湖北思級(jí)科技有限公司 趙錦輝 何 濤 張 成 胡莉娜 王 茜

光纖通信技術(shù)指的是將光纖作為信息傳輸介質(zhì)、光波作為信息傳輸載體的一種新型通信手段，具有傳輸損耗底、質(zhì)量輕、通信容量大、傳輸頻帶款、保密性能強(qiáng)、中繼距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于電力、石油、航空航天、軍事通信等領(lǐng)域。光纖傳感技術(shù)是指檢測(cè)和傳輸光波信號(hào)的傳感器，此類傳感器完美地繼承了光纖材料的優(yōu)勢(shì)，具有極高的穩(wěn)定性和抗電磁干擾能力，是目前監(jiān)測(cè)強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆、極熱極寒等環(huán)境主要技術(shù)。隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模和覆蓋范圍的持續(xù)拓展，傳統(tǒng)采用的監(jiān)測(cè)模式和傳感技術(shù)等已無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀況的目的。而將光纖通信技術(shù)和光纖傳感技術(shù)等應(yīng)用于電網(wǎng)建設(shè)中，則能在整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建起高效、暢通的信息傳輸渠道和信息共享機(jī)制。

在光纖傳感技術(shù)逐步完善、光纖通信技術(shù)不斷革新及電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)集成度日益加深等因素的共同作用下，配電網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化、智能化等也得到顯著的提升，為電網(wǎng)系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性及效益性的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但與此同時(shí)，智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的信息共享機(jī)制不健全、信息采集渠道單一以及信息處理技術(shù)滯后等問(wèn)題也在不斷凸顯。而將光纖傳感與光纖通信技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中，可有效提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍和抗電磁干擾能力，彌補(bǔ)當(dāng)前智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，在控制配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本的同時(shí)，增強(qiáng)電力企業(yè)的服務(wù)水平和盈利能力。

本文設(shè)計(jì)了一種以光纖布拉格光柵（FBG）為基礎(chǔ)構(gòu)建的智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確定位配電網(wǎng)中發(fā)生故障的位置及分析故障產(chǎn)生的原因，可充分提升配電系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性及智能化。

1 FBG 傳感器簡(jiǎn)介

FBG（Fiber Bragg Grating，光纖布拉格光柵）是當(dāng)前使用最為廣泛的光纖傳感器，其實(shí)現(xiàn)信息采集和傳輸?shù)幕驹硎牵汗饩€中纖芯折射率周期性變化和空間相位周期分布等特征的存在，可在光纖纖芯內(nèi)形成一個(gè)具有窄帶濾波作用的拉拉格光柵反射鏡，利用該現(xiàn)象制作的光纖器件具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性、抗電磁干擾能力以及靈敏度，是目前實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)極熱極寒、電磁場(chǎng)強(qiáng)度大等環(huán)境主要光纖傳感器[1]。

此外，F(xiàn)BG 還具有傳輸損耗小、器件質(zhì)量輕、占地面積小、反射寬帶范圍大以及與光纖器件耦合效率高等優(yōu)良的特性，被廣泛運(yùn)用于電力傳輸線路和傳輸設(shè)備的監(jiān)測(cè)中。這主要是因?yàn)殡S著外界溫度、濕度、應(yīng)力等外界物理量的改變，光纖光柵所形成的反射波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生不同程度的變化。如，隨著溫度和盈利的變化，光纖光柵的發(fā)射波長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生現(xiàn)行偏移，此時(shí)就可通過(guò)判斷波長(zhǎng)頻移的距離來(lái)計(jì)算出監(jiān)測(cè)對(duì)象溫度、應(yīng)力等物理量的變化情況，當(dāng)前使用最為廣泛的FBG 傳感器主要包含了溫度傳感器和應(yīng)變傳感器兩種。

1.1 電力線及桿塔溫度計(jì)算模型

FBG 是目前所有傳感器中技術(shù)最成熟、測(cè)量最精準(zhǔn)及使用最廣泛的，將其用于測(cè)量電線及桿塔的溫度變化情況具有顯著的直觀性和可行性，只需將FBG 傳感器安裝于電力線和桿塔上，就能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)單位范圍內(nèi)電線及桿塔的實(shí)時(shí)溫度及異常情況，其感知溫度范圍可達(dá)-30℃～200℃，且監(jiān)測(cè)結(jié)果可精準(zhǔn)到0.1℃。在參考相關(guān)研究資料后將FBG 傳感器中計(jì)算溫度的公式總結(jié)為：tn=α(λtn-λt0)。

式中λtn表示的是FBG 溫度傳感器的反射波長(zhǎng)；λt0表示的是0℃條件下FBG 溫度傳感器對(duì)應(yīng)的反射波長(zhǎng)；α 表示的是FBG 溫度傳感器的溫度變化系數(shù)、單位℃/nm，通常情況下 的取值為100℃/nm 左右。溫度測(cè)量是FBG 傳感器的核心功能之一，將FBG 傳感器應(yīng)用于輸電線路、桿塔等電力設(shè)備的監(jiān)測(cè)中，可幫助運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中存在的安全隱患，為全面、及時(shí)、準(zhǔn)確地處理電力線路故障提供可靠的信息[2]。此外，隨著光纖生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善，陶瓷型光纖、硅膠型光纖等已被廣泛運(yùn)用于電力行業(yè)，其良好的絕緣性能為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行提供了有力的保障。

1.2 桿塔應(yīng)變計(jì)算模型

桿結(jié)構(gòu)表面的FBG 傳感器是目前監(jiān)測(cè)桿塔應(yīng)變情況的唯一傳感器，其正常工作溫度的范圍在-30℃～80℃之間，量程在-2000微應(yīng)變至2000微應(yīng)變之間，測(cè)量結(jié)果可精準(zhǔn)到0.5微應(yīng)變。但無(wú)論是溫度和應(yīng)變中的某一個(gè)物理量發(fā)生變化、還是兩個(gè)物理量同時(shí)發(fā)生變化，溫度光柵的波長(zhǎng)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。為避免溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變結(jié)果計(jì)算不準(zhǔn)確的情況出現(xiàn)，需在一遍傳感器的附近在安裝一個(gè)溫度傳感器，根據(jù)此原理，可將桿塔應(yīng)變計(jì)算公式表達(dá)為：εn=k[(λεn-λεm)-(λtn-λtm)α/b]。

式中εn表示的是桿塔應(yīng)變，單位με；λεn表示FBG 應(yīng)變傳感器的反射波長(zhǎng)，單位nm；λtn表示FBG 溫度傳感器的反射波長(zhǎng)，單位nm；λεm表示FBG 應(yīng)變傳感器在初始安裝條件下的反射波長(zhǎng)，單位nm；λtm表示初始狀態(tài)下FBG 溫度傳感器的反射波長(zhǎng)，單位nm；k 表示FBG 應(yīng)變傳感器應(yīng)變系數(shù)，單位με/nm；b 表示FBG 應(yīng)變傳感器的溫度系數(shù)，單位℃/nm；α 表示FBG 溫度傳感器的溫度變化系數(shù)，單位℃/nm。

1.3 電力線應(yīng)變計(jì)算覆冰的數(shù)學(xué)模型

線路覆冰是增加電力線所承受應(yīng)力增大的主要因素，可通過(guò)監(jiān)測(cè)電力線應(yīng)變和溫度變化情況的方式，計(jì)算出覆冰對(duì)電力線表面造成的應(yīng)變加大值、重量增加值及應(yīng)力大小等數(shù)值，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)用FBG傳感器測(cè)量電力線覆冰厚度的目的。在對(duì)電力線的相干數(shù)值進(jìn)行計(jì)算式，通常會(huì)將其看成柔線，以便于可以運(yùn)用懸鏈線或拋物線方程等原理計(jì)算出架空電力線的狀態(tài)[3]。

懸鏈法指的是將電力線的質(zhì)量和其他負(fù)載量等定義為在電力線上均勻分布，雖然該原理和方法可以是計(jì)算結(jié)果更加貼近與實(shí)際情況，但其計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，并不適合在監(jiān)測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜的電力傳輸領(lǐng)域運(yùn)用；拋物線法指的是將電力線視為一條標(biāo)準(zhǔn)的拋物線，計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況間存在的差異也在工作允許的范圍內(nèi)，其計(jì)算過(guò)程大致如下。

首先，計(jì)算初始無(wú)覆冰狀態(tài)下電力線的自重力比載：gm=Gg/S×10-3，式中：S 表示電力線的承載截面積、單位mm，G 表示單位長(zhǎng)度內(nèi)電力線的質(zhì)量、單位kg/km，g 表示重力加速度，通常取值9.8Nlkg；其次，計(jì)算出初始狀態(tài)下無(wú)覆冰情況時(shí)電力線水平方向的應(yīng)力大?。害襪=l2gm/(8fmcosφ)，式中：l 表示兩個(gè)桿塔之間的距離、單位m，fm表示初始狀態(tài)下架空電力線的弧垂、單位m，cosφ表示兩個(gè)桿塔之間的高度差與距離的夾角余弦角，通過(guò)兩桿塔之間的距離和高度求得。

再次，計(jì)算FBG 傳感器監(jiān)測(cè)到的電力線應(yīng)力大?。害舗=[K(λεn-λεm)-B(λcn-λcm)]，式中：λεn表示FBG 應(yīng)變傳感器的反射波長(zhǎng)、單位nm；λcn表示FBG 溫度傳感器的反射波長(zhǎng)、單位nm；K 表示FBG 應(yīng)變傳感器應(yīng)變系數(shù)、單位με/nm；B 表示FBG 應(yīng)變傳感器溫度系數(shù)、單位℃/nm；最后，計(jì)算電力覆冰厚度：

式中：λεm表示初始狀態(tài)下FBG 應(yīng)變傳感器在地反射波長(zhǎng)，單位nm；λcm表示初始狀態(tài)下FBG 溫度傳感器的反射波長(zhǎng)，單位nm；d 表示電力線的直徑長(zhǎng)度，單位mm；p 表示冰的密度，一般情況下取9×10-4g/mm。

2 FBG 傳感器的電力線監(jiān)測(cè)

2.1 FBG 傳感器的電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

FBG 傳感器可直接用于電力線及桿塔運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)，在保障電力傳輸系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的同時(shí)，降低運(yùn)維人員的實(shí)際工作負(fù)擔(dān)，文章所設(shè)計(jì)的運(yùn)用于用戶端的FBG 傳感器電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)電力線及桿塔的應(yīng)變情況、溫度情況以及覆冰厚度的進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，具有可靠性高、監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了電力傳輸系統(tǒng)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、在線的監(jiān)測(cè)。

以FBG 傳感器為基礎(chǔ)構(gòu)建的電力線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由FBG 傳感器、OPGW 光纜、解調(diào)儀、服務(wù)器以及客戶端等幾個(gè)部分組成，其中FBG 傳感器安裝于電力線上，主要用于感應(yīng)和采集電纜物理量的變化情況；OPGW 光纜則位于解調(diào)儀與傳感器之間，是傳輸監(jiān)測(cè)信號(hào)的主要通道；解調(diào)儀位于OPGW 光纜與服務(wù)器之間，主要用于轉(zhuǎn)化信息的格式；服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)與解調(diào)儀進(jìn)行連接，是處理信息和存儲(chǔ)信息的主要部件，同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接客戶端，并實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給用戶的功能（圖1）。

基于用戶端的FBG 傳感器的電力線監(jiān)測(cè)安裝步驟為：第一，運(yùn)用焊接等方式將溫度計(jì)和應(yīng)變計(jì)固定于電力線纜上；第二，將傳感器中的光纖和光纜熔接在一起；第三，將FBG 傳感器通過(guò)串聯(lián)的方式與電力線復(fù)合光纜串聯(lián)在一起。

在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，F(xiàn)BG 傳感器承擔(dān)了獲取傳感信息的主要工作，且巧妙地運(yùn)用了電力通信網(wǎng)絡(luò)中的光纖介質(zhì)作為信息傳輸渠道，極大地增強(qiáng)了信息采集和傳輸?shù)男省６挥诒O(jiān)測(cè)重心的服務(wù)器、客戶端等則是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，使用戶可以隨時(shí)隨地獲取電力線及桿塔的運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)在光通信技術(shù)和光傳感技術(shù)的相互協(xié)作下，形成了集數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)展示為一體的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為電力傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程化、智能化以及自動(dòng)化的增強(qiáng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。另一方面，由于安裝于電力線和桿塔的FBG傳感器均是由溫度計(jì)和應(yīng)變計(jì)構(gòu)成的，可直接測(cè)量電力線和桿塔的應(yīng)力變化情況和溫度變化情況。

2.2 電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)告警監(jiān)測(cè)

基于BFG 傳感器構(gòu)建的電網(wǎng)傳感監(jiān)控系統(tǒng)具備了實(shí)時(shí)向客戶端發(fā)送告警信息的功能，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，系統(tǒng)可顯示12小時(shí)內(nèi)警告信息的詳情。當(dāng)啟動(dòng)服務(wù)端和連接服務(wù)器后，用戶可在數(shù)據(jù)通信模塊的日志中獲取12小時(shí)內(nèi)的警告信息。同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)告警日志中的每一條告警信息都生成了對(duì)應(yīng)的ID、形成時(shí)間以及告警類型，并根據(jù)告警信息產(chǎn)生的時(shí)間順序顯示于用戶主界面的告警信息列表中；第二，實(shí)時(shí)告警信息的顯示?？蛻舳藭?huì)通過(guò)數(shù)據(jù)信息通信模塊以5秒每次的頻率查詢服務(wù)器中的告警日志，及時(shí)的將新產(chǎn)生的告警信息發(fā)送至客戶端。

第三，查看警告地理位置。系統(tǒng)利用GPS 定位系統(tǒng)對(duì)故障位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，只需點(diǎn)擊用戶界面的告警位置按鈕即可查看。進(jìn)入地圖界面后，客戶端將跳轉(zhuǎn)至電子地理顯示窗口，其中閃爍的紅色警示信息表示的就是線路故障位置；第四，清除當(dāng)前警告。當(dāng)告警監(jiān)測(cè)界面的記錄過(guò)多時(shí)，可選擇清除當(dāng)前顯示告警信息的按鈕逐條刪除告警信息，但為方便用戶隨時(shí)查看歷史告警信息，系統(tǒng)在清除日志內(nèi)告警信息記錄的同時(shí)，也會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)中備份好所有的告警信息，極大地提升了系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的安全性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性以及共享性。

綜上，將光纖通信技術(shù)和光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)的運(yùn)維工作中，具有可行性強(qiáng)、效益性高、使用成本低廉以及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，是目前增強(qiáng)配電網(wǎng)絡(luò)輸電能力和安全性能的核心技術(shù)，文章介紹的以BFG 傳感器為基礎(chǔ)構(gòu)建的電網(wǎng)傳感監(jiān)控系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)、采集以及處理電力傳輸線路和桿塔等監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度及應(yīng)變情況，是徹底實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化和智能化，且該系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)顯示告警信息和故障點(diǎn)位置的功能，為運(yùn)維人員全面、及時(shí)、精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)和處理電力線路故障提供了可靠的參考依據(jù)，強(qiáng)化了電力企業(yè)控制運(yùn)營(yíng)成本、提升盈利能力的能力。因此，本文所介紹的BFG 智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有明顯的可行性和效益性，值得在今后的工作中不斷推廣和使用。