FBG技術(shù)在抽水蓄能電站監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉寶昕

（中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100024）

1 概況

抽水蓄能電站一般包括上水庫、下水庫、廠房及水道系統(tǒng)，建筑物空間分布范圍廣、距離遠(yuǎn)、高差大，水道系統(tǒng)貫通上、下水庫與廠房，常位于山體內(nèi)。安全監(jiān)測采用常規(guī)電類傳感器，每支儀器需1根專用電纜，電傳信號(hào)隨傳輸距離衰減且易受干擾，因此電纜需就近引至監(jiān)測站。而水道系統(tǒng)的監(jiān)測站常設(shè)在水庫進(jìn)/出水口、施工支洞、廠房廊道等部位，不能集中觀測。若要建立自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，施工支洞封堵段外、調(diào)壓井井口、廠房廊道等部位的監(jiān)測站因位于地下或深山，其供電和數(shù)據(jù)傳輸將十分困難，甚至部分傳感器無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，同時(shí)，在上、下水庫和廠房間建立自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)專用通信線路也存在困難。FBG技術(shù)能較好地解決上述問題，改善水道監(jiān)測系統(tǒng)狀況。

2 FBG技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)概述

2.1 FBG技術(shù)

光纖傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，對(duì)光信號(hào)某一特征量進(jìn)行測定，根據(jù)該特征量與被測物理量的特定關(guān)系，計(jì)算得出被測物理量的精確變化量。光纖傳感器技術(shù)主要有法布里帕羅空腔光纖傳感技術(shù)、FBG傳感技術(shù)、低相干涉光纖傳感技術(shù)、拉曼散射分布式光纖傳感技術(shù)和布里淵散射分布式關(guān)系傳感技術(shù)。與常規(guī)電測傳感器相比，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、防雷等優(yōu)勢，逐漸在工程監(jiān)測中得以應(yīng)用。

FBG傳感器是一種點(diǎn)式光纖傳感器，傳感器的2塊光柵組合形成莫爾條紋，被測物理量變化引起光柵移動(dòng)，光柵的移動(dòng)距離通過光電檢測系統(tǒng)對(duì)移過的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理后自動(dòng)測量出來。因兩端出纖的傳感器可從任一端進(jìn)行測量，傳感器可多支串聯(lián)后進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，所以，監(jiān)測儀器成活機(jī)會(huì)提高，傳輸介質(zhì)數(shù)量減少，尤其突破了常規(guī)電測類傳感器傳輸距離的瓶頸，并可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，成本也相對(duì)低廉，也為水道系統(tǒng)監(jiān)測提供了新的選擇。

2.2 FBG監(jiān)測系統(tǒng)

FBG監(jiān)測系統(tǒng)主要由寬帶光源、信號(hào)傳輸光纖、FBG傳感器、信號(hào)解調(diào)等組成[1]。其工作流程是寬帶光源產(chǎn)生的光波作為載波，經(jīng)入射光纖傳輸?shù)絺鞲衅?，光波的某些特征參量在傳感器?nèi)被外界物理量所調(diào)制，含有被調(diào)制信息的光波經(jīng)出射光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換部分，經(jīng)調(diào)解后得到被測物理量的大小和狀態(tài)。

抽水蓄能電站水道FBG監(jiān)測系統(tǒng)，考慮了施工期臨時(shí)觀測、充水調(diào)試期動(dòng)態(tài)自動(dòng)觀測、電站監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)局域網(wǎng)通信等。系統(tǒng)典型布置包括1臺(tái)計(jì)算機(jī)、若干FBG傳感器、FBG解調(diào)儀、單模多芯鎧裝主干光纜和單模單芯鎧裝連接光纜等，見圖1。

圖1 抽水蓄能電站水道FBG監(jiān)測系統(tǒng)典型布置示意圖

3 工程實(shí)例

3.1 工程簡介

某抽水蓄能電站為I等大（1）型工程，總裝機(jī)容量1200MW，額定水頭521m。電站樞紐主要由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫工程組成。水道系統(tǒng)總長約2.3km，由上水庫進(jìn)/出水口、引水隧洞、引水調(diào)壓井、高壓管道、尾水隧洞和下水庫進(jìn)/出水口組成。

3.2 監(jiān)測項(xiàng)目及儀器類型

盡管FBG傳感器技術(shù)上較為成熟，但在抽水蓄能電站水道系統(tǒng)鮮有應(yīng)用。因此，工程謹(jǐn)慎地僅在應(yīng)力應(yīng)變和溫度類監(jiān)測項(xiàng)目上選用了FBG傳感器。

水道系統(tǒng)監(jiān)測部位包括引水隧洞、引水調(diào)壓井、高壓管道、尾水隧洞以及上、下庫進(jìn)/出水口，監(jiān)測斷面襯砌類型包括鋼筋混凝土襯砌和鋼板襯砌，設(shè)置的監(jiān)測項(xiàng)目及儀器類型匯總見表1。

表1 監(jiān)測項(xiàng)目及儀器類型匯總表

3.3 斷面設(shè)置及儀器接入

水道系統(tǒng)圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類為主，局部穿越斷層、破碎帶等部位為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，選擇圍巖條件較差和有代表性的部位設(shè)置監(jiān)測斷面。監(jiān)測斷面分布于1號(hào)和2號(hào)引水系統(tǒng)的上平段、調(diào)壓井、上斜井、中平段、下斜井、下平段、岔管段，1號(hào)和3號(hào)尾水系統(tǒng)的下平段、斜井段，3號(hào)和4號(hào)尾水閘門井。水道系統(tǒng)共布置監(jiān)測斷面33處，子斷面合計(jì)58個(gè)，共布置FBG傳感器369支，見表2。

表2 水道系統(tǒng)監(jiān)測斷面及儀器數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于FBG傳感器，按監(jiān)測斷面逐個(gè)進(jìn)行串接后，再與主干光纜的光纖進(jìn)行“U”型熔接。每根光纖最多可接入傳感器的數(shù)量，根據(jù)FBG解調(diào)儀的帶寬所能容納傳感器最小帶寬的數(shù)量確定；傳感器的最小帶寬基于工作帶寬，并考慮傳感器緩沖區(qū)帶寬及制作誤差帶寬最終確定。該工程采用的FBG解調(diào)儀的帶寬為40nm，經(jīng)綜合考慮，傳感器占用的最小帶寬按2nm計(jì)，每根光纖最多可接入20支傳感器，對(duì)于含溫補(bǔ)光柵的傳感器則只接入10支傳感器。

3.4 主干光纜芯數(shù)及敷設(shè)線路

3.4.1 確定主干光纜芯數(shù)

主干光纜采用單模多芯鎧裝光纜，每條需監(jiān)測的隧洞設(shè)置1根。主干光纜芯線數(shù)根據(jù)所在隧洞的傳感器數(shù)量、每根光纖擬接入的傳感器數(shù)量、隧洞設(shè)置監(jiān)測斷面的個(gè)數(shù)、每個(gè)斷面?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)量初定，并考慮有效利用FBG解調(diào)儀的通道數(shù)，以及留足備用芯線、統(tǒng)一主干光纜芯數(shù)等因素最終確定。以該工程1號(hào)引水系統(tǒng)為例，通常確定主干光纜芯數(shù)有3種方式。

方式一：根據(jù)FBG傳感器總數(shù)量確定。工程1號(hào)引水系統(tǒng)FBG傳感器數(shù)量最多，為184支，考慮溫補(bǔ)光柵，按每根光纖最多可接入10支傳感器計(jì)算，則主干光纜需要19根光纖。該方式確定了光纜的最少芯線數(shù)，可充分利用接入光纖的解調(diào)儀通道，但監(jiān)測斷面間調(diào)配的工作量大，不利于施工和管理，除非解調(diào)儀通道資源緊張，一般僅作為參考。

方式二：根據(jù)FBG傳感器監(jiān)測斷面?zhèn)€數(shù)確定。工程1號(hào)引水系統(tǒng)共有監(jiān)測斷面27個(gè)。其中，布置有FBG傳感器的監(jiān)測斷面21個(gè)，斷面內(nèi)FBG傳感器不足5支的2個(gè)，5～8支的13個(gè)，10～15支的3個(gè)，15～20支的2個(gè)，22支的1個(gè)。按每根光纖最多接入10支傳感器，不考慮斷面間共用光纖，則主干光纜需要28根光纖。該種方式確定了光纜較為寬裕的芯線數(shù)，便于施工和管理，但對(duì)于接入傳感器數(shù)較少的光纖，浪費(fèi)了解調(diào)儀的通道資源。

方式三：在方式二的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配。1）對(duì)于傳感器數(shù)量（或余數(shù)）均少于5支的兩個(gè)監(jiān)測斷面可共用1根光纖；2）對(duì)于傳感器數(shù)量（或余數(shù)）之和小于10的2個(gè)監(jiān)測斷面可共用1根光纖。按前者調(diào)配，則主干光纜可優(yōu)化為25芯。調(diào)配后，解調(diào)儀通道資源得以高效利用，施工和管理也較為方便。

在上述計(jì)算方式的基礎(chǔ)上，考慮為監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)提供通道等原因，工程水道系統(tǒng)均采用32芯主干光纜。

3.4.2 主干光纜敷設(shè)線路

分別沿1號(hào)引水系統(tǒng)和2號(hào)引水系統(tǒng)各設(shè)置1條32芯主干光纜，上水庫端分別從上水庫2個(gè)進(jìn)出水口閘門井引出，最終引至上水庫值班房監(jiān)測室，廠房端經(jīng)高壓支管沿地下廠房上游邊墻最終引至副廠房監(jiān)測室。分別沿1號(hào)尾水系統(tǒng)和3號(hào)尾水系統(tǒng)各設(shè)置1條32芯主干光纜，下水庫端分別從下水庫1號(hào)、3號(hào)尾水閘門井引出，沿左岸庫頂公路電纜溝引至攔河壩值班房監(jiān)測室，廠房端分別經(jīng)1號(hào)、3號(hào)尾水管沿地下廠房下游邊墻最終引至副廠房監(jiān)測室。

3.4.3 兼顧監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)局域網(wǎng)通信

FBG監(jiān)測系統(tǒng)主干光纜的敷設(shè)線路，除滿足水道系統(tǒng)監(jiān)測外，兼顧監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)局域網(wǎng)通信。工程監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)監(jiān)測管理站，分別位于上水庫值班房監(jiān)測室、地下廠房副廠房監(jiān)測室和下水庫值班房監(jiān)測室，與水道FBG監(jiān)測系統(tǒng)主干光纜的兩端在同一房間。自地下副廠房監(jiān)測室至下水庫值班房監(jiān)測室和上水庫值班房監(jiān)測室，各2根FBG監(jiān)測系統(tǒng)的32芯主干光纜連通，均可提供至少2芯光纖供監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)組網(wǎng)使用。

3.5 觀測

系統(tǒng)配備便攜式FBG讀數(shù)儀，方便施工期對(duì)未接入主干光纜的FBG傳感器進(jìn)行人工觀測。FBG傳感器接入主干光纜后，通過中速FBG解調(diào)儀，在計(jì)算機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)施工期的自動(dòng)觀測。

FBG監(jiān)測系統(tǒng)除可進(jìn)行常規(guī)的靜態(tài)監(jiān)測外，還可進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測，如獲取水道系統(tǒng)充放水、機(jī)組調(diào)試、機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)等快速工況過程中的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而捕捉到瞬間極值，以判斷水工結(jié)構(gòu)在快速工況下是否安全。

4 監(jiān)測成果

在1號(hào)機(jī)組甩100%負(fù)荷過程中，利用FBG監(jiān)測系統(tǒng)獲取了高頻次的動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖2是1號(hào)機(jī)組甩100%負(fù)荷過程中截取的5min內(nèi)岔管主管監(jiān)測斷面7個(gè)鋼板應(yīng)力測值的過程曲線。這對(duì)常規(guī)電類傳感器來說是難以實(shí)現(xiàn)的。

圖21號(hào)機(jī)組甩100%負(fù)荷過程中岔管主管鋼板應(yīng)力變化過程曲線

圖2 給出1號(hào)機(jī)組甩負(fù)荷全過程鋼板應(yīng)力變化情況，監(jiān)測頻率設(shè)置為每5s采集1次。從圖2中可以看出，鋼板應(yīng)力在機(jī)組甩負(fù)荷后出現(xiàn)第一次極大值和極小值后，其相應(yīng)峰值即逐漸衰減，在經(jīng)過約40s后逐漸恢復(fù)到甩負(fù)荷前的應(yīng)力狀態(tài)。甩負(fù)荷過程中，鋼板應(yīng)力值最大波動(dòng)幅度約10MPa。

5 結(jié)語

FBG技術(shù)應(yīng)用于抽水蓄能電站水道監(jiān)測系統(tǒng)，兼顧監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)局域網(wǎng)通信，較常規(guī)監(jiān)測方式，節(jié)省了大量的監(jiān)測電纜，簡化了水道監(jiān)測系統(tǒng)，降低了監(jiān)測子系統(tǒng)間的組網(wǎng)難度，節(jié)省了工程投資。突破了常規(guī)電類傳感器傳輸距離的瓶頸，其傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了抽水蓄能電站水道系統(tǒng)的長度。能夠在施工期及早實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測，在水道系統(tǒng)初次充水過程中、機(jī)組調(diào)試及甩負(fù)荷過程中，方便進(jìn)行高頻次或連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，能夠捕獲瞬間極值，這對(duì)于監(jiān)控結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。