准分布式光纤传感输电线路安全监测技术

准分布式光纤传感输电线路安全监测技术

黄谦

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局 贵州 贵阳 550081

摘要：随着智能电网的全面部署，电网公司在实际运维工作中会涉及到大量的工作数据。通过对这些数据的合理分析，可以对电网设备状态、用户用能特征及电网设备维护管理提供可靠支撑；随着互联网大数据的不断发展与完善，合理利用运维数据对智能电网进行分析，不仅可以为运维人员提供合理的指导方案，更能提高运检效率、保障运检质量。

关键词:光纤传感器;光纤光栅;温度;输电线路;安全监测

引言

智慧、高效、清洁的智能电网是我国未来电网发展的必然趋势，与现有电网相比，其先进性和优势主要表现在：可获取电网的全景信息，及时发现、预见可能发生的故障并且在故障发生时可快速隔离故障，实现自我恢复，避免大面积停电事故发生[。面向未来规模不断扩大的智能电网，故障数据的缺失和高性能传感设备的匮乏是实现智能电网的一大难题。宽频电压作为表征暂态故障信息的重要状态量，对其感知技术的研究和感知数据的应用分析成为构建智能电网的关键性工作，如果能直接精确感知并获取海量电压实测数据，并对其进行数据挖掘和分析，则可以更好地加强电网安全防护并推动设备智能化进程。

1温度传感器原理

光纤布拉格光栅(fiberBragggrating，FBG)是通过改变光纤纤芯的折射率使其产生周期性变化而形成的光栅。当宽带光源入射到FBG中时，满足布拉格条件的光被FBG反射回来，反射光的中心波长称为布拉格波长，满足下式: （1）

式中:Λ为光栅周期;neff为光栅的有效折射率。环境温度和应变都会导致FBG有效折射率和光栅周期的变化，从而引起中心波长的漂移，即FBG对温度变化和应变同时敏感。布拉格波长的变化可以表示为

（2）

式中:T为温度;ε为应变。当FBG仅受温度影响时，热光效应和热膨胀效应会分别使

有效折射率和光栅周期发生改变，变化关系可以表示为 （3）式中:令FBG灵敏系数KT=ξ+α，则式(3)可表示为 式(4)即FBG中心波长变化与温度变化之间的关系，这也是FBG用于温度传感的基本原理。FBG对温度的传感特性系数是一个与材料相关的常数，使得FBG对温度信息有较好的线性响应。当环境温度发生变化时，只需根据光栅中心波长的变化量即可得到环境温度信息。需要注意的是，FBG用作温度传感器时需保证FBG不受应力应变的影响。

2传感器阵列及解调系统设计

2.1传感器设计

传感器节点选择CC2630作为核心控制单元，选用TPS5410和CAT6219作为降压芯片，分别将12V和5V电压转换为5V和3.3V的电压，为各元器件提供标准工作电压。选用8MHz的晶振。作为采集倾斜角度、降雨量以及湿度等参数的基准频率。数据汇集器模块。Zigbee是一种适用于短距离的通信技术，具有功耗低、数据传输稳定、网络容量大以及成本低等优点,在各行业的应用逐渐深入。本系统设计中，选用CC2530充当协调器的角色，组建局域网络，某一区域内的所有传感器节点将数据发至此协调器，协调器通过串口与通信模块以有线的方式进行数据传输，串口中的引脚VDD、GND、TX和RX分别与通信模块上串口的VDD、GND、RX和TX相连。

2.2中心站设计

后台管理基于C/S架构，前台查询基于B/S架构。开发平台使用DELPHI、．NET等，数据库采用MSSQLServer。中心站与现场监测装置间，具备通过GSM/GPＲS/CDMA系统或其它通信方式进行双向数据通信传输的功能，数据通信方式灵活多样。数据中心能够存储至少24个月的各类输电线路故障数据，所有历史数据能够转存到光盘或磁盘等大容量存储设备上作长期存档资料。客户端软件能够对现场监测终端进行各种参数的读取和设置，包括监测终端的实时运行状态和故障时刻的故障信息，能够以WEB方式查询运行或事故信息，并生成统计报表打印输出，有权限设置功能。

2.3对保护器进行优化设计在设计

过电压保护器时，必须考虑各种因素对其的影响。最重要的是如何保证最佳的防雷效果。保护器的主要是保护线路免受雷击。因此，保护器的设计必须遵循科学合理的原则，在实现各项技术指标的前提下，使保护器的防雷效果得到最大程度的提高。在设计保护装置时，必须注意以下问题:首先，在设计过程中，必须充分注意线路的串联和绝缘子串的协调。这种设置的最终目的是为了避免过电压在受到雷击时产生闪络现象;其次，线路中工频延续电流的作用也一定要注意，保证在线路出现故障时能及时切断电源。最后，过电压操作也必须高度关注。在设计过电压保护器时，要保证串联间隙不会因电流冲击而击穿，以保证过电压保护器的正常稳定运行。

2.4数据汇集器程序设计

数据汇集器作为连接节点和服务器的桥梁，首先开启组网。在接收到来自节点的数据后，汇集器依据MAC地址一一验证节点传输过来的数据是否符合报文格式，将验证正确的数据向上传输至服务器，验证不正确的数据则会被滤除。所有数据上传至服务器后汇集器也恢复至低功耗状态。

2.5输电线路故障预警

就电网而言，输电线路涉及的范围广、巡检难度较大，故障点难以及时发现，一旦出现故障，消缺也需要较长的时间。因此，实现输电线路智能化的故障预警对电网的稳定运行尤为重要。根据平台获得的输电线路上的各参数数据，以判定杆塔是否发生倾倒、线路过载、雷击等。以输电杆塔倾倒为例，根据输电线路弧垂能够判定杆塔状态，并对可能发生的故障进行预警。

2.6电容分压型光学电压传感法

受电光晶体半波电压的限制，为满足高电压测量的需求，利用电容分压器与光学传感器组合使用，从高压母线获得一个较低的电压信号加于光学电压传感器的方法称为电容分压型光学电压传感法。该方式利用光学电压传感器响应快、频带宽的特点避免了传统电容式电压互感器容量小暂态特性较差的缺点，提升了变电站和输电线路对宽频电压的感知能力。日本日立公司采用电容分压器和横向调制的光学电压传感器的组合结构研制出了适用于70kV电压等级的光学电压互感器，东电公司采用类似的结构研制出了适用于300kV电压等级的光学电压互感器。近几年，提出了一种适用于220kV电压等级的自愈式光学电压互感器，在电容分压器和横向调制的光学电压传感器组合结构的基础上，采用基准源自动校准的设计方案，解决了互感器的测量精度随温度漂移的问题，并于2012年在国内某220kV等级的智能变电站的现场运行。

结束语

文中提出并设计了一种基于多数据融合的智能电网运检信息平台，采用Hermite正交多项式激励的前向神经网络模型对电网中的多源数据进行融合，从而实现准确分析电网的运行状态。智能电网运检信息平台整体架构包含运检生产管理系统、实时调控系统、智能电网运检管理系统等。实验结果表明，该平台能够准确监控电网设备状态、实时预警故障并为故障检修进行指导，有效提高了智能电网的运检效率。随着对供电质量要求的不断提高，智能电网大数据在服务自身运检行为的同时，更应分析用户用能行为，有针对性地提升服务质量。

参考文献

[1]李党学,李锐.架空输电线路弧垂检测方法综述[J].电力与能源,2019,40(06):664-668+696.

[2]曹雨,林顺富,于俊苏,李东东.基于差分和变换的高压输电线路故障行波测距方法[J].水电能源科学,2019,37(12):171-175.

[3]张克谦,高树国,岳国良.基于物联网的微风振动监测应用场景分析[J].河北电力技术,2019,38(06):4-6.

[4]艾红卫.输电线路状态检修及在线监测研究与应用[J].科学技术创新,2019(36):70-71.

[5]唐凌毅.架空输电线路防雷技术研究[J].中国新技术新产品,2019(24):147-148.