湖北思級科技有限公司 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、中繼距離長等優(yōu)勢，被廣泛運用于電力、石油、航空航天、軍事通信等領(lǐng)域。光纖傳感技術(shù)是指檢測和傳輸光波信號的傳感器，此類傳感器完美地繼承了光纖材料的優(yōu)勢，具有極高的穩(wěn)定性和抗電磁干擾能力，是目前監(jiān)測強電磁干擾、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)測模式和傳感技術(shù)等已無法實現(xiàn)全面、實時、在線監(jiān)測電網(wǎng)運行狀況的目的。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實的基礎(chǔ)。但與此同時，智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的信息共享機制不健全、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)測中，可有效提升監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測范圍和抗電磁干擾能力，彌補當(dāng)前智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的問題，在控制配電網(wǎng)絡(luò)運行成本的同時，增強電力企業(yè)的服務(wù)水平和盈利能力。

本文設(shè)計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的穩(wěn)定性、抗電磁干擾能力以及靈敏度，是目前實現(xiàn)監(jiān)測極熱極寒、電磁場強度大等環(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，被廣泛運用于電力傳輸線路和傳輸設(shè)備的監(jiān)測中。這主要是因為隨著外界溫度、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也會發(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)射波長就會產(chǎn)生現(xiàn)行偏移，此時就可通過判斷波長頻移的距離來計算出監(jiān)測對象溫度、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算模型

FBG 是目前所有傳感器中技術(shù)最成熟、測量最精準(zhǔn)及使用最廣泛的，將其用于測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，就能實現(xiàn)監(jiān)測單位范圍內(nèi)電線及桿塔的實時溫度及異常情況，其感知溫度范圍可達(dá)-30℃～200℃，且監(jiān)測結(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；λt0表示的是0℃條件下FBG 溫度傳感器對應(yīng)的反射波長；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)測中，可幫助運維人員及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)在運行過程中存在的安全隱患，為全面、及時、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用于電力行業(yè)，其良好的絕緣性能為監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運行提供了有力的保障。

1.2 桿塔應(yīng)變計算模型

桿結(jié)構(gòu)表面的FBG 傳感器是目前監(jiān)測桿塔應(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，測量結(jié)果可精準(zhǔn)到0.5微應(yīng)變。但無論是溫度和應(yīng)變中的某一個物理量發(fā)生變化、還是兩個物理量同時發(fā)生變化，溫度光柵的波長都會發(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溫度傳感器，根據(jù)此原理，可將桿塔應(yīng)變計算公式表達(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，單位nm；λtn表示FBG 溫度傳感器的反射波長，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，單位nm；λtm表示初始狀態(tài)下FBG 溫度傳感器的反射波長，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，可通過監(jiān)測電力線應(yīng)變和溫度變化情況的方式，計算出覆冰對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，最終實現(xiàn)運用FBG傳感器測量電力線覆冰厚度的目的。在對電力線的相干數(shù)值進行計算式，通常會將其看成柔線，以便于可以運用懸鏈線或拋物線方程等原理計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算結(jié)果更加貼近與實際情況，但其計算過程相對復(fù)雜，并不適合在監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜的電力傳輸領(lǐng)域運用；拋物線法指的是將電力線視為一條標(biāo)準(zhǔn)的拋物線，計算過程相對簡單，且計算結(jié)果與實際情況間存在的差異也在工作允許的范圍內(nèi)，其計算過程大致如下。

首先，計算初始無覆冰狀態(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，計算出初始狀態(tài)下無覆冰情況時電力線水平方向的應(yīng)力大小：σm=l2gm/(8fmcosφ)，式中：l 表示兩個桿塔之間的距離、單位m，fm表示初始狀態(tài)下架空電力線的弧垂、單位m，cosφ表示兩個桿塔之間的高度差與距離的夾角余弦角，通過兩桿塔之間的距離和高度求得。

再次，計算FBG 傳感器監(jiān)測到的電力線應(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、單位nm；λcn表示FBG 溫度傳感器的反射波長、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，單位nm；λcm表示初始狀態(tài)下FBG 溫度傳感器的反射波長，單位nm；d 表示電力線的直徑長度，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

2.1 FBG 傳感器的電力線監(jiān)測系統(tǒng)

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

以FBG 傳感器為基礎(chǔ)構(gòu)建的電力線在線監(jiān)測系統(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)測信號的主要通道；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)器通過以太網(wǎng)與解調(diào)儀進行連接，是處理信息和存儲信息的主要部件，同時通過互聯(lián)網(wǎng)連接客戶端，并實時將監(jiān)測結(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)測安裝步驟為：第一，運用焊接等方式將溫度計和應(yīng)變計固定于電力線纜上；第二，將傳感器中的光纖和光纜熔接在一起；第三，將FBG 傳感器通過串聯(lián)的方式與電力線復(fù)合光纜串聯(lián)在一起。

在整個監(jiān)測系統(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，極大地增強了信息采集和傳輸?shù)男?。而位于監(jiān)測重心的服務(wù)器、客戶端等則是通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進行連接，使用戶可以隨時隨地獲取電力線及桿塔的運行狀態(tài)。整個系統(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)計算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)展示為一體的智能監(jiān)測系統(tǒng)，為電力傳輸監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)程化、智能化以及自動化的增強提供了強有力的技術(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和應(yīng)變計構(gòu)成的，可直接測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)測系統(tǒng)實時告警監(jiān)測

基于BFG 傳感器構(gòu)建的電網(wǎng)傳感監(jiān)控系統(tǒng)具備了實時向客戶端發(fā)送告警信息的功能，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，系統(tǒng)可顯示12小時內(nèi)警告信息的詳情。當(dāng)啟動服務(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小時內(nèi)的警告信息。同時數(shù)據(jù)庫告警日志中的每一條告警信息都生成了對應(yīng)的ID、形成時間以及告警類型，并根據(jù)告警信息產(chǎn)生的時間順序顯示于用戶主界面的告警信息列表中；第二，實時告警信息的顯示。客戶端會通過數(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)對故障位置進行實時定位，只需點擊用戶界面的告警位置按鈕即可查看。進入地圖界面后，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)測界面的記錄過多時，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，也會在數(shù)據(jù)庫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、實時性、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)的運維工作中，具有可行性強、效益性高、使用成本低廉以及操作簡便等優(yōu)勢，是目前增強配電網(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)可同時監(jiān)測、采集以及處理電力傳輸線路和桿塔等監(jiān)測對象的溫度及應(yīng)變情況，是徹底實現(xiàn)了配電網(wǎng)絡(luò)自動化和智能化，且該系統(tǒng)還具有實時顯示告警信息和故障點位置的功能，為運維人員全面、及時、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)，強化了電力企業(yè)控制運營成本、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。