基于分布式光纖測(cè)溫的智能電纜測(cè)控系統(tǒng)

胡冉，厲冰，葉文忠

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518000；2.深圳市壹電電力技術(shù)有限公司，深圳 518000）

引言

作為城市配電網(wǎng)的電能傳輸?shù)闹饕ǖ溃娎|，電纜的高效、可靠運(yùn)行將直接提高整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。由于電纜數(shù)量眾多且埋于地下，在地域上分布非常分散和廣泛，一旦電纜發(fā)生故障，故障排除和修護(hù)都非常困難，電纜的運(yùn)維管理日益增大。為了創(chuàng)造良好的運(yùn)行環(huán)境、提高供電可靠性和運(yùn)維工作效率，需要對(duì)電纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行高效的故障預(yù)警和定位[1,2]，提高電纜運(yùn)行效率。

電纜纜芯溫度是電纜線路運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。目前對(duì)運(yùn)行電纜纜芯溫度的判定主要是采用測(cè)溫傳感器測(cè)量電纜外護(hù)套或者緩沖層的溫度，然后采用理論計(jì)算的方式推算纜芯溫度值。一種計(jì)算方法是根據(jù)IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)，基于測(cè)量的電纜外護(hù)套或者緩沖層溫度，根據(jù)熱路模型推算不同電纜載流量下的纜芯溫度[3-10]；另一種是采用有限元分析方法，基于測(cè)量的電纜外護(hù)套或者緩沖層處溫度，計(jì)算出纜芯溫度[11,12]。但由于參數(shù)選取、不同電纜敷設(shè)狀態(tài)、環(huán)境改變等均會(huì)導(dǎo)致熱傳遞模型發(fā)生改變，造成熱計(jì)算出現(xiàn)偏差。

由于無法實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜系統(tǒng)纜芯溫度的測(cè)溫，對(duì)于電纜故障點(diǎn)定位也很困難。為實(shí)現(xiàn)電纜故障預(yù)警和定位，本文基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，采用內(nèi)置于導(dǎo)體的測(cè)溫光纖進(jìn)行電纜纜芯溫度的測(cè)量，通過分析一條長(zhǎng)電纜各個(gè)位置的纜芯溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)纜芯溫度接近預(yù)警邊界值（要求小于90 °）的電纜位置，實(shí)現(xiàn)電纜的故障預(yù)警和定位，提高電纜運(yùn)行的可靠性。

1 內(nèi)置光纖測(cè)溫原理

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)內(nèi)置泵浦脈沖光源，泵浦光波入射到電纜線芯中，光纖分子與泵浦光子作用產(chǎn)生熱能和光能（其內(nèi)部產(chǎn)生拉曼散射效應(yīng)），光纖反射光中出現(xiàn)Stokes光和Anti-Stokes光。拉曼散射主要與分子熱振動(dòng)相關(guān)，溫度改變可調(diào)制Anti-Stokes強(qiáng)度，通過解調(diào)Anti-Stokes光強(qiáng)即可測(cè)得光纖環(huán)境溫度。光纖軸向溫度位置可通過光在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)間確定。如圖1為光纖中注入泵浦激光后的散射光譜分布特點(diǎn)圖。圖中可見Anti-Stokes光中心頻率小于泵浦光頻率，Stokes光中心頻率大于泵浦光頻率，兩者具有光強(qiáng)差。根據(jù)拉曼散射原理，Stokes光強(qiáng)穩(wěn)定不受環(huán)境干擾，而Anti-Stokes光強(qiáng)度正相關(guān)于光纖外界溫度。

圖1 光纖內(nèi)散射光譜分布示意圖

根據(jù)Anti-Stokes、Stokes光強(qiáng)度與溫度的關(guān)系，可將拉曼散射光強(qiáng)度描述為光纖環(huán)境溫度的函數(shù)：

式中：

Panti-stokes和Pstokes—Anti-Stokes、Stokes光強(qiáng)度值；

λanti-stokes和λstokes—Anti-Stokes、Stokes波長(zhǎng)；

h—普朗克常數(shù)6.63×10-34J·s；

c—光速取值為3×108m/s；

ν?—光纖中分子振動(dòng)頻率；

k—波爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K；

T—環(huán)境溫度值。

進(jìn)一步光纖沿長(zhǎng)度方向溫度值可表示為:

式中：

T—環(huán)境溫度；

x—光纖距離起始點(diǎn)位置值。

積分環(huán)節(jié)表示光傳播能量衰減和介質(zhì)吸收而導(dǎo)致Anti-Stokes、Stokes光的衰減，其中Ω為Anti-Stokes、Stokes和泵浦激光中心波長(zhǎng)的波長(zhǎng)差。

2 智能電纜測(cè)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要有光泵浦模塊，光路模塊，傳感光纖模塊，光信息接收，數(shù)據(jù)處理和溫度控制等部分組成，硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)按照?qǐng)D3所示的結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)構(gòu)架。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 系統(tǒng)光路連接圖

1）系統(tǒng)光源

采用半導(dǎo)體激光器作為系統(tǒng)光源，光源主要參數(shù)為：中心波長(zhǎng)841 nm，峰值電流4 A，峰值功率1 488 mW。

2）系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的重要部分之一即為光路系統(tǒng)，它是激光器泵浦激光在系統(tǒng)內(nèi)的傳輸路徑和拉曼散射光的傳輸路徑，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。獲得電壓信號(hào)后，利用A/D采集電路將電壓信號(hào)數(shù)字化后傳入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)軟件的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉曼散射兩種光信號(hào)的電平值進(jìn)行對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換，計(jì)算標(biāo)定后得到實(shí)際的溫度值。

3）數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理部分主要包括光電轉(zhuǎn)換電路部分，和信號(hào)采集處理部分。光電轉(zhuǎn)換部分的主要器件為光電敏感材料和運(yùn)算放大器，所設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換其電路原理圖如圖4所示。

圖4 光路轉(zhuǎn)換電路圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD采用的是雪崩光電探測(cè)器高精度運(yùn)算放大芯片，該產(chǎn)品具有高響應(yīng)度、高速度、寬帶寬、高可靠性和高穩(wěn)定性特點(diǎn)，完全可以滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的要求。該芯片具有較低的失調(diào)電壓，而且是精密雙運(yùn)算放大器。拉曼散射光通過光電轉(zhuǎn)換后，A/D探測(cè)信號(hào)光強(qiáng)強(qiáng)度不同會(huì)隨之驅(qū)動(dòng)出強(qiáng)度隨之變化的電流信號(hào)，芯片實(shí)質(zhì)上可作為恒流電流源實(shí)現(xiàn)了對(duì)放大電路的驅(qū)動(dòng)。外接電阻后電路中的電流可轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，為獲得較大的輸出通過一級(jí)放大后再進(jìn)行二級(jí)放大處理。兩級(jí)放大處理后，光強(qiáng)完全轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

4）網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)接口作為分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)與上位機(jī)計(jì)算機(jī)軟件的重要數(shù)據(jù)傳輸通道，意義較為重大。本文設(shè)計(jì)采用LAN91C96和E2009芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口通訊。所涉及的網(wǎng)絡(luò)接口電路圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)接口電路

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用WINDOWS XP系統(tǒng)軟件平臺(tái)，基于Web框架的系統(tǒng)平臺(tái)軟件系統(tǒng)，具有內(nèi)嵌智能分析模塊和基礎(chǔ)功能模塊：系統(tǒng)總界面模塊，溫度、電流數(shù)據(jù)采集模塊等。

1）系統(tǒng)總界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主界面包含數(shù)據(jù)分析，歷史數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，關(guān)鍵參數(shù)提示，故障預(yù)警提示等功能。為電纜運(yùn)維人員提供重要參數(shù)突出顯示，敏感異常數(shù)據(jù)及時(shí)彈出提示。主界面如圖6所示。

圖6 主界面圖

2）數(shù)據(jù)采集模塊

溫度和電流參數(shù)采集后，在系統(tǒng)界面上以實(shí)時(shí)曲線方式顯示。系統(tǒng)提供歷史數(shù)據(jù)回顧供分析總結(jié)，實(shí)時(shí)曲線對(duì)電纜接頭等敏感位置進(jìn)行標(biāo)記。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)溫度、電流參數(shù)界面圖

3 應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用

所研制的智能電纜測(cè)控系統(tǒng)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜過負(fù)荷導(dǎo)體高溫和溫度異常突變可能引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)隱患，自動(dòng)輸出日常巡檢單。精準(zhǔn)判斷單相短路和相間短路及外力破壞故障，具有故障點(diǎn)定位、導(dǎo)航、輸出搶修方案指引單功能。運(yùn)行人員可通過手機(jī)APP查看電纜內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)維搶修工作安排及進(jìn)度。物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.2 故障定位及預(yù)警應(yīng)用

所研制的智能電纜測(cè)控系統(tǒng)已投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，具有電纜故障點(diǎn)定位導(dǎo)航，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜的故障位置。當(dāng)電纜出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)生成故障位置并連接導(dǎo)航功能通過手機(jī)APP發(fā)送至該線路指定人員（群），不再需要花費(fèi)大量人力物力尋找故障點(diǎn)，可大大提高檢修人員的維修效率，縮短復(fù)電時(shí)間。圖9所示為故障定位地圖，當(dāng)線路故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)彈出告警，并在地圖上顯示出電纜線路的實(shí)際路徑。圖中黑色原點(diǎn)區(qū)域?yàn)殡娎|接頭標(biāo)識(shí)。

圖9 智能電纜測(cè)控系統(tǒng)故障定位界面

隱患及故障感知定位如圖10所示。投運(yùn)電纜線路以經(jīng)緯度形式標(biāo)注在地圖中，同時(shí)標(biāo)注各段的敷設(shè)工況，如纜溝、頂管、埋管、橋架、隧道等，通過對(duì)導(dǎo)體內(nèi)部的突變溫度參數(shù)檢測(cè)和分析，提前感知隱患點(diǎn)，快速鎖定隱患點(diǎn)位置信息，形成重點(diǎn)巡視和跟蹤目標(biāo)達(dá)到預(yù)防故障的作用。

圖10 隱患及故障感知定位

記錄隱患及故障感知定位給出的告警信息，并根據(jù)運(yùn)行線路計(jì)數(shù)告警次數(shù)，以滾動(dòng)列表的形式循環(huán)播放，如圖11所示。

圖11 預(yù)警及告警記錄

4 結(jié)語

智能電纜測(cè)控系統(tǒng)包含了智能電纜測(cè)控終端和智能運(yùn)維管理平臺(tái)，系統(tǒng)平臺(tái)基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜線路的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警及定位。在線路故障時(shí)能快速生成故障點(diǎn)位置信息發(fā)送給運(yùn)維人員，在線路正常運(yùn)行時(shí)能實(shí)時(shí)分析運(yùn)行狀態(tài)，提前感知隱患點(diǎn)，從而整體提高電纜線路運(yùn)行的可靠性。