分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用的可行性

潘向榮，李志新，趙志強(qiáng)

(牡丹江水力發(fā)電總廠，黑龍江牡丹江157000)

0 引言

目前，中國(guó)電力系統(tǒng)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)電力設(shè)備運(yùn)行溫度的設(shè)備從工作原理上分為電信號(hào)傳感器和光信號(hào)傳感器。電信號(hào)傳感器主要有傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶、各種半導(dǎo)體傳感器等類型;光信號(hào)傳感器主要有拉曼散射原理傳感器和光纖光柵原理傳感器。因?yàn)殡娏I(yè)設(shè)備大多數(shù)處于強(qiáng)電磁場(chǎng)中，很多情況下要測(cè)量的地方處于高壓環(huán)境中(如高壓開關(guān)的在線監(jiān)測(cè)，高壓變壓器繞組、發(fā)電機(jī)定子等點(diǎn)位的溫度和位移等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量)，所以，測(cè)量這些點(diǎn)位需要的傳感器要求具有體積小、絕緣性能好，而且是無源器件。黑龍江省電力系統(tǒng)大多數(shù)都利用紅外測(cè)溫儀、紅外成像儀、感溫電纜、傳統(tǒng)的點(diǎn)式測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，除了對(duì)上述的一些部位無法監(jiān)測(cè)外，對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的斷路器、刀閘聯(lián)接點(diǎn)、觸頭測(cè)溫、全封閉金屬鎧裝柜等更是無能為力。光纖光柵傳感技術(shù)主要應(yīng)用于電力行業(yè)開關(guān)柜的監(jiān)測(cè)中。對(duì)此，為了能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)不同工作場(chǎng)合電力設(shè)備的運(yùn)行溫度，本文提出可采用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。

1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(DIS)技術(shù)原理

光纖測(cè)溫的機(jī)理是依據(jù)拉曼(Raman)散射效應(yīng)，激光脈沖與光纖分子相互作用發(fā)生散射來測(cè)溫的。散射有多種，如瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等，其中拉曼散射是光纖分子熱振動(dòng)產(chǎn)生1個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光(稱斯托克斯:Stokes)和1個(gè)比光源波長(zhǎng)短的光(稱為反斯托克斯:Anti－Stokes)。光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯光強(qiáng)發(fā)生變化，即Anti－Stokes與Stokes比值提供了溫度的絕對(duì)指示，利用這個(gè)原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(DIS)技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(DIS)技術(shù)原理圖

結(jié)合高品質(zhì)的脈沖光源、高速的信號(hào)采集與處理技術(shù)就可以得到沿著光纖所有點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度值。

1．1 電流采集方式

電流采集采用站內(nèi)自動(dòng)化讀取方式，只需了解電力行業(yè)通信協(xié)議格式即可獲取待測(cè)回路的負(fù)荷數(shù)據(jù)。CSM主站工控機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)的電力行業(yè)通信協(xié)議(如CDT規(guī)約)讀取待測(cè)回路的原始數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 電流采集讀取待測(cè)回路的原始數(shù)據(jù)系統(tǒng)圖

1．2 動(dòng)態(tài)載流量技術(shù)

載流量指某個(gè)特定環(huán)境中電纜在不超過電纜允許的最高工作溫度的條件下、在給定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)能通過的最大電流。界定載流量算法模型類型的概念有邊界、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，其中模型的邊界決定了模型適用的時(shí)間尺度。

為電纜及其環(huán)境建立時(shí)變的傳熱數(shù)學(xué)模型，稱為DCR模型。DCR模型可計(jì)算出在各種初始狀態(tài)和持續(xù)時(shí)間條件下的載流量，還可以進(jìn)行運(yùn)行仿真(只要給定未來的負(fù)荷電流曲線，就可以預(yù)測(cè)未來包括電纜導(dǎo)體溫度場(chǎng)的變化過程)。

在DTS出現(xiàn)以前，DCR計(jì)算主要用于暫態(tài)和周期性負(fù)荷計(jì)算。模型邊界設(shè)置在遠(yuǎn)處環(huán)境時(shí)模型包括不確定的電纜環(huán)境參數(shù)，通常只能取最不利條件;邊界設(shè)置在電纜內(nèi)部、電纜表面或鄰近處時(shí)模型參數(shù)基本確定，但邊界條件又是未知的，需要做有風(fēng)險(xiǎn)的假設(shè)。DTS的應(yīng)用首次為建立1個(gè)完全確定的(局部的、與環(huán)境無關(guān)的)DCR模型創(chuàng)造了條件。測(cè)溫光纜布置在電纜的表面或護(hù)層內(nèi)實(shí)時(shí)檢測(cè)到電纜的表面溫度或護(hù)層的溫度，以此為邊界，DCR模型內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)僅涉及到電纜結(jié)構(gòu)和受周邊電纜的電氣影響因素(電纜敷設(shè)完畢后就已經(jīng)確定)，如圖3所示。構(gòu)建出電纜結(jié)構(gòu)模型后，根據(jù)DTS測(cè)量出電纜表面溫度及已知的運(yùn)行載流量，就可以準(zhǔn)確計(jì)算電纜纜芯溫度及未來動(dòng)態(tài)載流量，可實(shí)現(xiàn)電纜溫度異常監(jiān)控及負(fù)荷監(jiān)控。

圖3 動(dòng)態(tài)載流量系統(tǒng)布置圖

在動(dòng)態(tài)載流量系統(tǒng)建立2個(gè)動(dòng)態(tài)載流量模型，分別為DCR－I模型(或稱內(nèi)模)及DCR－II(或稱外模)。邊界在電纜護(hù)層或電纜表面的DCR模型稱為DCR－I模型。由于模型參數(shù)和邊界條件是確定的，DCR－I模型可以可靠地計(jì)算出邊界內(nèi)的溫度場(chǎng)(包括導(dǎo)體溫度)，因此，通過分析電纜總熱量和該邊界溫度的響應(yīng)關(guān)系，辨識(shí)該邊界以外的附近環(huán)境散熱參數(shù)和狀態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)載流量計(jì)算或運(yùn)行仿真?；谵q識(shí)的載流量模型稱為DCR－II模型。

1．2．1 DCR －I動(dòng)態(tài)載流量模型1

DCR－I的建模參數(shù)為電纜回路的結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)體和各層的幾何參數(shù)和物性、導(dǎo)體的實(shí)際截面積、材料的電阻、電阻溫度系數(shù)、導(dǎo)體的集膚、鄰近因子、絕緣材料的介電系數(shù)、介質(zhì)損耗角、屏蔽損耗率。若測(cè)溫光纜敷設(shè)在電纜表面，則建模時(shí)還應(yīng)包括電纜表面到光纜的接觸熱阻和光纜本身的傳導(dǎo)熱阻。

DCR－I模型的輸入變量為實(shí)時(shí)電流和實(shí)時(shí)測(cè)溫光纖檢測(cè)的電纜表面溫度，其內(nèi)部狀態(tài)為電纜導(dǎo)體到邊界的溫度場(chǎng)。模型邊界條件為一類邊界，邊界點(diǎn)的數(shù)值為DTS測(cè)溫光纜的溫度檢測(cè)值。圖4為DCR－I模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 DCR－I模型結(jié)構(gòu)示意圖

1個(gè)完備的DCR－I模型應(yīng)具備如下功能:

a．準(zhǔn)確計(jì)算導(dǎo)體溫度。

b．以任意時(shí)間間隔刷新均保持穩(wěn)定。

c．在任意的初試狀態(tài)下保持穩(wěn)定。

d．可以適用于不同規(guī)格(截面和電壓等級(jí))的電纜。

e．可以適用于不同的光纜布置(電纜某護(hù)層或表面)。

1．2．2 DCR －II動(dòng)態(tài)載流量模型2

DCR－II的輸入為負(fù)荷電流和表面溫度的歷史曲線、由用戶給定的未來電流曲線，輸出為未來的負(fù)荷電流和表面溫度曲線、未來載流量關(guān)于可持續(xù)時(shí)間的函數(shù)曲線。圖5為DCR－II模型結(jié)構(gòu)示意圖。

DCR－II的環(huán)境辨識(shí)算法通常包括空氣散熱辨識(shí)子模型和熱傳導(dǎo)辨識(shí)子模型，空氣散熱辨識(shí)子模型適用于隧道電纜或其它室內(nèi)空氣中的電纜，熱傳導(dǎo)辨識(shí)子模型適用于排管和直埋電纜。DCR－II可以在無任何參數(shù)輸入的情況下開始工作，自動(dòng)識(shí)別電纜瓶頸點(diǎn)的環(huán)境類型、特性和狀態(tài)，因此特別適合于復(fù)雜的環(huán)境。事實(shí)上，DCR－II的仿真和載流量的計(jì)算基于這樣假設(shè):電纜附近環(huán)境的邊界溫度在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)變化。DCR－II的計(jì)算時(shí)間跨度通常設(shè)計(jì)不超過48 h，完成辨識(shí)所需要的歷史數(shù)據(jù)最少為72 h。

圖5 DCR－II模型結(jié)構(gòu)示意圖

2 電纜在線溫度監(jiān)測(cè)

選用1臺(tái)4 000 m、4通道的Firelaser光纖測(cè)溫主機(jī)對(duì)2個(gè)隧道內(nèi)的電纜進(jìn)行在線溫度監(jiān)測(cè)。每個(gè)通道監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的5根電纜，電纜在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案如圖6所示。各通道監(jiān)測(cè)的具體情況如表1所示。

圖6 電纜在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

表1 各通道監(jiān)測(cè)的具體情況

2．1 設(shè)備簡(jiǎn)介

測(cè)溫光纜:使用扎帶或者尼龍繩將測(cè)溫光纜緊密固定于待測(cè)電纜回路表面，測(cè)溫光纜本身既作為感溫光纜，同時(shí)也作為信號(hào)傳輸光纜。

DTS測(cè)溫主機(jī):實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行電纜的纜表溫度，若電纜纜表溫度達(dá)到報(bào)警設(shè)定值，則輸出報(bào)警信息;同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)的形式把數(shù)據(jù)發(fā)送給CSM主機(jī)。

CSM主機(jī):通常將CSM上位軟件布置在該主機(jī)上，主要實(shí)現(xiàn)電纜載流量的動(dòng)態(tài)計(jì)算與分析、異常點(diǎn)的掃描與判斷、報(bào)警輸出功能、多臺(tái)DTS主機(jī)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)采集。

路由器:實(shí)現(xiàn)DTS主機(jī)與CSM主機(jī)之間的通信連接。

2．2 系統(tǒng)特點(diǎn)

a．可靠性高，對(duì)電纜全長(zhǎng)度敷設(shè)測(cè)溫光纜，不存在探測(cè)盲區(qū)。

b．傳感器使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)30 a，即使在火災(zāi)發(fā)生后，測(cè)溫光纜也能繼續(xù)使用。

c．技術(shù)先進(jìn)，可準(zhǔn)確計(jì)算出電纜纜芯溫度，溫度計(jì)算誤差不大于±2℃。

d．性能先進(jìn)，反應(yīng)迅速，測(cè)量距離遠(yuǎn)。

e．防雷擊、抗高壓、安全性高，適用于對(duì)安全等級(jí)要求較高的場(chǎng)所。

f．配置便捷，可實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)在線設(shè)置，可對(duì)電纜結(jié)構(gòu)及敷設(shè)環(huán)境進(jìn)行獨(dú)立建模。

g．界面顯示多樣化，可顯示多種類型曲線、參數(shù)等，具有人性化的顯示界面。

h．可擴(kuò)展性強(qiáng)、事故后可恢復(fù)能力強(qiáng)。

i．內(nèi)置多種規(guī)約，便于在大監(jiān)控平臺(tái)集成。

電纜在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于分布式光纖溫度測(cè)量技術(shù)(DTS)與動(dòng)態(tài)載流量技術(shù)(DCR)的電纜安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CSM)，為電力資產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和利用提供有效的解決方案。

系統(tǒng)核心功能如下:

a．線路電纜全長(zhǎng)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。b．溫度尖峰異常點(diǎn)監(jiān)測(cè)。c．電纜結(jié)構(gòu)按需建模、電纜靜態(tài)載流量計(jì)算。d．電纜纜芯溫度計(jì)算、短時(shí)許用電流計(jì)算。e．未來短期載流量計(jì)算。f．電纜多層溫度細(xì)節(jié)展現(xiàn)。g．電纜纜芯溫度、纜表溫度及線路載流量綜合展現(xiàn)。h．無人值守功能。i．溫度細(xì)節(jié)放大顯示。j．多級(jí)報(bào)警轉(zhuǎn)換機(jī)制。k．報(bào)警閥值在線設(shè)置功能。l．歷史事件顯示。m．多區(qū)域配置功能。

2．3 通信規(guī)約

系統(tǒng)通過 CDT規(guī)約、101規(guī)約、104規(guī)約、Modbus規(guī)約、繼電器通信約定、功能碼的分配、數(shù)據(jù)幀的配置等來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸及詢問、確認(rèn)主站的報(bào)文，使測(cè)溫主機(jī)及時(shí)檢測(cè)到報(bào)警信息，觸發(fā)相應(yīng)的繼電器，將報(bào)警信息輸出到輸入模塊中，觸發(fā)報(bào)警。

3 結(jié)論

光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在許多發(fā)電企業(yè)和供電公司得到了廣泛應(yīng)用，如北京東效變電站220 kV電纜溫度測(cè)量系統(tǒng)、烏江思林水電站220kV電纜監(jiān)測(cè)、彭水水電站母線監(jiān)測(cè)、大盈江水電站等都已經(jīng)采用此系統(tǒng)。實(shí)踐證明，光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可靠，運(yùn)行情況良好，提高了設(shè)備安全檢測(cè)人員的工作效率。