基于光纖測振與視頻監測的區間電纜防外破系統

陳太藝，曾繁祎，周 川，趙 耀，孟慶銘

（1.海南電網有限責任公司三亞供電局，海南 三亞 572000；2.杭州巨騏信息科技股份有限公司，浙江 杭州 311411）

電力電纜的外力破壞（以下簡稱“外破”）故障是惡意偷盜或者城市建設過程中帶來的偶然性破壞，會影響到供電可靠性和供電安全性［1］。目前多采用人工定期巡檢方式來預防外破，但這種方法存在較多弊端，無法從根本上預防外破的發生，因此必須采用更加科學與便捷的手段來防止外破的發生。本文為此建立一套既能完成電纜防盜，同時又能完成電纜狀態實時在線監測的區間電纜防外破系統，用以解決現場電纜實時運行中出現的安全問題。

1 區間電纜防外破系統的設計思路和原則

1.1 設計思路

現階段的電力電纜防護存在著現場環境復雜多變的情形，經常伴有施工作業、人流車流等不確定因素。為滿足市區、近郊電纜布設密集區域的電纜防護，對電纜監控系統提出了全敷設段靈敏觸發、精確解析入侵事件的要求。針對這些要求，確定區間電纜防外破系統采用分布式光纖淺層敷設與廣角視頻范圍入侵事件自動識別的方案，達到振動光纖靈敏觸發、視頻智能監測系統識別并報警的目的［2］。

1.2 設計原則

針對利用光纖傳感技術可以實時檢測并能聯動視頻監測技術來獲取電纜入侵事件現場有效信息的情況，本文提出將基于目標檢測的計算機視覺和圖像處理技術應用于獲得的有效信息的后續處理，從而達到自動識別和分類的效果。根據這一設計原則，基于光纖測振與視頻監測的區間電纜防外破系統功能設計如下。

1.2.1 外破振動事件信息的檢測與采集

外破振動事件信息的采集與檢測模塊，也就是振動光纖報警系統，主要包含振動探測部分、入侵報警部分、模式識別部分、系統聯動部分、模式切換部分、防拆保護部分、報警存儲部分、故障報警部分及在線升級部分等。

（1）振動探測功能實現光纜敷設沿途發生的振動信號探測。

（2）入侵報警功能可以完成當有不同形式的外部侵入行為時，能夠及時檢測并反饋產生報警信號。

（3）模式識別功能的主要作用是準確識別入侵行為與干擾行為，減少系統的誤觸發與漏報行為的發生。

（4）系統聯動功能是通過開關量、RJ45 接口輸出報警信號并自由擴展聲光報警儀等報警設備。

（5）模式切換功能具有布防模式、撤防模式兩種探測模式。

（6）防拆保護功能具有開蓋報警功能，可防止設備被惡意破壞。

（7）報警存儲功能具有報警信息存儲能力，最多可存儲30 000 條。

（8）故障管理功能能夠對系統的各種故障進行解析管理。

（9）在線升級功能能夠通過RJ45 對系統進行功能升級［3］。

1.2.2 光纖-視頻智能監測平臺

光纖-視頻智能監測平臺可以實現在線監控和信息分析兩大功能。在線監控功能又分為電子地圖、防區畫線、報警信息列表、平臺報警4 個部分，而視頻監控包括實時監控、預置位管理2 個部分，并且可以根據獲取的視頻或者照片信息自動識別出可疑對象。

此外，本文設計的光纖-視頻智能監測平臺擁有很好的容錯性，識別精度和識別準確度相對較高，還具備優秀的抗干擾能力和可維護性。如果系統中軟、硬件或者通信組件出錯，以及由于操作人員或應用工程師在操作使用時發生了一般性操作錯誤時，系統不會立刻喪失主體功能或影響主體系統的正常工作，另外在振動信息采集、照片信息傳輸、存儲以及分析等環節上均采取相應措施確保分析的準確性。

2 區間電纜防外破系統的關鍵技術

2.1 分布式光纖測振技術

分布式光纖測振技術是組成振動光纖報警系統的最核心技術。由于光纖的不均勻性，光會發生散射。當外部環境發生變化并影響到傳感光纖時，光纖自身的特性會發生變化，其光纖折射率、光纖長度等將會發生微小變化，最終影響光纖內部散射信號的變化。鑒于該技術的應用背景以及成本方面的考慮，振動光纖探測報警系統采用原理相對簡單的Michelson 光纖干涉回路搭建，其原理示意如圖1 所示。

圖1 Michelson 光纖干涉原理示意

Michelson 光纖干涉的基本原理是一束光被分成兩束相同強度的光，這兩束光經過不同的光路被反射回來之后相遇并發生干涉，屬于雙光束干涉儀。由激光器輸出的相干光被1 個3 dB 光耦合器分成兩束連續光，并分別注入傳感光纖和參考光纖兩根單模光纖中，如圖2 所示。傳感光纖放置在監測環境中感應外部振動信號，外部振動信號的產生引起傳感光纖中光波的相位角變化。在兩根單模光纖的尾端加入高反射率的反射鏡，傳感光纖中傳輸的光信號經反射鏡回到光耦合器處發生干涉，形成Michelson 干涉現象。

圖2 光纖入侵探測示意

在無入侵信號時，傳感光纖狀態是比較穩定的，接收器也會收到較為穩定的信號；當系統檢測到有外部行為入侵時，光纖上會受到外界壓力和振動，此時傳感光纖內部激光相位就會發生變化，接收器接收到的干涉信號也隨之變化。因為可以把接收器收到的干涉信號作為探測信號，所以可以對入侵動作進行實時探測，并發出報警信號。

2.2 視頻聯動技術

視頻聯動部分由聯動報警繼電器、球機攝像頭、服務器等構成。其中聯動報警繼電器采用干接點常開方式，外接5 V 直流電源，當探測到的干涉光強達到設定的閾值時，就會接通，給球機攝像頭+5 V 電平，將球機攝像頭從休眠狀態喚醒。球機攝像頭內置有4G 模塊，用于對所監控區域進行拍攝照片和獲取現場視頻信息，并通過4G 無線網絡將拍攝的照片和獲取到的視頻信息發送到服務器主機，存儲到指定文件夾。

2.3 目標檢測技術

目標檢測技術主要由計算機視覺部分和圖像處理部分構成，主要目標檢測領域包括人臉檢測和行人檢測。

視頻智能監控系統整體示意如圖3 所示。首先對視頻信息或者圖片進行預處理，調整合適的圖片尺寸，然后將其傳入卷積神經網絡得出眾多候選結果，最后使用非極大值抑制算法（局部最優）得出最終結果。智能視頻檢測系統的主要功能是將目標檢測中的每個部分統一到一個獨立的神經網絡中，神經網絡提取整幅圖像的特征來預測每個邊界框的位置參數及其所屬目標類別。簡單地說就是，該網絡可以一次性地將圖片中的所有目標都預測出來，基于卷積神經網絡的視頻智能監控系統在保證處理速度的同時，依舊能夠滿足較高的平均準確精度［4-9］。

圖3 視頻智能監控系統整體示意

3 系統實施效果

本文設計的基于光纖傳感技術的電纜防外破安全預警系統在實際場景應用中具有如下優勢。

（1）測量范圍大：理論探測距離可達到30 km，具有較高的精確定位侵害點的能力。

（2）連續不間斷分布式測量：能夠完成多點數據的同時監測，且各點數據在傳輸時互不影響，傳輸準確度較高。

（3）數據檢測靈敏度和精度高：系統中的參數可以根據使用環境的實際情況進行配置，在數據采集上可以直接使用市面上出售的標準通信光纜，監測區域根據現場劃分。精確度高：系統中單通道周期掃描可以精確到1 s。

（4）功耗與報錯率低：振動光纖報警系統觸發球機攝像頭，對有入侵事件發生的位置進行拍攝，隨后將拍攝到的圖像或者視頻信息上傳，服務器主機會啟動相應的視頻智能監測系統對拍攝到的圖像或者視頻信息進行智能分析和識別，大大減少了由于光纖靈敏而產生的誤報，降低了報錯率。在沒有外破事件發生時，球機攝像頭處于休眠狀態，當有外破事件發生時才觸發球機攝像頭工作，降低了整個系統的功耗。

（5）具有良好的穩定性：當現場出現風雨、雷電等突發情況時，由于系統自身優勢，抗誤報性較強。

（6）電磁絕緣性和抗干擾能力強，能夠抵抗一般的電磁干擾，還可以抵抗雷電災害：傳感光纖主要由石英材質制作而成，而石英是絕緣的，且具有良好的防腐蝕性能；光纖中傳輸的激光脈沖的頻段遠遠高于電磁場的頻段，完全不受電磁干擾，因此既使用現場有強電磁場也不會對其正常工作造成影響。

（7）安全可靠：光纖在正常工作時根據其材料特性完全不會產生電火花，光纖中傳輸的激光脈沖平均功率很低，當受到外力破壞后，既使光纖發生斷裂也不會對周圍環境造成影響，更不會產生任何危險［10］。

（8）施工簡單，后期維護方便：光纖具有很強的抗壓抗拉能力，施工簡單方便，在正常使用時不會出現任何問題，當受到外力破壞后，維修反應速度較快。能夠較快發現破壞點，經專業人員重新熔接后便可以恢復正常工作。

（9）在線監測就地化：實現對防外破區域的現場實時監測，這是在線監測系統實現測量高精確性和高可靠性的重要保證。

（10）系統維護方便：由于采用了先進的總線網絡和模塊化的硬件結構設計，使得在線監測系統的現場安裝、調試及維護非常方便。

4 結語

本文運用分布式光纖測振技術和基于目標檢測的視頻智能監測技術，對分布式光纖路徑的外破事件進行智能監控和分析，能夠對敷埋分布式光纖的防區進行全天候在線監測。當有外破事件發生時，系統可以及時地將報警信息發送給負責人，必要時可以對外破事件進行及時補救，大大減少了由設施外破帶來的經濟損失和人員監控需要，對周界安防具有十分重要的意義，可達到保障施工車輛操作人員工作安全、提升電網運行可靠性的目的。