光束干涉理论，解调系统将无法从D3和D4的探测信号中解调出相位变化，而且长相干光源的使用还会降低萨格奈克干涉仪的性能。因此在设计萨格奈克干涉仪时，采用相干长度短的宽带光源，并且保证传感光纤的长度差远大于光源的相干长度。这样就可以保证在探测器D3和D4上接收到的是两个萨格奈克干涉仪输出光强的叠加，可以获得破坏等作用对传输光波施加的相位影响。如图2所示：
由于构成马赫-曾德干涉仪的并行传感光纤存在，在顺时针和逆时针方向分别分成两束光，因此探测器D3和D4上各自接受到四束光，这四束光波经过传感光纤F1的两束相向传输的光构成一个萨格奈克干涉仪，经过F2的相向传输的两束光则构成另一个萨格奈克干涉仪。
1.3 用于模式识别的信号功率谱研究
每种隐患的作用信号虽然在时域中无法分辨，但在频域中德功率谱却有较大差别，因此可以通过对信号功率谱特征参数的提取，运用模式识别方法实现对不同作用类型的识别。
2 基于站端智能感知的10kV地缆通道隐患故障定位难点
2.1 隐患定位难点
本项目拟采用双马赫-曾德干涉技术来实现隐患故障的准确定位。
如图1所示的系统结构中，双马赫-曾德干涉仪共用萨格奈克干涉仪的传感光路，其主要功能是实现对隐患故障点的定位。
2.2 模式识别难点
过理论分析可以发现，在萨格奈克干涉仪的输出信号中同样包含有隐患的位置和振动信息，因此在去除位置信息后，可以利用剩余信号的幅值是否连续超过设定的警戒阀值来判断是否存在隐患。然而，如果仅仅依据剩余信号的幅值大小来判断，将会产生较高的虚警率。那是因为，线路分布在很广的地域内，在线路附近会发生许多对线路安全没有威胁的行为，如：正常的汽车经过等，如果简单依据信号的幅值大小来判断就会造成虚警。如果系统能在预警信号发出前，从探测信号中判断是否存在隐患，可以提示相关运维人员采取不同的措施进行处理。因此，进一步处理萨格奈克干涉仪的解调信号，识别出破坏行为类型，对系统正确的发出预警信息和及时处理事故具有重要意义。
由于萨格奈克干涉仪获得的探测信号是外力作用施加到传感光上引起的，因此首先要研究探测信号与外力破坏激发得振动信号之间的关系，建立传感光纤受扰模型。在此基础上研究利用模式识别理论提取典型作用下探测信号的时频特征、识别破坏行为或泄漏的方法，并利用从实验系统中获得的探测信号对讨论的特征提取和类型识别方法进行验证。
常见的几种隐患形式如下表所示：
每种不同隐患所呈现的检测信号有着一定的客观规律特征，本项目拟采用现代模式识别方法对各类信号的时域特征进行统计分析。信号的时域特征分析是研究信号的形态随时间变化的规律，抽取的典型特征量有过零数、幅度、周期、局部的上升时间与下降时间等，都可作为信号判断和识别的依据。
模式识别系统设计：
模式识别系统由两个过程组成，即设计和实现。设计是指用一定数量的样本进行分类器设计，实现是指用所设计的分类器对待识别的样本进行分类决策。如图2所示：
2.3去噪技术难点
噪声主要从光路和电路中引入，光路系统中引入的噪声主要有：
（1）光源噪声
如果光源的输出功率不稳定和偏振度出现涨落，特别是有光反射回光源时，光源的性能将急剧下降，通常需要在光源和耦合器之间设置光隔离器来减少这种影响。
（2）偏振噪声
从光源发出的两种正交的偏振分量之间的交叉耦合将引起传感器输出信号的偏振衰落，一般要求在光纤线圈附近放置一个起滤波作用的偏振器。
（3）磁噪声
当传感光纤沿管道分布在很广的地域内，马赫-曾德干涉仪两臂中传输的线
在地球磁场的作用下，其偏振面会发生旋转。如果两条传感光纤都为理想圆单模光纤，两条传感臂中发生的旋转角度相同，法拉第效应可以抵消。当干涉仪一个臂中存在非对称点如随机分布的小的双折射、扭曲使光产生延迟时，法拉第效应引起两臂中传输光波的旋转角度不同，从而引起干涉信号的变化，产生磁噪声。
（4）随机噪声
传感系统的传感光纤分布在很广的区域内，各地的温度变化，人和动物的随机活动都会产生一定的噪声。 本项目拟采用小波分析法来进行去噪处理，小波分析是今年来兴起的一种新的数学分支，它在信号处理 图像压缩 模式识别 地震勘探已经许多非线性科学领域获得了巨大的突破和广泛的应用。小波分析是一种时-频多分辨率的分析方法，因具有良好的时频局部化性质而优于FFT分析。
3 基于站端智能感知的10kV地缆通道隐患故障定位技术分析
3.1 最优监测数据获取及分布式干涉技术选择
针对现有技术在隐患预警方面存在的问题，研究了几种基于分布式干涉原理的分布式光纤传感方案，要求选择的传感方案具有监测距离远、高定位精度等特点，适合用于10kv配网线路外破事故的可控预警，监测距离达到50KM。
3.2 模式识别技术研究
由于发生在线路附近的各种行为比较复杂，有的对线路并不会造成安全隐患，如果仅仅从探测信号幅值上进行判断，容易产生误报警。为减少这种误报行为，需要对探测信号作进一步处理，研究识别破坏行为的方法，以区分真正对线路安全隐患造成影响的行为。根据振动幅度和频率，智能识别普通车辆和施工车辆，准确率≥90%。
3.3 故障隐患定位技术的研究
对外破隐患点进行定位是实现线路通道预警功能的关键技术之一，对实现定位的方法及其关键技术进行研究，尽可能提高其定位精度，定位范围5米内。
3.4 实验系统设计
组建探测和定位实验系统，验证探测和定位理论的正确性，并为外破行为的识别和定位提供实验数据，以验证破环行为识别方法以及定位方法的可行性，完成仿真模拟实验。
3.5 设备硬件的选型
设备硬件包括光源、耦合器、光电探测器、传感光纤和引导光纤、偏振控制器、光环行器等。硬件的性能直接影响到系统的稳定性和定位的准确性，提供基于分布式地缆通道隐患监测系统一套。
4 结束语
近年来，随着用户对供电可靠性要求越来越高，10kv配网线路维护日益成为供电部门主流工作内容之一，但偷盗、外力破坏、违章施工等已作为影响配网线路安全的最大隐患，越来越成为供电部门及政府和社会必须共同关注、亟待解决的一个问题。本文提出了的基于站端智能感知的10kv地缆通道隐患故障定位方式，可以比较有效的实现地缆通道隐患故障精准定位，对于地缆通道的建设以及隐患排查具有重要作用。
参考文献：
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论文作者:吴彬基
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年15期
论文发表时间:2019/12/12
标签：干涉仪论文; 隐患论文; 光源论文; 信号论文; 光纤论文; 马赫论文; 偏振论文; 《当代电力文化》2019年15期论文;