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摘要 光缆是数据传输的主要载体，光通信技术飞速发展使得数据窃取成为可能，敏感保密数据的传输正在受到威胁。电力管道光缆是电力系统通信的神经中枢，承载了电网的主要数据传输。本文构建基于分布式光纤振动传感技术的电力管道光缆安全防护系统并开展工程应用，对管道光缆振动情况分析安全防护，并实时准确定位故障点。安全防护系统已成功预警防护外力破坏事件40余次，保障电力通信网络安全。
01 引言
光纤通信传输距离远、传输速度快、损耗低的优点使其成为主要的通信方式，随着一些网络安全事件的曝光，使得光纤通信面临数据非法窃取的风险。在传输光缆的任意位置，打开光缆外皮，弯曲光缆即可以读取信息，这种弯曲光纤的损耗非常小，不会影响正常通信，因此很难被发现。高传输速率分布式光纤振动传感技术具有监测范围大、距离远、连续且实时在线监测的优点，是光纤传感技术的一个重要研究方向，分布式光纤振动传感器，采用智能化振动模式识别方法，能够实现长距离、大范围的光纤专用网络的安全预警，因此该技术被广泛地应用在油气管道、电力管道、电信运行商主干网等光纤通信网络的安全防护上。 光缆是电力系统通信网数据传输的最主要的物理载体，包括管道光缆、OPGW、ADSS、OPPC等类型。重要的电网调度中心，通信汇聚交换站点大都位于城市中心，城市建设中不允许有影响市容的架空线路的架设，因此只能通过管道光缆进行通信。电力管道大部分位于道路两侧，掩埋深度在1-2米左右，极易受暴力施工，非法盗挖等外力破坏。目前，电力电缆故障定位方法一般采用阻抗法、电压比较法、电桥法、行波反射法为基础进行故障定位。缺乏对光缆的直接监视系统，只能通过光缆连接的传输设备或者业务系统的运行情况来判断光缆故障。当光缆出现故障时，使用OTDR进行断点探测，然后派检修人员去现场查看，对光缆进行修复，这种事后抢修的模式耗时耗力，而且业务中断时间长，严重的会造成电网事件。 本文借助于电力管道已敷设的光缆，提出一种基于分布式光纤振动传感技术的电力光缆安全防护系统，能够实时监测管道光缆运行情况，对数据非法窃取事件预警。系统监测线路长度60km-80km，如果添加光放可延长到160km，定位能够精确到100米，该系统已稳定运行两年，应用效果良好。
02 分布式光纤振动传感技术原理
2.1 光纤振动传感 光纤振动传感原理如图1所示，ITU波长激光器发出一束光与之波长保持微小偏差的可微调波长激光器发出的光进入耦合器耦合，得到拍相干光并输入光纤。当光纤发生振动时，拍相干光去相干，随着光纤的振动，光强也会随之发生幅度和频率的变化。根据光强将光信号转换成对应的电信号，输出至运算放大器进行放大和运算， 可得到不同的调制信号。对获得的调制信号进行处理，可以检测到光纤振动，从而实现光纤振动传感。
图1 光纤振动传感原理图 2.2 分布式光纤振动传感技术 分布式光纤传感技术是基于光波调制原理，具有灵敏度高、动态范围大和响应频带宽等优点。本文采用双M-Z干涉原理的分布式光纤振动传感技术，如图2所示。从 TX 发出的激光分成两路，两路光在光缆中传输。当有振动波传到光缆上，微小振动使得光纤相位发生变化，经相干传回到 RX。光探测器解调后，还原振动波的信号，此信号基本上是体现了事件的波形，经过与已有事件库的波形对比，可分辨出振动源的类型，如：人工挖掘、机械作业等振动行为，从而实现对入侵事件的智能识别。
图2 分布式光纤振动传感技术 根据TX 、RX 的接收时间，可定位事件点。从 TX 发出 RX 接收为 T1 时刻，事件 A 调制接收信号；系统同时从 RX 向 TX 发出信号 T2 时刻，事件 A 调制接收信号，计算 T2 与 T1 的时间差，即可从末端定位事件发生位置。即 RX 干涉信号比 TX 干涉信号，多走了 2 倍末端的距离 2L，经计算后得到定位事件位置。
03 安全防护系统构建
本文构建环网型电力管道光缆安全防护系统，通过监控光缆中二根光纤实现信号的采集及回传，监测环网光缆长度为 60~80km 。系统示意图如图3所示，主机接入环网光缆中的两根光纤，发送传感器发出两路相干光，经光纤到达接收传感器。主机接收线路上的光缆振动信息，进行分析并发出安全防护。
图3 系统示意图 本文提出的安全防护系统安装实物图如图4所示，包括：主机、连接光缆、应用软件三部分。
图4 系统实物图 主机是 4U 标准机箱，能感应长距离监视光缆上所有的微小震动，及计算定位，定位精度在 100 米之内，并转换成报警信号。供电为交流 220 伏特，功耗小于 300 瓦。 连接光缆用于连接主机与传感光纤。 应用软件借助模式识别的事件数据库，通过机器学习机制，培育安全防护系统在入侵事件发生时，准确判定事件类型和决策告警。系统同时可过滤掉风雨雷电等自然噪声出现的虚警，或者正常事件，例如：横穿马路的光缆，经常有汽车经过，这样的信号经过处理后，就不报警。但是，这段路有挖掘的低频信号出现时，系统会报警。
04 系统应用
4.1 参数设置 当光缆受到不同类型的外力破坏时，随着光纤的振动，光波的幅度和相位也会发生不同的变化。如图5所示，是手触光缆微小振动时光的波形，对于微小振动光波变化的频率较低。如图6所示，是大型工具钻探时光的波形，光波变化频率较大。
图5 手摸光缆的光波
图6 大型工具钻探的光波 通过对不同外力破坏事件进行训练，应用机器学习机制建立事件数据库，培育安全防护系统在入侵事件发生时，准确判定事件类型和决策告警。经过试验阈值、方差点数、调制器振幅、调制器状态等核心参数设置如图7所示。在此参数下系统发出准确安全防护。
图7 系统参数设置 4.2 系统应用 本文构建的基于分布式光纤振动传感技术的电力光缆安全防护系统，在大连供电公司经过5个配电房连接的环网应用。环网线路为：绿山中心站—220kV华昌变电站—供电局大楼—集贤街—市内供电公司—绿山中心站，该环网线路全长18.66km。 系统于2019年6月研发并完成部署，已成功安全防护入侵事件40余次。典型的安全防护事件为2019年10月25日，在距离主机位置8千米左右持续出现不同程度的振动，如图8所示。并且告警相关时间、位置等信息以短信形式发送到运维人员手机。从软件告警界面可以看出分别在成仁街五四路路口附近及国家电网大连市供电分公司附近两处，出现较多的报警点。运维人员现场查看，告警发生区域有施工地，施工设备正在进行暗挖隧道作业，运维人员立刻叫停作业，并采取相应措施，避免了管道光缆被挖断的风险。
图8 系统告警图
05 结束语
本文采用光纤振动传感技术构建了基于分布式光纤振动传感技术的电力光缆安全防护系统，并开展了工程化应用。安全防护范围可达160km，响应时间小于2秒，定位精确到100米，系统具有 AI 学习机制，安装校验后，经过训练集数据采集，建立了事件数据库，误报率小于 1%。该系统利用管道内已敷设光缆的空余线芯，具有安装简单，成本低的特点。本系统已开展工程应用自投运以来运行稳定，成功安全防护电力光缆非法入侵40余次，避免了严重电网事件的发生。本系统的开发和应用对光纤振动传感技术在电力光缆防护中提供工程化应用借鉴。
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