李鵬飛

摘 要：利用FBG（Fiber Bragg Grating，光纖布拉格光柵）傳感器監(jiān)測電力線及其輸電桿塔的應(yīng)變的溫度變化，通過電力線中的光纖通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測信號發(fā)送至遠端的監(jiān)測中心，由客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的軟件計算出電力線覆冰厚度、電力線弧垂等數(shù)據(jù)，并且存儲、計算和顯示實時監(jiān)測信息。本監(jiān)測系統(tǒng)完成了實際上線安裝，并且取得良好監(jiān)測效果。

關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵傳感器；電力線監(jiān)測；分析

引言

隨著電力系統(tǒng)的大范圍、超高壓和大容量化，電力傳輸線路及設(shè)備實時監(jiān)測與故障定位系統(tǒng)建設(shè)等正成為全世界的關(guān)注焦點，成為當(dāng)前電力技術(shù)的發(fā)展方向[1]。當(dāng)前已有的攝像頭監(jiān)測等傳統(tǒng)監(jiān)測方法在極端天氣以及斷電情況下無法使用，所以可靠穩(wěn)定的電力線多參量實時監(jiān)測成為熱門研究方面。鑒于以上原因，創(chuàng)新性地提出了直接利用FBG傳感器對電力線及其桿塔進行監(jiān)測，再經(jīng)過一系列模型計算覆冰厚度等參量，充分利用FBG傳感器的無源性、高可靠性、可長距離傳輸?shù)葍?yōu)點可以克服以往監(jiān)測方法的缺點，監(jiān)測桿塔應(yīng)變、覆冰厚度等最需要的參量，實現(xiàn)了可靠的電力線多參量實時監(jiān)測。

1 光纖布拉格光柵傳感器

FBG傳感器[2]是最常見的一種光纖傳感器，它具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其他光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能，目前應(yīng)用主要集中在溫度、應(yīng)變的測量。它在建筑、石油管道等工程之中廣泛使用，但未在電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，已有應(yīng)用也主要集中在高壓開關(guān)柜或室內(nèi)等環(huán)境中[3]。本方案選擇陶瓷保護FBG溫度傳感器和金屬保護FBG應(yīng)變傳感器，以保證傳感器能在復(fù)雜環(huán)境中長期正常工作，其中陶瓷保護的FBG溫度傳感器能夠直接在高壓強電環(huán)境下工作，可以安裝在電力線相線上。

2 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)概述

安裝的FBG傳感器通過安裝、焊接的方式固定在電力線及其桿塔上，直接測量電力線和桿塔的應(yīng)變和溫度，并且通過光纖熔接的方法把傳感器串聯(lián)到光纖通道中，利用OPGW[4]（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纖復(fù)合架空地線）、OPPC[5]（Optical Phase Conductor，光纖復(fù)合相線）、ADSS（All-dielectric Self-supporting Optical Cable， 全介質(zhì)自承式光纜）等這些電網(wǎng)中廣泛使用的特種光纜，為光纖傳感信息的遠距離傳輸提供通道。

監(jiān)測中心主要基于一個C/S（Client/Server，客戶機/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)，服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，完成光信號的解調(diào)，然后進行目標(biāo)參量的計算和在數(shù)據(jù)庫中的存儲，而客戶端軟件通過網(wǎng)絡(luò)查看數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 基于C/S結(jié)構(gòu)的監(jiān)測軟件

如圖1所示，監(jiān)測軟件系統(tǒng)中，服務(wù)器軟件獲取FBG解調(diào)儀解析的FBG傳感器的光信號數(shù)據(jù)，計算與存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，客戶端獲取并顯示出實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.1 服務(wù)器軟件

主要功能有FBG傳感器的添加、修改和刪除等管理操作；存儲FBG解調(diào)設(shè)備實時上傳的FBG傳感器反射波長數(shù)據(jù)；依照計算模型計算出和用戶配置信息計算并實時顯示溫度、桿塔應(yīng)變和覆冰的厚度等目標(biāo)參量；實時相應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)查看請求；根據(jù)計算出的參量對可能出現(xiàn)的險情生成告警提示；服務(wù)器操作日志的記錄和查詢。

服務(wù)器軟件與解調(diào)儀之間通過以太網(wǎng)進行連接，服務(wù)器軟件發(fā)送上傳數(shù)據(jù)命令實時獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)包。解調(diào)儀以2HZ的頻率上傳原始波長數(shù)據(jù)，服務(wù)器軟件接收到解調(diào)儀的返回報文后解析并寫入緩存和數(shù)據(jù)庫，根據(jù)一定的計算模型進行數(shù)據(jù)計算，把光柵的反射波長數(shù)據(jù)計算成電力線的溫度、應(yīng)變、覆冰厚度值。如果計算出的參量超出正常范圍，則生成相應(yīng)的告警。

在目標(biāo)參量的計算過程中，溫度和桿塔應(yīng)變都可以直接由FBG溫度和應(yīng)變傳感器測量出來，覆冰厚度參量根據(jù)輸電線的應(yīng)變與溫度通過基于拋物線方程的計算模型[6]近似得出。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計了三個數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)。配置信息數(shù)據(jù)庫主要存儲FBG解調(diào)儀的信息、FBG傳感器、參量計算中參數(shù)的信息以及告警日志信息；波長數(shù)據(jù)庫主要用于存儲FBG解調(diào)儀上傳到服務(wù)器軟件的FBG傳感器反射波長數(shù)據(jù)；目標(biāo)參量數(shù)據(jù)庫用于存儲經(jīng)過計算后的所有目標(biāo)參量數(shù)據(jù)。服務(wù)器軟件在數(shù)據(jù)庫中存取數(shù)據(jù)的頻率高、持續(xù)時間長，對數(shù)據(jù)庫的性能有較高的要求，所以數(shù)據(jù)庫使用了存儲過程、檢索等方法來減輕數(shù)據(jù)庫的壓力，提升性能和穩(wěn)定性。

3.3 客戶端軟件

客戶端軟件直接面對監(jiān)控系統(tǒng)的操作者，具有實時告警監(jiān)測、電網(wǎng)參量監(jiān)測的基本功能。軟件啟動并連接服務(wù)器成功后，進入用戶主界面，在主界面中有實時告警檢測功能，還可以進入電網(wǎng)參量監(jiān)測、幫助等界面中。

目標(biāo)參量監(jiān)測功能是客戶端軟件核心的功能，即桿塔應(yīng)變、覆冰厚度、溫度等目標(biāo)參量數(shù)據(jù)的實時曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出。

4 監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)完成后，在某電力線上進行了實際布設(shè)，獲得良好的實際監(jiān)測效果。監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)變化符合正常的氣溫變化，應(yīng)變數(shù)據(jù)變化符合桿塔受大風(fēng)、溫度等變化造成桿塔和輸電線熱脹冷縮引起的應(yīng)變，覆冰厚度和電力線弧垂數(shù)據(jù)也符合傳統(tǒng)觀測到的結(jié)果。

5 結(jié)束語

文章介紹了利用FBG傳感器對電力線進行實時監(jiān)測，這種結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)提出一種全新地電力線監(jiān)測方法，F(xiàn)BG傳感器的無源性、可靠性高性保證了極端環(huán)境下系統(tǒng)的可用性，C/S結(jié)構(gòu)的軟件保障了數(shù)據(jù)的高效存儲與查看。該監(jiān)測系統(tǒng)必能發(fā)揮其重大作用，為智能電網(wǎng)的實現(xiàn)邁出實質(zhì)性地一步。

參考文獻

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[2]姜志剛.FBG光纖光柵的原理和應(yīng)用[J].中國水運，2008，8（5）：128-129.

[3]錢祥中.高壓開關(guān)柜內(nèi)接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007，2（2）：73-75.

[4]李如秀，姚志剛.光纖復(fù)合架空地線（OPGW）在輸電線路上的應(yīng)用[J].江西電力，2002，26（4）：41-43.

[5]陳希，戚力彥，劉漢新，馬曉明.OPPC在電網(wǎng)中的應(yīng)用研究與實驗技術(shù)[J].電力系統(tǒng)通信，2009，30（7）：5-8.

[6]LI L M， SUN X， MENG X B， ZHANG Z G， CHEN X； ZHANG M. 2010 2nd IITA International Conference on Geoscience and Remote Sensing[J].2010， 2（2）， 226-229.