论文部分内容阅读
摘 要： 本文基于统计数据和运行事件查找运行风险点，开展通信线路覆冰情况统计分析，为提升电力通信系统干线光缆运维水平奠定理论基础。通过对曾经遭受覆冰影响的光缆区段进行BOTDR在线监测，切实掌握运行年限较长光缆的应力应变数据，为解决干线光缆运行性能问题提供科学方法和依据，为提升电力通信系统安全水平提供科学保障。
关键词： OPGW光缆;覆冰;性能分析;BOTDR;在线监测
中图分类号： TN913.31 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.033
本文著录格式：陈拽霞，王颖，姜辉，等. 电力OPGW光缆覆冰性能研究及在线监测技术应用[J]. 软件，2020，41（01）：152155
【Abstract】： Based on the statistical data and operation events， this paper finds out the operation risk points， carries out the statistical analysis of the icing situation of the communication lines， and lays the theoretical foundation for improving the operation and maintenance level of the main optical cable in the power communication system. Through the on-line monitoring of BOTDR on the optical cable section that has been affected by icing， the stress-strain data of the optical cable with long service life can be grasped， which provides scientific methods and basis for solving the operation performance problems of the optical cable in the trunk line and provides scientific guarantee for improving the safety level of the power communication system.
【Key words】： OPGW; Line icing; Performance analysis; BOTDR; On-line monitoring
0 引言
目前，国网一级骨干通信系统（以下简称“一干网”）OPGW光缆总里程已达8万余公里，且近60%的OPGW光缆运行年限已超过15年。同时，由于电力OPGW光缆特有的架设方式，运行过程中
将不可避免地受季节性覆冰、风沙等极端天气影响，同时由于高空悬挂会引发引力、张力等拉伸作用，可能造成电力线路杆塔倾斜或倒塌，导致电力导线、地线及光纤复合架空地线（OPGW）荷载增大、甚至断裂，这些均将不同程度影响OPGW光缆的可靠运行，成为威胁电网安全生产可控、能控、在控的痛点和难点问题[1-4]。
目前，国网公司系统内以及南方电网公司在覆冰厚度监测、线路融冰等方面都做了一定程度的研究与应用，包括图像监测法[5]、悬链法[6]、直流融冰技术[7]、光缆设计及选型[8-12]。针对经受过覆冰的光缆，即便未发生中断，仍然难以保证其弧垂、应力、余长等不发生变化，因此亦有针对光缆余长控制的相关研究[13]。在运维工作中，除传统的利用OTDR进行光缆衰耗检测外，应开展光缆性能深层次检测，加强对光缆性能的实时掌握，目前已有利用BOTDR/BOTDA开展光缆应变的实验仿真[14-15]，但尚未有针对在运OPGW光缆开展的BOTDR监测。
基于上述研究，本文首先基于统计数据和运行事件查找运行风险点，开展通信线路覆冰情况统计分析，通过对曾经遭受覆冰影响的光缆区段进行BOTDR在线监测，切实掌握运行年限较长光缆的应力应变数据，为解决干线光缆运行性能问题提供科学方法和依据，确保提前发现光缆运行中存在的隐患。
1 电力OPGW光缆覆冰情况概述
OPGW通信光缆随电力线路架设，可依据投运时间、所属区域、光缆纤芯数、所属线路电压等级等多个维度进行覆冰情况的统计分析，但是覆冰现象主要与时间和区域特征有关，覆冰引发的风险主要取决于实际覆冰厚度与设计值的比例，以及同等气候、地形和光缆物理规格条件下，杆塔之间的塔距和高差，为此本文重点从时间、区域、覆冰荷载能力等方面开展了研究。
为确保数据样本的全面性和典型场景的可追溯性，本文特选用近三年国网一级骨干通信系统（以下简称“一干网”）OPGW光缆运行统计数据，即2016年冬季至2017年春季、2017年冬季至2018年春季、2018年冬季至2019年春季三个时间段的数据，为便于描述，本文采用2016年度、2017年度、2018年度分別对应上述3个时段。
2 电力OPGW光缆覆冰性能研究
2.1 按年度统计分析
针对近三年一干网OPGW光缆的覆冰情况，本文从覆冰天数、影响范围、单日覆冰光缆数、覆冰厚度等维度进行了统计分析，得出如下结论。
（1）累计覆冰时间逐年增长。相比于2016年度一干网OPGW累计覆冰天数，2017年度同比上升20.69%，2018年度同比增加15.71%以上。 （2）覆冰影响范围逐年扩大。一方面是影响的省份增多，2016年仅3省出现一干网OPGW光缆覆冰，2017年度和2018年度则分别上升至9省和7省。另一方面是单日覆冰光缆数最大值增幅显著，2016年度仅为5条，2017年度和2018年度则分别上升500%和300%。
（3）覆冰对业务的影响逐年加大。一方面是覆冰最大厚度值与设计值的对比值逐年增大，2016年度覆冰最大厚度值为设计值的50%，2017年达到100%，2018年则达到250%;另一方面是线路受灾情况逐年严重，2016年度一干网未发生倒塔灾害，2017年度一干网有2条线路发生倒塔，2018年度有2个省区内发生光缆因覆冰中断事件。
综上，近三年一干网累计覆冰时间逐年增长，覆冰影响范围逐年扩大，覆冰对业务的影响逐年加大，光缆覆冰形势日趋严峻。
2.2 按月度统计分析
由近三年覆冰情况数据按月统计分析可得出。
（1）岁末年初，形势紧张。总体而言1月份光缆覆冰线路最多，其次是2月份，是光缆安全运行的风险高发期。
（2）极端天气，规律难测。2017年度和2018年度，单日覆冰条数、覆冰最大厚度值超过设计值50%的线路数量均出现突然增长的现象;经核实，极端天气特别是山区、沿江地区的微气候复杂多变，规律难以预测。
综上，岁末年初正是覆冰现象高发期，而且微气候复杂多变，需要进一步强化相关业务的风险防控和应急保障。
2.3 按区域统计分析
依据一干网OPGW光缆覆冰区域相关数据进行统计分析，可得出如下結论。
（1）从累计覆冰天数统计，某省所辖范围内的一干网OPGW光缆覆冰时间最长，且多条线路连续3年遭受覆冰。
（2）某两省虽然累计覆冰天数较短，但是2018年度覆冰情况较为严重。经核实，其中一省境内有线路部分区段出现最大覆冰厚度达到设计值的250%的情况;另一省境内发生光路因光缆受覆冰中断。
（3）线路覆冰受线路走廊微气候影响大。经核查，各省区域覆冰线路大多位于山区、沿江、湿度大的走廊，不同省份也有各自地域特征，如属于高海拔地带或山区多且沿江走廊多等。
综上，覆冰现象呈现明细的区域特征，受线路所经走廊的微气候影响显著。
2.4 按覆冰载荷能力统计分析
针对近三年实际覆冰厚度超过线路设计值90%的受灾状况进行统计分析可知。
（1）部分省份境内覆冰受灾线路由于覆冰设计值较低（10 mm-20 mm），导致极端天气情况下覆冰厚度远超设计值，甚至覆冰厚度曾达到了设计值的250%，存在较大的覆冰断线隐患。
（2）线路覆冰厚度/设计值的最大值一定程度上反映了线路设计值能否应对近三年内的极端天气情况。A省境内的大部分光缆的覆冰设计值普遍较高（30 mm-50 mm），即使覆冰厚度最大值时，仍未超过设计值的90%。但是，B省境内的大部分受灾光缆由于覆冰设计值偏小（10 mm-20 mm），有6天条线路的最大覆冰值超过了设计值的90%，覆冰保障压力较大。
综上，近三年覆冰厚度超过线路设计值90%的受灾线路区段所在省份境内，均多次出现覆冰最大厚度值远超设计值的区段，反映出设计值已经难以应对极端天气，需要属地单位高度关注并尽快完成技术改造。
3 在运OPGW光缆应变监测技术应用
本文使用可探测长达几十公里甚至一百公里以上任意一点的温度和应变等信息的布里渊时域分析光纤分布式系统（BOTDR），同时对光缆的温度、应力和损伤进行测量、状态诊断和评估，对相关的运维和消缺工作提供数据支撑，提升发现和化解风险隐患的能力。
3.1 BOTDR技术原理
BOTDR（Brillouin Optical Time-Domain Refractometer），是通过检测光纤中背向布里渊散射光的频移，实现光纤轴向所受应力和温度的测量及定位（公式（1）），它属于分布式传感技术的范畴。目前，该技术被广泛的应用于公路、桥梁的应力传感测量，以及石油管道应力温度检测、城区光缆防外破等场景。在电力系统中，浙江公司2018年利用该技术检测冬季OPGW光缆覆冰区段的应力变化，开展OPGW光缆的覆冰检测工作。
3.2 应变安全阈值
光纤寿命与光纤的初始强度、疲劳强度特性以及所受应力大小之间的关系为。
其中： 为应力作用下光纤的寿命; 为筛选试验中光纤的受力时间; 为应力下光纤的破断概率;Np为筛选试验中每千米光纤破断数;L为光纤长度;n为疲劳指数;m为反映光纤低强度分部的参数; 分别为筛选试验中和应力作用下光纤的应变。经计算，光纤应变与寿命关系如下表所示。
由上表1可知，当纤芯应变达到并超过0.25%时，纤芯严重劣化，可用性大幅下降，当超过0.35%时，纤芯不可用。
4 在运光缆应力现场检测及分析
2019年，由开展BOTDR仪表研制工作较深入的两家单位，分别完成了为期30天的检测工作，共开展两段光缆（分别命名为“区段1”、“区段2”）、10根纤芯的应力应变检测及分析。
4.1 检测结果有效性
两家厂商所有检测数据的对比分析可知，对于同一测试纤芯，两家厂商检测数据高度一致，证明检测结果的有效性，以及纤芯应力存在的真实性、客观性。
4.2 区段1光缆在线检测及分析
区段1（两端站分别为A、B站）的OPGW光缆全长94.4公里，对4根空余纤芯开展应力检测工作。检测发现三处应力异常区段，具体位置见下表。
其中第一区段为应力最大且接近纤芯性能不可用阈值（0.35%），通过现场实地踏勘，具体位置为距区段1的A站约14.5公里处耐张杆塔挂点处，该杆塔型式为J2，且为拐角点，同时该区段为此光缆段内唯一存在杆塔呼高差距大、线路档距远等特点的区段。已组织相关运维单位结合停电检修计划登塔开展后续的隐患排查工作，隐患彻底消除前，并建议在季节变化、大风和覆冰等情况下对此区段重点关注，做好应急预案。
关键词： OPGW光缆;覆冰;性能分析;BOTDR;在线监测
中图分类号： TN913.31 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.033
本文著录格式：陈拽霞，王颖，姜辉，等. 电力OPGW光缆覆冰性能研究及在线监测技术应用[J]. 软件，2020，41（01）：152155
【Abstract】： Based on the statistical data and operation events， this paper finds out the operation risk points， carries out the statistical analysis of the icing situation of the communication lines， and lays the theoretical foundation for improving the operation and maintenance level of the main optical cable in the power communication system. Through the on-line monitoring of BOTDR on the optical cable section that has been affected by icing， the stress-strain data of the optical cable with long service life can be grasped， which provides scientific methods and basis for solving the operation performance problems of the optical cable in the trunk line and provides scientific guarantee for improving the safety level of the power communication system.
【Key words】： OPGW; Line icing; Performance analysis; BOTDR; On-line monitoring
0 引言
目前，国网一级骨干通信系统（以下简称“一干网”）OPGW光缆总里程已达8万余公里，且近60%的OPGW光缆运行年限已超过15年。同时，由于电力OPGW光缆特有的架设方式，运行过程中
将不可避免地受季节性覆冰、风沙等极端天气影响，同时由于高空悬挂会引发引力、张力等拉伸作用，可能造成电力线路杆塔倾斜或倒塌，导致电力导线、地线及光纤复合架空地线（OPGW）荷载增大、甚至断裂，这些均将不同程度影响OPGW光缆的可靠运行，成为威胁电网安全生产可控、能控、在控的痛点和难点问题[1-4]。
目前，国网公司系统内以及南方电网公司在覆冰厚度监测、线路融冰等方面都做了一定程度的研究与应用，包括图像监测法[5]、悬链法[6]、直流融冰技术[7]、光缆设计及选型[8-12]。针对经受过覆冰的光缆，即便未发生中断，仍然难以保证其弧垂、应力、余长等不发生变化，因此亦有针对光缆余长控制的相关研究[13]。在运维工作中，除传统的利用OTDR进行光缆衰耗检测外，应开展光缆性能深层次检测，加强对光缆性能的实时掌握，目前已有利用BOTDR/BOTDA开展光缆应变的实验仿真[14-15]，但尚未有针对在运OPGW光缆开展的BOTDR监测。
基于上述研究，本文首先基于统计数据和运行事件查找运行风险点，开展通信线路覆冰情况统计分析，通过对曾经遭受覆冰影响的光缆区段进行BOTDR在线监测，切实掌握运行年限较长光缆的应力应变数据，为解决干线光缆运行性能问题提供科学方法和依据，确保提前发现光缆运行中存在的隐患。
1 电力OPGW光缆覆冰情况概述
OPGW通信光缆随电力线路架设，可依据投运时间、所属区域、光缆纤芯数、所属线路电压等级等多个维度进行覆冰情况的统计分析，但是覆冰现象主要与时间和区域特征有关，覆冰引发的风险主要取决于实际覆冰厚度与设计值的比例，以及同等气候、地形和光缆物理规格条件下，杆塔之间的塔距和高差，为此本文重点从时间、区域、覆冰荷载能力等方面开展了研究。
为确保数据样本的全面性和典型场景的可追溯性，本文特选用近三年国网一级骨干通信系统（以下简称“一干网”）OPGW光缆运行统计数据，即2016年冬季至2017年春季、2017年冬季至2018年春季、2018年冬季至2019年春季三个时间段的数据，为便于描述，本文采用2016年度、2017年度、2018年度分別对应上述3个时段。
2 电力OPGW光缆覆冰性能研究
2.1 按年度统计分析
针对近三年一干网OPGW光缆的覆冰情况，本文从覆冰天数、影响范围、单日覆冰光缆数、覆冰厚度等维度进行了统计分析，得出如下结论。
（1）累计覆冰时间逐年增长。相比于2016年度一干网OPGW累计覆冰天数，2017年度同比上升20.69%，2018年度同比增加15.71%以上。 （2）覆冰影响范围逐年扩大。一方面是影响的省份增多，2016年仅3省出现一干网OPGW光缆覆冰，2017年度和2018年度则分别上升至9省和7省。另一方面是单日覆冰光缆数最大值增幅显著，2016年度仅为5条，2017年度和2018年度则分别上升500%和300%。
（3）覆冰对业务的影响逐年加大。一方面是覆冰最大厚度值与设计值的对比值逐年增大，2016年度覆冰最大厚度值为设计值的50%，2017年达到100%，2018年则达到250%;另一方面是线路受灾情况逐年严重，2016年度一干网未发生倒塔灾害，2017年度一干网有2条线路发生倒塔，2018年度有2个省区内发生光缆因覆冰中断事件。
综上，近三年一干网累计覆冰时间逐年增长，覆冰影响范围逐年扩大，覆冰对业务的影响逐年加大，光缆覆冰形势日趋严峻。
2.2 按月度统计分析
由近三年覆冰情况数据按月统计分析可得出。
（1）岁末年初，形势紧张。总体而言1月份光缆覆冰线路最多，其次是2月份，是光缆安全运行的风险高发期。
（2）极端天气，规律难测。2017年度和2018年度，单日覆冰条数、覆冰最大厚度值超过设计值50%的线路数量均出现突然增长的现象;经核实，极端天气特别是山区、沿江地区的微气候复杂多变，规律难以预测。
综上，岁末年初正是覆冰现象高发期，而且微气候复杂多变，需要进一步强化相关业务的风险防控和应急保障。
2.3 按区域统计分析
依据一干网OPGW光缆覆冰区域相关数据进行统计分析，可得出如下結论。
（1）从累计覆冰天数统计，某省所辖范围内的一干网OPGW光缆覆冰时间最长，且多条线路连续3年遭受覆冰。
（2）某两省虽然累计覆冰天数较短，但是2018年度覆冰情况较为严重。经核实，其中一省境内有线路部分区段出现最大覆冰厚度达到设计值的250%的情况;另一省境内发生光路因光缆受覆冰中断。
（3）线路覆冰受线路走廊微气候影响大。经核查，各省区域覆冰线路大多位于山区、沿江、湿度大的走廊，不同省份也有各自地域特征，如属于高海拔地带或山区多且沿江走廊多等。
综上，覆冰现象呈现明细的区域特征，受线路所经走廊的微气候影响显著。
2.4 按覆冰载荷能力统计分析
针对近三年实际覆冰厚度超过线路设计值90%的受灾状况进行统计分析可知。
（1）部分省份境内覆冰受灾线路由于覆冰设计值较低（10 mm-20 mm），导致极端天气情况下覆冰厚度远超设计值，甚至覆冰厚度曾达到了设计值的250%，存在较大的覆冰断线隐患。
（2）线路覆冰厚度/设计值的最大值一定程度上反映了线路设计值能否应对近三年内的极端天气情况。A省境内的大部分光缆的覆冰设计值普遍较高（30 mm-50 mm），即使覆冰厚度最大值时，仍未超过设计值的90%。但是，B省境内的大部分受灾光缆由于覆冰设计值偏小（10 mm-20 mm），有6天条线路的最大覆冰值超过了设计值的90%，覆冰保障压力较大。
综上，近三年覆冰厚度超过线路设计值90%的受灾线路区段所在省份境内，均多次出现覆冰最大厚度值远超设计值的区段，反映出设计值已经难以应对极端天气，需要属地单位高度关注并尽快完成技术改造。
3 在运OPGW光缆应变监测技术应用
本文使用可探测长达几十公里甚至一百公里以上任意一点的温度和应变等信息的布里渊时域分析光纤分布式系统（BOTDR），同时对光缆的温度、应力和损伤进行测量、状态诊断和评估，对相关的运维和消缺工作提供数据支撑，提升发现和化解风险隐患的能力。
3.1 BOTDR技术原理
BOTDR（Brillouin Optical Time-Domain Refractometer），是通过检测光纤中背向布里渊散射光的频移，实现光纤轴向所受应力和温度的测量及定位（公式（1）），它属于分布式传感技术的范畴。目前，该技术被广泛的应用于公路、桥梁的应力传感测量，以及石油管道应力温度检测、城区光缆防外破等场景。在电力系统中，浙江公司2018年利用该技术检测冬季OPGW光缆覆冰区段的应力变化，开展OPGW光缆的覆冰检测工作。
3.2 应变安全阈值
光纤寿命与光纤的初始强度、疲劳强度特性以及所受应力大小之间的关系为。
其中： 为应力作用下光纤的寿命; 为筛选试验中光纤的受力时间; 为应力下光纤的破断概率;Np为筛选试验中每千米光纤破断数;L为光纤长度;n为疲劳指数;m为反映光纤低强度分部的参数; 分别为筛选试验中和应力作用下光纤的应变。经计算，光纤应变与寿命关系如下表所示。
由上表1可知，当纤芯应变达到并超过0.25%时，纤芯严重劣化，可用性大幅下降，当超过0.35%时，纤芯不可用。
4 在运光缆应力现场检测及分析
2019年，由开展BOTDR仪表研制工作较深入的两家单位，分别完成了为期30天的检测工作，共开展两段光缆（分别命名为“区段1”、“区段2”）、10根纤芯的应力应变检测及分析。
4.1 检测结果有效性
两家厂商所有检测数据的对比分析可知，对于同一测试纤芯，两家厂商检测数据高度一致，证明检测结果的有效性，以及纤芯应力存在的真实性、客观性。
4.2 区段1光缆在线检测及分析
区段1（两端站分别为A、B站）的OPGW光缆全长94.4公里，对4根空余纤芯开展应力检测工作。检测发现三处应力异常区段，具体位置见下表。
其中第一区段为应力最大且接近纤芯性能不可用阈值（0.35%），通过现场实地踏勘，具体位置为距区段1的A站约14.5公里处耐张杆塔挂点处，该杆塔型式为J2，且为拐角点，同时该区段为此光缆段内唯一存在杆塔呼高差距大、线路档距远等特点的区段。已组织相关运维单位结合停电检修计划登塔开展后续的隐患排查工作，隐患彻底消除前，并建议在季节变化、大风和覆冰等情况下对此区段重点关注，做好应急预案。