基于FBG傳感器的電力線監測系統

李鵬飛

摘 要：利用FBG（Fiber Bragg Grating，光纖布拉格光柵）傳感器監測電力線及其輸電桿塔的應變的溫度變化，通過電力線中的光纖通信網絡將監測信號發送至遠端的監測中心，由客戶機/服務器結構的軟件計算出電力線覆冰厚度、電力線弧垂等數據，并且存儲、計算和顯示實時監測信息。本監測系統完成了實際上線安裝，并且取得良好監測效果。

關鍵詞：光纖布拉格光柵傳感器；電力線監測；分析

引言

隨著電力系統的大范圍、超高壓和大容量化，電力傳輸線路及設備實時監測與故障定位系統建設等正成為全世界的關注焦點，成為當前電力技術的發展方向[1]。當前已有的攝像頭監測等傳統監測方法在極端天氣以及斷電情況下無法使用，所以可靠穩定的電力線多參量實時監測成為熱門研究方面。鑒于以上原因，創新性地提出了直接利用FBG傳感器對電力線及其桿塔進行監測，再經過一系列模型計算覆冰厚度等參量，充分利用FBG傳感器的無源性、高可靠性、可長距離傳輸等優點可以克服以往監測方法的缺點，監測桿塔應變、覆冰厚度等最需要的參量，實現了可靠的電力線多參量實時監測。

1 光纖布拉格光柵傳感器

FBG傳感器[2]是最常見的一種光纖傳感器，它具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖耦合，可與其他光器件兼容成一體，不受環境塵埃影響等一系列優異性能，目前應用主要集中在溫度、應變的測量。它在建筑、石油管道等工程之中廣泛使用，但未在電力系統得到廣泛應用，已有應用也主要集中在高壓開關柜或室內等環境中[3]。本方案選擇陶瓷保護FBG溫度傳感器和金屬保護FBG應變傳感器，以保證傳感器能在復雜環境中長期正常工作，其中陶瓷保護的FBG溫度傳感器能夠直接在高壓強電環境下工作，可以安裝在電力線相線上。

2 監測系統架構概述

安裝的FBG傳感器通過安裝、焊接的方式固定在電力線及其桿塔上，直接測量電力線和桿塔的應變和溫度，并且通過光纖熔接的方法把傳感器串聯到光纖通道中，利用OPGW[4]（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纖復合架空地線）、OPPC[5]（Optical Phase Conductor，光纖復合相線）、ADSS（All-dielectric Self-supporting Optical Cable， 全介質自承式光纜）等這些電網中廣泛使用的特種光纜，為光纖傳感信息的遠距離傳輸提供通道。

監測中心主要基于一個C/S（Client/Server，客戶機/服務器）結構的軟件系統，服務器是網絡的核心，完成光信號的解調，然后進行目標參量的計算和在數據庫中的存儲，而客戶端軟件通過網絡查看數據庫中的監測數據。

3 基于C/S結構的監測軟件

如圖1所示，監測軟件系統中，服務器軟件獲取FBG解調儀解析的FBG傳感器的光信號數據，計算與存儲監測數據，客戶端獲取并顯示出實時的監測數據。

3.1 服務器軟件

主要功能有FBG傳感器的添加、修改和刪除等管理操作；存儲FBG解調設備實時上傳的FBG傳感器反射波長數據；依照計算模型計算出和用戶配置信息計算并實時顯示溫度、桿塔應變和覆冰的厚度等目標參量；實時相應客戶端的數據查看請求；根據計算出的參量對可能出現的險情生成告警提示；服務器操作日志的記錄和查詢。

服務器軟件與解調儀之間通過以太網進行連接，服務器軟件發送上傳數據命令實時獲得監測數據的以太網包。解調儀以2HZ的頻率上傳原始波長數據，服務器軟件接收到解調儀的返回報文后解析并寫入緩存和數據庫，根據一定的計算模型進行數據計算，把光柵的反射波長數據計算成電力線的溫度、應變、覆冰厚度值。如果計算出的參量超出正常范圍，則生成相應的告警。

在目標參量的計算過程中，溫度和桿塔應變都可以直接由FBG溫度和應變傳感器測量出來，覆冰厚度參量根據輸電線的應變與溫度通過基于拋物線方程的計算模型[6]近似得出。

3.2 數據庫設計

監測系統設計了三個數據庫來存儲數據。配置信息數據庫主要存儲FBG解調儀的信息、FBG傳感器、參量計算中參數的信息以及告警日志信息；波長數據庫主要用于存儲FBG解調儀上傳到服務器軟件的FBG傳感器反射波長數據；目標參量數據庫用于存儲經過計算后的所有目標參量數據。服務器軟件在數據庫中存取數據的頻率高、持續時間長，對數據庫的性能有較高的要求，所以數據庫使用了存儲過程、檢索等方法來減輕數據庫的壓力，提升性能和穩定性。

3.3 客戶端軟件

客戶端軟件直接面對監控系統的操作者，具有實時告警監測、電網參量監測的基本功能。軟件啟動并連接服務器成功后，進入用戶主界面，在主界面中有實時告警檢測功能，還可以進入電網參量監測、幫助等界面中。

目標參量監測功能是客戶端軟件核心的功能，即桿塔應變、覆冰厚度、溫度等目標參量數據的實時曲線顯示、歷史數據查詢和導出。

4 監測結果

監測系統開發完成后，在某電力線上進行了實際布設，獲得良好的實際監測效果。監測到的溫度數據變化符合正常的氣溫變化，應變數據變化符合桿塔受大風、溫度等變化造成桿塔和輸電線熱脹冷縮引起的應變，覆冰厚度和電力線弧垂數據也符合傳統觀測到的結果。

5 結束語

文章介紹了利用FBG傳感器對電力線進行實時監測，這種結構的監測系統提出一種全新地電力線監測方法，FBG傳感器的無源性、可靠性高性保證了極端環境下系統的可用性，C/S結構的軟件保障了數據的高效存儲與查看。該監測系統必能發揮其重大作用，為智能電網的實現邁出實質性地一步。

參考文獻

[1]劉振亞.智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]姜志剛.FBG光纖光柵的原理和應用[J].中國水運，2008，8（5）：128-129.

[3]錢祥中.高壓開關柜內接頭溫度在線監測系統的設計[J].儀表技術與傳感器，2007，2（2）：73-75.

[4]李如秀，姚志剛.光纖復合架空地線（OPGW）在輸電線路上的應用[J].江西電力，2002，26（4）：41-43.

[5]陳希，戚力彥，劉漢新，馬曉明.OPPC在電網中的應用研究與實驗技術[J].電力系統通信，2009，30（7）：5-8.

[6]LI L M， SUN X， MENG X B， ZHANG Z G， CHEN X； ZHANG M. 2010 2nd IITA International Conference on Geoscience and Remote Sensing[J].2010， 2（2）， 226-229.