★ 尹忠献，周建新，索红光，白宇，李磊（华润新能源投资有限公司河南分公司，河南 郑州 450000）

关键词：地埋电缆；光纤测振；同沟光缆；外力破坏；监测系统；分级预警

近年来，机械挖掘、人工挖掘、大型施工、农业深耕等外力破坏已成为地埋电缆故障的主要原因。这类破坏往往具有突发性强、影响范围广的特点， 一旦发生会造成大面积停电，给生产生活带来严重损失。

传统地埋电缆监测主要依赖人工巡检与普通振动传感器两种方法，但这两种方法均存在明显不足^[1-2]。人工巡检受限于人力成本与巡检周期，难以实现24小时不间断监测，且对隐蔽性破坏的识别能力较弱，容易出现漏判；普通振动传感器虽能实现实时监测，但设备部署成本高，且环境适应性较差，在低温、高温、高湿及恶劣天气下易出现故障，导致数据丢失，无法满足长期稳定监测的需求。这些缺陷在实际应用中严重制约了监测效果^[3]。

为解决上述问题，本文提出了一种基于光纤测振的地埋电缆全线实时在线监测系统。

1   系统总体方案设计

全线监测拓扑架构决定系统的监测覆盖范围、信号传输效率与数据处理压力，通过计算确定监测点间距与分节点数量，确保适配同沟光缆的实际资源情况；硬件性能需匹配拓扑架构的技术参数，同时结合监测规模控制经济成本。

1.1   全线监测拓扑架构

系统以地埋电缆同沟敷设的光缆为传感载体，构建三层分布式拓扑架构，通过光纤测振主机与分节点协同实现全线监测，可捕捉机械挖掘、农业深耕等外力破坏。其拓扑架构总体设计如图1所示。

图1 拓扑架构总体设计图

拓扑设计需确定监测点间距，确保无监测盲区，计算公式如式（1）所示：

式中，D为监测点间距；L为地埋电缆总长度； η为光缆利用率，需考虑同沟光缆保留部分芯数用于常规通信；N为光纤测振主机通道数，决定可同时监测的光缆段数。基于监测点间距，进一步计算分节点数量，确保每个分节点覆盖合理监测范围，如公式（2）所示：

式中，M为分节点数量；L为向下取整符号；1000为单位转换系数，用于统一长度计算单位。分节点承担光信号中继与数据预处理功能，可提升长距离传输信号的稳定性，同时可减少主机的数据处理压力，两者结合形成适配同沟光缆资源的高效拓扑架构^[4]。

全线监测拓扑架构通过计算明确了系统的“空间布局”与“功能分工”，确定了监测点间距、分节点数量等关键参数，为后续硬件选型提供了清晰的技术依据。

1.2   核心硬件选型与成本

系统核心硬件包含光纤测振主机、分节点模块与光缆复用组件，选型需适配工业环境且兼顾经济性。光纤测振主机需支持相位敏感光时域反射技术；分节点模块含光放大器与低功耗处理单元；光缆复用组件可实现同沟光缆的传感功能复用。硬件成本测算先计算总投入，如公式（3）所示：

式中，C_t为硬件总投入；C_h为单台光纤测振主机成本；C_n为单个分节点成本； M为分节点数量； C_r为光缆复用组件总成本。基于总投入，进一步计算单位长度成本，体现系统经济性，如公式（4）所示：

式中，C_u为单位长度成本； L为地埋电缆总长度。通过公式（3）、公式（4）可清晰评估硬件投入与监测范围的匹配关系，突出了复用同沟光缆对成本的优化作用，同时可为后续运维成本核算提供基础。

2   地埋电缆全线实时在线监测与预警

振动信号识别与分类需从复杂环境信号中提取特征并区分破坏类型，避免误判与漏判；精确定位与预警策略是核心应用，需基于识别结果锁定破坏位置并制定差异化响应措施，确保及时干预。整套功能构成系统的“信号处理-决策响应”闭环，与硬件采集的信号精度高度适配，并满足现场运维的实际需求，为地埋电缆外力破坏防控提供了技术支撑。

2.1   振动信号识别与分类

针对机械挖掘、人工挖掘等不同外力破坏类型，本文采用时域特征提取与支持向量机分类结合的方案。先对采集的振动信号滤波去干扰，再提取峭度等关键特征区分振动类型，峭度计算如公式（5）所示：

式中， K为峭度值； x为振动信号采样值；μ为信号均值；E[·]为数学期望。不同外力破坏的振动特性差异会直接体现在峭度值上，可作为初步分类依据。将提取的特征向量输入支持向量机模型，通过交叉验证法评估分类效果，准确率计算如公式（6）所示：

式中，A_c为分类准确率；T_p为真阳性样本数即正确识别的破坏信号数量；T_N为真阴性样本数即正确识别的正常信号数量；F_p为假阳性样本数即误判为破坏的正常信号数量；F_N为假阴性样本数即漏判的破坏信号数量。两公式结合，构建了从特征提取到效果验证的完整识别流程，能够精准区分不同类型的外力破坏行为，保障了系统识别结果的可靠性与准确性。

2.2   精确定位监测与预警

外力破坏定位基于光信号传输特性，利用同沟光缆中不同芯线的信号传输差异实现，定位公式为式（7）： 

式中， S为破坏点与光纤测振主机的距离； V为光信号在光缆中的传输速度；Δt为不同芯线传输信号的时间差。通过该公式可将时间差转化为实际距离，实现对破坏位置的精准锁定。基于定位结果与振动信号振幅制定分级预警策略，预警等级判定如公式（8）所示：

式中，Q为预警等级；A为振动信号振幅；A_th1为一级预警阈值对应轻微振动如人工挖掘；A_th2为二级预警阈值对应较强振动如机械挖掘。不同预警等级匹配不同响应措施，两公式形成“定位—分级—响应”的完整预警链路，确保了各类外力破坏能够被及时干预。

3   系统实测性能评估

3.1   监测精度与响应速度测试

实验对象选取某220kV地埋电缆线路，该线路全长18km， 同沟敷设4芯光缆， 实验复用其中2芯作为传感载体，搭配1台光纤测振主机与9个分节点模块。同时组建传统人工巡检团队， 团队为5人一组并配备常规巡检工具， 还部署18台普通振动传感器， 按每1km设置1台的标准布置。实验步骤如下：在电缆沿线划分6个测试段，每段3km，分别模拟四类外力破坏场景：机械挖掘场景使用小型挖掘机在电缆周边1m范围内作业；人工挖掘场景使用铁锹在电缆周边0.5m范围内作业；外单位大型施工场景使用压路机在电缆沿线5m范围内作业；农业深耕场景使用深耕犁在电缆周边2m范围内作业，每个场景设置6个不同振动强度梯度。

三种方法同步开展监测，每种场景在每个测试段重复测试12次，记录每种方法对不同场景振动的识别精度、定位误差与响应速度。识别精度为正确识别场景类型的次数占总测试次数的比例，定位误差为识别的破坏位置与实际位置的偏差，响应速度为从振动发生到发出预警的时间，取所有测试段数据的平均值作为最终结果。不同监测方法监测精度测试结果如表1所示。

表1 不同监测方法监测精度对比

由表1数据可知，本文所提方法在所有外力破坏场景的识别精度上均表现突出：机械挖掘与外单位大型施工识别精度达99%， 人工挖掘识别精度达98%， 农业深耕识别精度达97%，平均识别精度更是高达98.25%；而传统人工巡检平均识别精度仅55%，普通振动传感器平均识别精度仅76%，均远低于本文所提方法。本文所提方法在区分不同类型外力破坏时的精准度优势，能有效避免因识别偏差导致的误判或漏判，为地埋电缆外力破坏监测提供了更可靠的精度保障。

3.2   长期运行稳定性分析

三种监测方法同步开展为期6个月的连续运行测试，每月选取5个典型工作日，每天24小时不间断监测；记录每种方法的月均故障率、月均数据丢失率、适应温度范围、适应湿度范围以及恶劣天气正常运行率。月均故障率为当月故障次数占当月总运行天数的比例，月均数据丢失率为当月丢失数据量占当月总采集数据量的比例，恶劣天气涵盖雨天、雪天、大风天三种常见类型， 取6个月数据的平均值作为最终结果。实验结果如表2所示。

表2 不同监测方法长期运行稳定性对比

由表2数据可知，在长期运行稳定性上，本文所提方法月均故障率仅为1，远低于传统人工巡检的15和普通振动传感器的8；月均数据丢失率仅为2，显著低于传统人工巡检的22和普通振动传感器的12，能持续稳定采集监测数据， 减少了因设备故障或数据丢失导致的监测中断；在环境适应性上，本文所提方法适应温度范围最广，能在-40℃至85℃的温度区间正常工作，适应湿度范围覆盖10至95的RH区间，且恶劣天气正常运行率达98%，远超传统人工巡检的45%和普通振动传感器的70%， 不受低温、高温、高湿及雨雪大风等复杂环境影响。综合来看，本文所提方法长期运行更可靠、环境适应性更强，能满足地埋电缆全年不间断外力破坏监测的实际需求，优势远优于传统人工巡检与普通振动传感器。

4   结束语

本文针对地埋电缆外力破坏监测盲区大、识别精度低、预警不及时的技术难题，提出了一套基于光纤测振的地埋电缆全线实时在线监测系统， 并通过系统总体方案设计、核心监测方法研发与实测性能验证，形成了覆盖“架构—硬件—算法—应用”的完整解决方案。在系统设计层面， 三层分布式拓扑架构结合同沟光缆复用技术，既实现了全线无盲区监测，又避免了额外敷设传感光缆的成本投入；通过核心硬件选型与成本测算模型，进一步平衡了设备性能与经济性， 为工程落地提供了可行路径；在监测与预警方法上，时域特征提取与支持向量机分类结合的方案，有效解决了不同外力破坏类型的精准识别问题，显著提升了系统监测的可靠性与场景适应性。

作者简介：

尹忠献（1968-），男，河南偃师人，工程师， 本科，现就职于华润新能源投资有限公司河南分公司，研究方向为新能源技术运营与管理。

周建新（1990-），男，河南济源人，工程师， 本科，现就职于华润新能源投资有限公司河南分公司，研究方向为新能源技术管理。

索红光 （1986-），男，河南漯河人，高级工程师，本科，现就职于华润新能源投资有限公司河南分公司，研究方向为新能源运营管理。

白   宇（1988-），男，河南民权人，工程师， 本科，现就职于华润新能源投资有限公司河南分公司，研究方向为新能源技术管理。

李   磊（1993-），男，河南商丘人，助理工程师， 本科，现就职于华润新能源投资有限公司河南分公司，研究方向为新能源技术管理。

参考文献：

[1] 陈太艺, 曾繁祎, 周川, 等. 基于光纤测振与视频监测的区间电缆防外破系统[J]. 电力与能源, 2023, 44 (3) : 247 - 249.

[2] 徐军, 黄相辉, 王秋霞. 地埋式光纤测振周界入侵报警系统应用研究[J]. 交通科技, 2023, (5) : 124 - 127.

[3] 胡安东, 陈曦, 瞿文轩, 等. 光纤传感在公路隧道智能通风控制系统中的应用[J]. 中国交通信息化, 2024, (7) : 125 - 128.

[4] 韩永垚, 张莹. 基于分布式光纤振动传感的智能安全监测系统在油气管道的应用[J]. 石油天然气学报, 2025, 47 (2) : 8.

摘自《自动化博览》2026年8月刊