基于D T S的電纜安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施案例

楊 峰 羅巧梅肖 愷 李 平 蔡海文趙 浩

（1.上海波匯通信科技有限公司，中國(guó) 上海 200120；2.上海紫珊光電技術(shù)有限公司，中國(guó) 上海 200120）

0 背景

連接陳家鎮(zhèn)變電站和長(zhǎng)興島變電站的110kV的家長(zhǎng)1130和1133線是為長(zhǎng)興島供電的主要線路。由于負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)，更換更大輸送能力的電纜的建設(shè)項(xiàng)目已在規(guī)劃中。為保證該線路在過(guò)渡階段可靠運(yùn)行，決定采用DTS光纖測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

家長(zhǎng)1130和1133線由10700米海纜段、6000米的架空線段和接入長(zhǎng)興變的約100米的排管段構(gòu)成。在項(xiàng)目建議階段提出了兩個(gè)方案：（1）全線監(jiān)控：在排管段敷設(shè)測(cè)溫光纖，并與架空線OPGW光纖和海纜內(nèi)置光纖接續(xù)，形成覆蓋全線的DTS測(cè)溫[1-5]方案；（2）關(guān)鍵段監(jiān)控：設(shè)計(jì)單位確認(rèn)該線路的負(fù)荷瓶頸發(fā)生在排管段，因此該方案只監(jiān)測(cè)排管段；考慮到實(shí)施技術(shù)難度低，并具有良好的性價(jià)比，經(jīng)由專家討論決定采用方案2。目前該監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)完成安裝并投入使用了近三個(gè)月；系統(tǒng)工作穩(wěn)定，提供被監(jiān)控對(duì)象的安全狀態(tài)和其他各種信息。

1 系統(tǒng)方案

1.1 概述

在長(zhǎng)興變控制室內(nèi)設(shè)置一臺(tái)DTS主機(jī)，一臺(tái)稱為本地站的工業(yè)計(jì)算機(jī)和GPRS模塊。和DTS主機(jī)連接的兩根測(cè)溫光纜分別經(jīng)由控制線橋架，并敷設(shè)在家長(zhǎng)1130和家長(zhǎng)1133線的排管段的電纜表面；每根光纜均以來(lái)回走線的方式覆蓋回路的三相電纜。DTS主機(jī)和測(cè)溫光纜構(gòu)成了DTS測(cè)溫子系統(tǒng)，完成電纜表面分布溫度的實(shí)時(shí)采集任務(wù)。本地站和DTS主機(jī)和GPRS模塊相連，并可從變電站監(jiān)控系統(tǒng)讀取兩個(gè)回路的實(shí)時(shí)負(fù)荷電流。當(dāng)DTS每完成一次分布溫度數(shù)據(jù)檢測(cè)，就觸發(fā)本地站通過(guò)GPRS發(fā)送分布溫度和負(fù)荷電流數(shù)據(jù)。由于沒(méi)有可用的有線通訊通道，方案采用了數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加密和校驗(yàn)設(shè)置的GPRS通訊手段，見(jiàn)圖1。

GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至電纜公司的公網(wǎng)IP，并驅(qū)動(dòng)一個(gè)接入公司內(nèi)網(wǎng)的在線監(jiān)控服務(wù)器。該監(jiān)控服務(wù)器稱為CSM站，設(shè)置在電纜公司值班室，完成以下實(shí)時(shí)任務(wù)：

分析電纜表面溫度數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)溫度異常點(diǎn)；

監(jiān)控電纜的當(dāng)前負(fù)荷水平，保證電纜負(fù)荷安全；

為完成上述任務(wù)，部署在CSM站的監(jiān)控應(yīng)用軟件采用了溫度異常點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制和動(dòng)態(tài)載流量技術(shù)。結(jié)合這些工業(yè)智能算法，所述設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)基于DTS的電纜安全監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 溫度異常點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制

方案采用了常規(guī)的最高溫度監(jiān)控指標(biāo)外，對(duì)另一項(xiàng)常規(guī)的最高溫升速率指標(biāo)進(jìn)行了SPD空間尖峰探測(cè)法的優(yōu)化，形成了最高尖峰溫升指標(biāo)，并采用MTS多時(shí)間尺度方法，在多個(gè)時(shí)間尺度上創(chuàng)建該指標(biāo)，以具備發(fā)現(xiàn)較微弱溫度異常的功能。

電纜故障熱學(xué)特征的研究表明，電纜故障在分布溫度上呈現(xiàn)為米級(jí)空間尺度的尖峰。SPD利用小波濾波算法，濾除由非故障原因?qū)е碌拇笥谠摮叨鹊姆植紲囟茸兓筒▌?dòng)，如

（1）電纜的整體溫度變化（自身電纜或鄰近電纜的負(fù)荷變化）；

（2）局部較大區(qū)域的溫度變化（隧道通風(fēng)）；

（3）溫升臺(tái)階（兩個(gè)環(huán)境交界面，光纖某點(diǎn)衰耗突增）；

（4）較大尺度的溫度梯度（環(huán)境條件不均勻）

在本方案中，SPD的濾波距離常數(shù)為2.0米。經(jīng)濾波后的分布溫升變?yōu)槊准?jí)空間尺度的尖峰溫升的分布；據(jù)此可以設(shè)置最高尖峰溫升指標(biāo)。該指標(biāo)實(shí)現(xiàn)這樣一種監(jiān)測(cè)效果：各點(diǎn)的溫度不僅和自身溫度的歷史，同時(shí)還和鄰近段的溫度作比較。相對(duì)于常規(guī)溫升速率指標(biāo)而言，提供了針對(duì)性強(qiáng)的報(bào)警機(jī)制。

由于SPD可以有效濾除正常的電纜溫度波動(dòng)，尖峰溫升這一監(jiān)控指標(biāo)可以在長(zhǎng)度不受限制的時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)，在本方案中，利用MTS方法，設(shè)置了如下三個(gè)時(shí)間尺度的尖峰溫升：

（1）最近 5 分鐘；

（2）最近 2 小時(shí)；

（3）最近 24 小時(shí)

其警戒線和報(bào)警線均分別設(shè)置在3.0℃和5.0℃。在運(yùn)行一段時(shí)間后，將根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度噪音水平進(jìn)行調(diào)整。1.3 動(dòng)態(tài)載流量算法

DTS的應(yīng)用首次為建立一個(gè)完全確定的（局部的、與環(huán)境無(wú)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)僅涉及電纜結(jié)構(gòu)和該電纜受周邊電纜的電氣影響因素，而后者在電纜敷設(shè)完畢后就已經(jīng)確定。邊界在電纜護(hù)層或電纜表面的DCR模型稱為DCR-I模型或內(nèi)模，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）和短時(shí)緊急負(fù)荷。通過(guò)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)，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；該基于辯識(shí)的載流量模型稱為DCR-II模型或外模。

在本方案中，為兩個(gè)回路建立了DCR-I模型和DCR-II模型，分別用于完成電纜導(dǎo)體溫度實(shí)時(shí)計(jì)算和48小時(shí)運(yùn)行仿真和動(dòng)態(tài)載流量計(jì)算。其中，實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度作為方案負(fù)荷安全監(jiān)控的核心指標(biāo)；其警戒線和報(bào)警線均分別設(shè)置在75℃ 和85℃。

由于在實(shí)際電纜中無(wú)法檢測(cè)到導(dǎo)體溫度，為證實(shí)DCR-I模型的有效性和準(zhǔn)確性，在方案實(shí)施前委托武漢高壓研究院進(jìn)行并通過(guò)了有關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。DCR-II模型的特征是具有環(huán)境自適應(yīng)能力；試驗(yàn)室模擬多種環(huán)境的代價(jià)很高，并且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，因此不宜進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。由于DCR-II模型可預(yù)測(cè)電纜表面溫度，因此，計(jì)劃在運(yùn)行階段（前六個(gè)月內(nèi)）完成現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

1.4 DCR-I模型驗(yàn)證試驗(yàn)

見(jiàn)圖2，試驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程分為三個(gè)階段：

（1）準(zhǔn)備：在試驗(yàn)室內(nèi)搭建試驗(yàn)電纜回路系統(tǒng)，如下圖；為了和實(shí)際應(yīng)用情況相符，試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)象為一個(gè)在線的DCR-I系統(tǒng)，由一個(gè)小型的DTS子系統(tǒng)和一臺(tái)DCR-I計(jì)算機(jī)構(gòu)成；DCR-I模型按照試驗(yàn)電纜回路的參數(shù)建模，以DTS實(shí)時(shí)檢測(cè)的分布溫度和實(shí)時(shí)電流為輸入條件，計(jì)算、顯示并記錄導(dǎo)體溫度。經(jīng)校驗(yàn)的溫度記錄儀和電流記錄設(shè)備構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)記錄單元；其通過(guò)與之相連的若干熱電偶和電流互感器實(shí)時(shí)采集和記錄電纜表面溫度、導(dǎo)體溫度、環(huán)境溫度和電流，作為試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；其中，檢測(cè)導(dǎo)體溫度的熱電偶插入至電纜中段鉆至導(dǎo)體的小孔中。

（2）運(yùn)行：施加特定的環(huán)境條件，啟動(dòng)試驗(yàn)回路、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)記錄單元和DCR-I系統(tǒng)；

（3）結(jié)論：匯總和對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)數(shù)據(jù)文件和DCR-I系統(tǒng)生成的計(jì)算報(bào)告，給出驗(yàn)證結(jié)論。

試驗(yàn)環(huán)境一共設(shè)計(jì)為三種：空氣中自然對(duì)流，強(qiáng)制通風(fēng)和水浸；光纜的敷設(shè)方式有兩種：緊密附著和松弛附著。其中，考慮到本項(xiàng)目中被監(jiān)控的電纜均被水浸沒(méi)，而穿過(guò)排管的光纜不可能保證附著在電纜表面，因此專門(mén)設(shè)計(jì)了水浸和光纜松弛附著的試驗(yàn)案例。施加的負(fù)荷電流每小時(shí)隨機(jī)調(diào)整一次，并保證導(dǎo)體溫度能在允許的范圍內(nèi)盡可能大幅度變動(dòng)。實(shí)施的試驗(yàn)案例共四個(gè)，見(jiàn)表1：

表1 實(shí)施的試驗(yàn)案例四個(gè)

圖3為案例三的DCR-I計(jì)算報(bào)告生成的電流-溫度響應(yīng)曲線。X軸坐標(biāo)為試驗(yàn)時(shí)間，共持續(xù)16小時(shí)；Y軸主坐標(biāo)為電流，單位為A；Y軸副坐標(biāo)為溫度，單位為℃。其中鋸齒形曲線為負(fù)荷電流，另外三根曲線由上至下分別為DCR-I計(jì)算的導(dǎo)體溫度，DCR-I計(jì)算的電纜表面溫度和DTS檢測(cè)到的光纖溫度。

通過(guò)匯總所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到驗(yàn)證結(jié)論：在所有試驗(yàn)案例中，由DTS和DCR-I構(gòu)成的被驗(yàn)證系統(tǒng)所計(jì)算的導(dǎo)體溫度和實(shí)測(cè)值的最大偏差不大于2.0℃。該偏差可以滿足實(shí)際在線監(jiān)控的要求。試驗(yàn)驗(yàn)證了DCR-I模型的環(huán)境無(wú)關(guān)性：即在各種或變動(dòng)環(huán)境條件下，其均能穩(wěn)定和可靠地計(jì)算出導(dǎo)體溫度。

試驗(yàn)確認(rèn)在水浸的條件下，電纜表面到光纖的熱阻和它們之間的空間距離并不很敏感；DCR-I的導(dǎo)體溫度計(jì)算準(zhǔn)確度在光纜和電纜表面松弛接觸或保持一個(gè)不大的間距的情況下仍然可以得到保證。另外，水浸試驗(yàn)還表明，由于水的熱容較大，雖然導(dǎo)體溫度直接受變化電流的驅(qū)動(dòng)，但電纜表面的溫度變化幅度很?。贿@證實(shí)了直接以電纜表面溫度作為電纜負(fù)荷水平監(jiān)控指標(biāo)是不可行的。

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析舉例

目前該監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)完成安裝并投入使用了近三個(gè)月。系統(tǒng)監(jiān)控的用戶對(duì)象除了家長(zhǎng)1130和1133線外，還包括光纜經(jīng)過(guò)的控制線橋架。對(duì)于后者，僅需采用溫度異常監(jiān)控功能即可。到目前為止，被監(jiān)控的用戶對(duì)象一直處于安全狀態(tài)中?，F(xiàn)以家長(zhǎng)1130線在2008年6月至7月間的數(shù)據(jù)舉例說(shuō)明和分析。以下使用的圖表均為監(jiān)控系統(tǒng)的截屏。

分布溫度：時(shí)間為7月21日上午9：15的實(shí)例見(jiàn)圖4。其中橫坐標(biāo)為空間長(zhǎng)度，單位為米；由光纜的走向順序決定，前102米左右為B相，104米198米為C相（反向），201米至291米為A相；圖中下部一根曲線為當(dāng)前分布溫度，參考左邊主坐標(biāo)Y軸；實(shí)測(cè)最高溫度發(fā)生在254米處，為30.0℃。中間三條曲線按照變化幅度由小至大分別為實(shí)時(shí)、最近10分鐘、最近2小時(shí)的分布溫度的變化，參考右邊Y軸坐標(biāo)。其中溫度變化較大的區(qū)域，均處于電纜井位置，受外界氣溫影響較大。另外，其空間尺度在10米以上，也表明該溫度變化屬正常。這些觀測(cè)結(jié)果顯示，受監(jiān)控的電纜分布溫度比較均勻，無(wú)異常或顯著的熱瓶頸點(diǎn)。

表面最高溫度指標(biāo)：其跟蹤曲線見(jiàn)圖5；其中最大值36.4℃ (7月19日)；該跟蹤曲線由實(shí)時(shí)檢測(cè)的電纜表面溫度按天匯總生成。匯總?cè)斓臄?shù)據(jù)，可以得到最大值，均值和最小值。圖中的三根曲線由高至低，分別為每日最大值曲線，均值曲線和最小值曲線。（下面的尖峰溫升跟蹤曲線也是相同方式的匯總結(jié)果）該回路的額定電纜表面溫度為66.1℃，目前先暫時(shí)采用較低的火警報(bào)警閾值：警戒線48℃，報(bào)警線58℃，未來(lái)視負(fù)荷和環(huán)境溫度的變化再作調(diào)整。該指標(biāo)狀態(tài)為安全。

結(jié)合氣象資料，可以發(fā)現(xiàn)表面最高溫度和天氣相關(guān)性很大。在進(jìn)入七月后，氣溫明顯升高；在負(fù)荷沒(méi)有明顯提升的情況下，電纜表面溫度在二十天內(nèi)升高了約9℃。在更早的時(shí)候，也觀測(cè)到降雨可以更新排管內(nèi)的水體，明顯地減低電纜環(huán)境溫度。

另一項(xiàng)觀測(cè)結(jié)果顯示，靠近電纜戶外終端的電纜段，因?yàn)楸┞对诖髿庵?，直接受氣溫和日照的影響，往往可能成為日間電纜表面溫度的最高點(diǎn)處。在敷設(shè)光纜時(shí)，應(yīng)確保光纜覆蓋該段。

最高尖峰溫升（5分鐘內(nèi)）指標(biāo)：其跟蹤曲線見(jiàn)圖6；最大值0.6oC(7月19日)；該指標(biāo)的警戒線3.0℃，報(bào)警線5.0℃。該指標(biāo)狀態(tài)為安全。

觀測(cè)表明，目前這些最高溫升尖峰基本上發(fā)生在上午電纜井附近的電纜段；電纜井內(nèi)溫度易受大氣溫度變化的影響。該指標(biāo)的是為發(fā)現(xiàn)電纜故障點(diǎn)而設(shè)置的。但上述局部的（米級(jí)長(zhǎng)度）電纜受外界氣溫影響的效果和電纜故障引發(fā)的熱學(xué)現(xiàn)象一致，因此可以認(rèn)為對(duì)于后者，前者構(gòu)成了一種噪音源。由此涉及了該指標(biāo)如何設(shè)定報(bào)警閾值的問(wèn)題。如果閾值設(shè)置過(guò)低，可能會(huì)造成頻繁的誤報(bào)警；設(shè)置過(guò)高，則可能導(dǎo)致無(wú)法發(fā)現(xiàn)電纜故障點(diǎn)。目前計(jì)劃采用的作法是，在早期運(yùn)行階段，根據(jù)該指標(biāo)的歷史信息的統(tǒng)計(jì)量調(diào)整該指標(biāo)的報(bào)警閾值，如取歷史數(shù)據(jù)的平均值加標(biāo)準(zhǔn)偏差的若干倍，報(bào)警線2.0倍，警戒線3.0倍。

最高導(dǎo)體溫度指標(biāo)：該指標(biāo)與負(fù)荷電流、表面溫度三個(gè)變量共同構(gòu)成的跟蹤曲線稱為電流-溫度響應(yīng)曲線；圖7是其以天為時(shí)間單位的視圖；指標(biāo)最大值42.5度(7月19日),最小值29.8度(6月29日)；該指標(biāo)的警戒線75℃，報(bào)警線85℃。該指標(biāo)狀態(tài)為安全。

電纜的導(dǎo)體溫度是當(dāng)前電纜負(fù)荷水平的關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)。DCR-I模型實(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)體溫度，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)匯總生成最近60分鐘（以實(shí)時(shí)刷新間隔為時(shí)間單位），最近4天（以小時(shí)為時(shí)間單位），最近365天（以天為時(shí)間單位）的三個(gè)電流-溫度響應(yīng)曲線視圖。其數(shù)據(jù)匯總的方法與上述兩個(gè)指標(biāo)不同：導(dǎo)體溫度取階段的最高值，電流和電纜表面溫度取階段的均值。這些視圖提供了電纜回路負(fù)荷水平狀態(tài)和歷史的直觀的呈現(xiàn)。可以通過(guò)這些圖表得出結(jié)論：目前電纜的負(fù)荷水平較低，以目前的負(fù)荷狀態(tài)和環(huán)境條件，在最近幾周內(nèi)應(yīng)仍然保持安全狀態(tài)。

動(dòng)態(tài)載流量分析：監(jiān)控系統(tǒng)提供了未來(lái)48小時(shí)運(yùn)行仿真，圖8為以設(shè)計(jì)額定566A作為未來(lái)給定負(fù)荷的仿真得到的以小時(shí)為時(shí)間單位的電流-溫度響應(yīng)曲線；圖中豎線為當(dāng)前時(shí)間（6月19日下午1：00），其左面為歷史曲線，右邊為預(yù)測(cè)的電流給定和電纜表面溫度/導(dǎo)體溫度的計(jì)算值。計(jì)算表明預(yù)測(cè)的導(dǎo)體溫度最高達(dá)到58℃。另一個(gè)算例結(jié)果為：在905A的給定電流條件下，導(dǎo)體溫度最高達(dá)到85℃?？偨Y(jié)為：在當(dāng)前的狀態(tài)下，該回路可以承載其設(shè)計(jì)負(fù)荷566A，在短時(shí)間內(nèi)（48小時(shí)）其載流量可達(dá)到905A。仿真計(jì)算是基于一個(gè)由監(jiān)控系統(tǒng)在線統(tǒng)計(jì)獲得的日（24小時(shí)）負(fù)荷曲線。上述給定電流是按照該負(fù)荷曲線的小時(shí)最高值。

48小時(shí)運(yùn)行仿真和載流量計(jì)算由DCR-II模型完成。DCR-II模型通過(guò)辨識(shí)方法獲得瓶頸點(diǎn)的周圍環(huán)境散熱特性。但辨識(shí)方法在輸入條件不夠強(qiáng)（如負(fù)荷很小或日夜負(fù)荷相差很?。┗蛲獠扛蓴_較大（如電纜井口附近的瓶頸點(diǎn)受天氣影響）的情況下，無(wú)法產(chǎn)生辨識(shí)結(jié)果。在這種情況下，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)要求用戶幫助輸入某些已知的環(huán)境條件。

對(duì)于較短的時(shí)間尺度（小于電纜傳熱時(shí)間常數(shù)，通常為小時(shí)級(jí)）的運(yùn)行仿真和許用電流，DCR-I可以給出很確定的結(jié)果。對(duì)于大于48小時(shí)的載流量計(jì)算，可以根據(jù)最近365天電流-溫度響應(yīng)曲線的數(shù)據(jù)，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法手工完成。

3 總結(jié)

本項(xiàng)目的實(shí)施為DTS在電纜安全監(jiān)控方面的應(yīng)用提供了一個(gè)良好的案例；在該案例中，監(jiān)控系統(tǒng)使用智能的計(jì)算機(jī)分析方法完成電纜溫度異常監(jiān)測(cè)和負(fù)荷監(jiān)控兩項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，為電纜安全運(yùn)行提供了有效的保障手段。

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