基于光纖傳感網的高壓輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測系統

徐云水，鄔卓恒，梁仕斌，李英娜,4，昌 明

（1. 昭通供電局，云南 昭通 657000；2. 昆明理工大學信息與自動化學院，云南 昆明 650500；3. 云南電力試驗研究院，云南 昆明 650217；4. 昆明理工光智檢測科技有限公司，云南 昆明 650032；5. 昆明能訊科技有限責任公司，云南 昆明 650200）

基于光纖傳感網的高壓輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測系統

徐云水1，鄔卓恒2，梁仕斌3，李英娜2,4，昌 明5

（1. 昭通供電局，云南 昭通 657000；2. 昆明理工大學信息與自動化學院，云南 昆明 650500；3. 云南電力試驗研究院，云南 昆明 650217；4. 昆明理工光智檢測科技有限公司，云南 昆明 650032；5. 昆明能訊科技有限責任公司，云南 昆明 650200）

電力系統是國民經濟命脈，高壓輸電線路是電力系統的橋梁。實時監(jiān)測高壓輸電線路的狀態(tài)安全對國民經濟至關重要。早期，使用人工巡查監(jiān)測線路狀態(tài)，之后使用無線傳感設備監(jiān)測線路狀態(tài)。人工巡檢效率低下且不能實時監(jiān)測、無線傳感設備易受高壓線路電磁干擾。光線傳感器以其抗干擾能力強、傳速速度快等特點能夠解決高壓輸電塔線監(jiān)測的安全性和實時性問題。首先根據高壓輸電塔線需監(jiān)測的物理量研制光纖傳感器，其次架設光纖傳感網絡，然后設計開發(fā)高壓輸電線路監(jiān)測軟件平臺，最后，根據西靖線的實際情況布設傳感器、構建傳感網絡、部署監(jiān)測平臺得到實時監(jiān)測數據。系統能實時接收傳感器數據，監(jiān)測高壓輸電線路狀態(tài)

光纖傳感器；高壓輸電塔線；狀態(tài)監(jiān)測；軟件設計

0 引言

云南省地處高原，氣候及自然環(huán)境非常復雜且地域差別較大，高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運行帶來很多危害和隱患：云南省地震、構造變形等地質災害多發(fā)，泥石流、山體滑坡、地基沉降等現象也頻頻出現，由于復雜地質條件限制，許多輸電塔線建在地質不安全區(qū)域。提高高壓輸電設備的安全穩(wěn)定性，增強電網抵御自然災害的能力，實現對變電站及輸變電設備的多方面、全方位監(jiān)測，非常有必要引入新的監(jiān)測手段。傳統的輸電線路運行狀態(tài)監(jiān)測主要依賴有源的電傳感器件，單項狀態(tài)量的監(jiān)測需配置相應的電源、控制電路、通訊線路。傳統的監(jiān)測系統除了需要電源、受電磁干擾嚴重等缺點外，特別在地質監(jiān)測方面有精度較低、不適合邊坡內部監(jiān)測造價昂貴等。

光纖傳感器自20世紀70年代問世以來，得到了廣泛的關注，特別是近幾年，光纖傳感器的工程應用研究迅速發(fā)展。2010年，謝強[1]等人為研究風荷載下覆冰導線動張力對輸電塔結構的動力作用，利用 FBG應變傳感器，通過覆冰特高壓輸電塔分裂導線藕聯體系風洞試驗測得了導線的動應變，發(fā)現規(guī)范對覆冰導線弦向張力荷載值的考慮略顯不足，不平衡張力容易成為輸電塔結構破壞的重要原因。2011年劉健夫等人[2]探討了 Bragg光纖光柵（FBG）監(jiān)測方法和布里淵光時域反射（BOTDR）技術監(jiān)測方法，兩種方法優(yōu)點突出，具有廣泛的發(fā)展前景。最后做了展望，指出光纖監(jiān)測是未來地下工程監(jiān)測領域的發(fā)展趨勢。2013年，黃平平[3]等人通過 FBG 應變傳感器測試鐵塔 3 條料拉索的應變，計算出鐵塔塔頂的擺幅，傾斜度誤差約 1/24 000，能夠滿足鐵塔安全報警的要求，可以代替人工定期測試的方法。2016年，黃新波[4]等人防止輸電塔塔體傾斜、變形，甚至出現倒塔等事故，提出了一種采用光纖光柵傳感器的鐵塔應力監(jiān)測方法，首先利用軟件分析鐵塔易故障點，使用光纖傳感器在易故障點實時采集應力信息，利用監(jiān)控中心的專家軟件對鐵塔應力進行整體分析，當鐵塔外部載荷過大時提前預警。光纖傳感技術應用于輸電導線狀態(tài)監(jiān)測目前還處在初期研究階段。本文研究基于光纖傳感網的高壓輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測系統，解決傳統傳感監(jiān)測系統的弊端。

1 輸電塔線光纖傳感網

1.1 光纖傳感器

基于光纖傳感網的高壓輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統中，根據不同的監(jiān)測對象及其易受損的機理，系統使用的傳感器包括：結構檢測光纖傳感器、環(huán)境檢測光纖傳感器與高壓環(huán)境中的光纖傳感器。主要有光纖光柵應力應變傳感器（三種），光纖光柵壓力傳感器（一種），光纖光柵震動傳感器（一種），光纖光柵風速、風向傳感器（各一種），光纖光柵溫度傳感器（四種），光纖光柵濕度傳感器（兩種），光纖分布式應變傳感器（一種）等，共計14種不同類型傳感器。同時，根據電力系統待監(jiān)測對象參數的區(qū)別，各傳感器使用不同的結構、性能參數以適應不同應用場合的需求。總的來說，一共使用的傳感器有以下幾種：自鎖緊式應變傳感器、大量程應變傳感器、高靈敏度光纖光柵位移傳感器、大量程光纖光柵位移傳感器、角度傳感器、土壓力傳感器、振動傳感器、稱重傳感器、風速傳感器、風向傳感器、濕度傳感器、高分子聚合物型光纖光柵濕度傳感器、毛發(fā)型光纖光柵濕度傳感器、環(huán)境溫度傳感器、導線溫度傳感器、耐高壓擊穿光纖溫度傳感器、測溫光纖復合絕緣子傳感器。

研制上述傳感器并通過傳感器測試得到光纖傳感器放置在該物理場中，得到相應光纖解調儀對光纖傳感器輸出光信號解調信息，記錄不同時間及物理場環(huán)境中傳感器輸出信號，并將該信號與標準傳感器輸出信號進行比較，為傳感器綜合性能指標的評價提供數據支撐。

1.2 光纖傳感網的組建

監(jiān)測網絡由應變傳感器、溫度傳感器、微風振動傳感器、傾斜傳感器導、線溫度傳感器等傳感器組成，用于監(jiān)測每一基塔上的狀態(tài)信息。光纖傳感技術[5]需借助于波分復用（WDM）技術、空分復用（SDM）等技術，實現分布式或準分布式光纖組網，以擴大傳感測試范圍。WDM[6]技術在光纖通信領域用來實現未來超大容量的全光通信的技術手段之一。由于光纖光柵的傳感信號是波長編碼的，利用波分復用技術可實現同一光纖上不同傳感器的信息傳輸。通過光纖總線上各傳感光纖光柵的波長信號來詢址，每個波長信號攜帶不同測量點、不同參量(可以是同一測量點的信息)的信息，從而實現光纖光柵傳感大容量詢址的目的，如圖1所示。

SDM[7]傳感網絡中，各光纖通路按照空間位置進行編碼，SDM技術將光源發(fā)出的光信號通過選通光開關切換到所需要詢址的光纖通路，因此該光纖通路上的光纖光柵受到被測場的調制，從而把被測場的信息反饋到波長解調設備，如圖2所示。

圖2 光纖光柵傳感網空分復用技術圖Fig.2 Space division multiplexing technique of fiber grating sensor network

為有效提高光纖傳感網絡效果，更大限度地增加傳感器的布設，可結合上波分復用（WDM）技術、空分復用（SDM）。如圖3所示為結合WDM、SDM技術的光纖光柵傳感網[8,9]，利用該技術可同時對m×n只傳感器的布設與解調。

圖3 綜合型的光纖光柵復用技術Fig.3 Integrated fiber grating multiplexing technology

傳感器工作過程中波長串擾，同一光纖通道中傳感器波長間距應保證在2.0~2.5以上（依傳感器具體輸出范圍而定），每通道可串聯光柵數量為 16~20只。

光線傳感器組網中重要的一個步驟是光纖橋接技術，本系統中光技術在線路全工況無源在線監(jiān)測系統，在沒有接續(xù)盒上的桿塔上架設子網絡需要考慮采用其他的接入方式[10,11]：在沒有自然接續(xù)盒的桿塔上專門架設一段ADSS光纜，連接到附近有接續(xù)盒的桿塔上。假定OPGW的接續(xù)盒在29號耐張塔上，OPGW 的兩芯從 29號塔接續(xù)盒中與外加的ADSS光纖連接，將ADSS另一端連接到30號塔上，如圖所示。30號桿塔上光傳感器組成的子網絡通過ADSS接入OPGW光纜，監(jiān)測主機放置在線路一端變電站的機房內。

圖4 OPGW接續(xù)盒Fig.4 OPGW connector box

2 輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測系統

傳統的輸電線路在線監(jiān)測是采用電信號的傳感器進行測量，在強電磁環(huán)境下易受到信號干擾和丟失，無法實現參量的精準監(jiān)測，而本系統利用光纖傳感器克服了這些缺點，能實現輸電線路各參量的精準測量。設計的監(jiān)測軟件的用戶為輸電線路安全負責人員，該系統能覆蓋公里內所有的輸電線路，系統用戶界面操作簡單、整潔、美觀，對于不具備專業(yè)知識的用戶也很容易上手操作。

2.1 系統技術架構

輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測系統依靠的技術平臺共分為3部分如圖 5所示：光纖光柵傳感器組網、塔線狀態(tài)監(jiān)測系統、數據自動計算分析。其中，光纖傳感網是高壓輸電監(jiān)測系統的物理基礎，是監(jiān)測系統的數據來源；塔線狀態(tài)監(jiān)測是輸電塔線監(jiān)測系統的核心；數據分析與狀態(tài)評測是監(jiān)測系統進一步的拓展。

在線監(jiān)測系統采用集中式的數據庫系統設計：PostgreSQL存儲基礎數據和在線監(jiān)測數據；影像數據和一部分靜態(tài)的電子地圖數據則采用 GeoDatabase方式存儲在硬盤加快數據存儲速度。

三維圖形平臺（B/S），是基于微軟DotNet平臺使用C#語言編寫的ASP.NET Web應用程序，使用SkyLine作為 3D數據的展示與應用平臺，使用OpenLayers來訪問GeoServer提供的WMS平面地圖服務。數據庫系統采用的是 Postgresql數據庫，使用 ADO.NET數據訪問接口與數據庫進行數據交互。B/S采用asp.net+jquery來編寫界面，而用ado.net來實現數據庫訪問，另外用開源的地圖訪問腳本：openlayers來訪問geoserver提供的WMS地圖服務，實現對地圖的操作與控制。

2.2 系統總體結構

輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測系統總體功能分為五個主要模塊：監(jiān)測界面、時序曲線、報表管理、報警管理、后臺管理。如圖6所示。

在線監(jiān)測界面采用flash制作，主要顯示各個監(jiān)測區(qū)域實時監(jiān)測的數據，點擊flash界面上的任一監(jiān)測區(qū)域可顯示該區(qū)域當前的實時數據；時序曲線可以顯示特定區(qū)域特定傳感器的歷史數據曲線；趨勢分析是依據歷史數據分析推算傳感器的未來數據；報表管理包括日報表和月報表管理兩個部分，數據庫通過代理實現每小時和每天自動添加平均數據進入日報表和月報表。

圖5 狀態(tài)監(jiān)測系統平臺技術架構圖Fig.5 State monitoring system platform technical architecture

圖6 系統總體設計框圖Fig.6 Overall design diagram of the system

報警管理包括報警記錄和報警處理兩個部分。其中，報警記錄負責記錄當前和歷史報警狀態(tài)。當有報警發(fā)生時，數據庫會自動將報警記錄添加到報警記錄表中。實時界面顯示報警的地點及警報燈；報警處理顯示已處理的所有報警信息。該模塊可實現報警信息查詢，通過用戶所選擇的查詢條件篩選出所需要的報警信息。后臺管理包括用戶管理、傳感器參數管理、監(jiān)測區(qū)域管理、測點配置管理和監(jiān)測數據管理五個功能。

2.3 結構功能

第一、在線監(jiān)測，在線監(jiān)測界面采用flash制作，主要顯示各個監(jiān)測區(qū)域實時監(jiān)測的數據，點擊flash界面上的任一監(jiān)測區(qū)域可顯示該區(qū)域當前的實時數據；除此之外，在監(jiān)測數據發(fā)生報警時，還會在相應報警位置閃爍報警燈。在線監(jiān)測模塊是高壓輸電線路的核心模塊，此模塊一共可分成9個功能子模塊如圖7所示，數據接收、三維桿塔展示、光纖復合絕緣子監(jiān)測、導線溫度監(jiān)測、導線微風振動監(jiān)測、導線覆冰監(jiān)測、微氣象監(jiān)測、桿塔傾斜檢測，數據維護。

圖7 在線監(jiān)測模塊Fig.7 Online monitoring module

第二、時序曲線，時序曲線包括時序曲線和趨勢分析兩個部分。時序曲線可以顯示特定區(qū)域特定傳感器的歷史數據曲線；趨勢分析采用算法，依據歷史數據分析推算傳感器的未來數據。

第三、報表管理，報表管理包括日報表和月報表管理兩個部分，數據庫通過代理實現每小時和每天自動添加平均數據進入日報表和月報表。報表管理模塊可以查看不同日期的日報表和月報表情況。

第四、報警管理，報警設置包括報警記錄和報警處理兩個個部分。報警記錄模塊記錄當前和歷史報警狀態(tài)。當系統有報警發(fā)生時，數據庫會自動將報警記錄添加到報警記錄表中。實時界面顯示報警的地點及警報燈。報警處理模塊顯示已處理的所有報警信息。該模塊可實現報警信息查詢，通過用戶所選擇的查詢條件篩選出所需要的報警信息。

第五、后臺管理，后臺管理包括用戶管理、傳感器參數管理、監(jiān)測區(qū)域管理、測點配置管理和監(jiān)測數據管理五個功能。

（a）用戶管理：用戶登錄是用戶與系統的接口，用戶必須先登錄系統并經系統驗證無誤后，方能獲得相應的權限以進入系統進行操作。系統登錄同時也承擔著系統的安全防范任務，系統登錄可以完成對用戶信息的校驗，對于不正確的用戶信息進行鑒別并拒絕其進入系統；對正確的用戶信息進行進一步的處理，獲取用戶在該系統中的權限信息，并進行用戶狀態(tài)登記，引導用戶進入相應的操作界面。修改用戶：高級別用戶可通過該模塊來增加、刪除、修改比其級別低的用戶信息，從而確定低級別用戶的權限，方便人員的管理。退出系統：點擊退出系統，整個程序將關閉。（b）傳感器參數管理：用戶可以在此界面管理所有傳感器的參數。（c）監(jiān)測區(qū)域管理：監(jiān)測區(qū)域管理界面可以查看、修改、刪除監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測編號、名稱、監(jiān)測傳感器數量、通信方式等。（d）測點配置管理：測點配置管理界面可以查看、修改、刪除相應監(jiān)測區(qū)域的傳感器編號、測量閥值上下限、報警開關、設備狀態(tài)等信息。（e）監(jiān)測數據管理：監(jiān)測數據管理界面可以根據測點區(qū)域、監(jiān)測時間等信息查看傳感器的歷史監(jiān)測數據。

第六、退出系統退出系統功能可使整個程序將關閉。系統提供的后臺管理功能，是保證整個系統正常運行的關鍵。傳感器管理提供各監(jiān)測傳感器的物理參數；區(qū)域管理劃分整個監(jiān)測區(qū)域；測點配置將監(jiān)測區(qū)域內的測點與傳感器一一對應起來；傳感器映射將系統采集的波長對應到各傳感器；數據庫管理為數據安全提供保證。

3 系統實施及應用

3.1 傳感器的安裝

以西靖線 30#塔線背景，將基于光纖傳感網的高壓輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測系統實際運用于的山地塔線的地質監(jiān)測與狀態(tài)監(jiān)測。

首先對西靖線 30#塔的地理環(huán)境特性和桿塔結構、邊坡進行有限元分析獲得應力集中點和狀態(tài)易破壞點，針對有限元分析數據，安裝不同的光纖傳感器，例如圖8所示的微風振動傳感器、風速傳感器、鐵塔傾角傳感器、稱重傳感器。安裝完成傳感器后組建光纖傳感網，安裝監(jiān)測系統軟件。

圖8 傳感器安裝Fig.8 Sensor installation diagram

3.2 塔線狀態(tài)監(jiān)測

進入高壓輸電塔線監(jiān)測得左側顯示各個監(jiān)測得功能點，進入全光網分布圖圖后的主界面后就會展示二維GIS展示界面是監(jiān)測區(qū)分布圖、監(jiān)測點分布圖，在GIS圖像二維展示的模型顯示監(jiān)測點的具體地里位置，點開具體位置后顯示該鐵塔的監(jiān)測的具體的監(jiān)測屬性包括導線溫度、絕緣子風偏監(jiān)測、導線微風振動監(jiān)測、覆冰監(jiān)測、桿塔傾斜監(jiān)測、微氣象監(jiān)測、光纖復合絕緣子監(jiān)測。在三維圖中能具體至少鐵塔的傳感器的具體位置，如圖9、10所示。

點擊主監(jiān)測界面上的導線溫度監(jiān)測，顯示導線的溫度。監(jiān)測畫面如下圖11所示。

在微環(huán)境的監(jiān)測可以監(jiān)測風速、風向、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等問題，監(jiān)測數據顯示畫面如下圖12所示。

4 結束語

本文結合云南省高壓輸電塔線發(fā)展現狀和云南省地理環(huán)境因素，針對傳統輸電線路監(jiān)測存在的技術難題，提出基于光纖傳感網的高壓輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測系統。針對現存塔線監(jiān)測現存問題，研制光纖傳感器，建立光纖傳感器網，開發(fā)監(jiān)測系統實時監(jiān)測高壓輸電塔線狀態(tài)，保證塔線安全并在西靖線30#塔線附近的電網進行實施。高壓輸電線路監(jiān)測還處于初步階段，特別是在高海拔地區(qū)輸電塔線還處于起步階段。隨著我國電網智能化的發(fā)展，光纖光柵因其抗干擾能力強、傳輸速度快的特點在電網智能化上得到廣泛應用。

圖9 高壓輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測主界面Fig.9 High voltage transmission line condition monitoring main interface

圖10 高壓輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測三維圖Fig.10 Three dimensional diagram of state monitoring of high voltage transmission tower

圖11 導線稱重監(jiān)測數據Fig.11 Monitoring data of conductor weight

圖12 環(huán)境溫度監(jiān)測的數據Fig.12 Data for environmental temperature monitoring

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State Monitoring System of High Voltage Transmission Tower Line Based on Optical Fiber Sensing Network

XU Yun-shui1, WU Zhuo-heng2, LIANG Shi-bin3, LI Ying-na2,4, CHANG Ming5
(1. Zhaotong Power Supply Bureau, Zhaotong, 657000, China; 2. Faculty of Information and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650500, China; 3. Yunnan Electric Power Research Institute, Kunming 650217, China; 4. Kunming engineering light Testing Technology Co., Ltd., Kunming, 650032, China; 5. Kunming NengXun of Information Technology Co., Ltd, Kunming, 650200 China)

The power system is the lifeline of the national economy, high-voltage transmission line is the bridge of the power system. The real-time monitoring of the state security of high voltage transmission lines is crucial to the national economy. In the early days, manual patrol was used to monitor the status of the line, and then wireless sensors were used to monitor the status of the line. Manual inspection is inefficient and can not be monitored in real time, and wireless sensing equipment is susceptible to electromagnetic interference of high-voltage lines. Because of its strong anti-interference ability and fast transmission speed, the light sensor can solve the security and real-time problems of high voltage transmission line monitoring. According to the physical quantity of high voltage transmission tower line monitoring the development of optical fiber sensor, the optical fiber sensor network design and construction, the development of monitoring software platform, high voltage transmission line finally, according to the actual situation, Xi Jing line sensor layout construction of sensor network deployment, monitoring platform,real-time monitoring data. The system can receive sensor data in real time and monitor the status of high voltage transmission line.

Optical fiber sensors; High voltage transmission tower line; Condition monitoring; Software design

TP212

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.005

本文著錄格式：徐云水，鄔卓恒，梁仕斌，等. 基于光纖傳感網的高壓輸電塔線狀態(tài)監(jiān)測系統[J]. 軟件，2017，38（11）：29-35

國家自然基金資助項目(51567013); 國家自然基金資助項目(51567011)

徐云水(1972-)，男，昭通供電局副總工程師、高級工程師，主要從事昭通電網發(fā)電、輸電、變電、配電的生產運行、檢修試驗及大修技改等生產管理等方面的工作；鄔卓恒(1993-)，男，碩士研究生，主要從事電力大數據分析、塔線狀態(tài)監(jiān)測研究、數據安全方面的研究工作；梁仕斌(1974-)，男，云南電力試驗研究院(集團)有限公司技術開發(fā)中心主任、教授級高級工程師，主要從事電力系統電磁測量及儀表研究工作；昌明(1985-)，男，工程師，主要從事電力系統輸變電狀態(tài)監(jiān)測信息化工作。

李英娜(1974-)，女，碩士，副教授，主要從事傳感網組建與信息集成和智能分析研究工作。