基于FBG传感器的电力线监测系统

李鹏飞

摘 要：利用FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅）传感器监测电力线及其输电杆塔的应变的温度变化，通过电力线中的光纤通信网络将监测信号发送至远端的监测中心，由客户机/服务器结构的软件计算出电力线覆冰厚度、电力线弧垂等数据，并且存储、计算和显示实时监测信息。本监测系统完成了实际上线安装，并且取得良好监测效果。

关键词：光纤布拉格光栅传感器；电力线监测；分析

引言

随着电力系统的大范围、超高压和大容量化，电力传输线路及设备实时监测与故障定位系统建设等正成为全世界的关注焦点，成为当前电力技术的发展方向[1]。当前已有的摄像头监测等传统监测方法在极端天气以及断电情况下无法使用，所以可靠稳定的电力线多参量实时监测成为热门研究方面。鉴于以上原因，创新性地提出了直接利用FBG传感器对电力线及其杆塔进行监测，再经过一系列模型计算覆冰厚度等参量，充分利用FBG传感器的无源性、高可靠性、可长距离传输等优点可以克服以往监测方法的缺点，监测杆塔应变、覆冰厚度等最需要的参量，实现了可靠的电力线多参量实时监测。

1 光纤布拉格光栅传感器

FBG传感器[2]是最常见的一种光纤传感器，它具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其他光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能，目前应用主要集中在温度、应变的测量。它在建筑、石油管道等工程之中广泛使用，但未在电力系统得到广泛应用，已有应用也主要集中在高压开关柜或室内等环境中[3]。本方案选择陶瓷保护FBG温度传感器和金属保护FBG应变传感器，以保证传感器能在复杂环境中长期正常工作，其中陶瓷保护的FBG温度传感器能够直接在高压强电环境下工作，可以安装在电力线相线上。

2 监测系统架构概述

安装的FBG传感器通过安装、焊接的方式固定在电力线及其杆塔上，直接测量电力线和杆塔的应变和温度，并且通过光纤熔接的方法把传感器串联到光纤通道中，利用OPGW[4]（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，光纤复合架空地线）、OPPC[5]（Optical Phase Conductor，光纤复合相线）、ADSS（All-dielectric Self-supporting Optical Cable， 全介质自承式光缆）等这些电网中广泛使用的特种光缆，为光纤传感信息的远距离传输提供通道。

监测中心主要基于一个C/S（Client/Server，客户机/服务器）结构的软件系统，服务器是网络的核心，完成光信号的解调，然后进行目标参量的计算和在数据库中的存储，而客户端软件通过网络查看数据库中的监测数据。

3 基于C/S结构的监测软件

如图1所示，监测软件系统中，服务器软件获取FBG解调仪解析的FBG传感器的光信号数据，计算与存储监测数据，客户端获取并显示出实时的监测数据。

3.1 服务器软件

主要功能有FBG传感器的添加、修改和删除等管理操作；存储FBG解调设备实时上传的FBG传感器反射波长数据；依照计算模型计算出和用户配置信息计算并实时显示温度、杆塔应变和覆冰的厚度等目标参量；实时相应客户端的数据查看请求；根据计算出的参量对可能出现的险情生成告警提示；服务器操作日志的记录和查询。

服务器软件与解调仪之间通过以太网进行连接，服务器软件发送上传数据命令实时获得监测数据的以太网包。解调仪以2HZ的频率上传原始波长数据，服务器软件接收到解调仪的返回报文后解析并写入缓存和数据库，根据一定的计算模型进行数据计算，把光栅的反射波长数据计算成电力线的温度、应变、覆冰厚度值。如果计算出的参量超出正常范围，则生成相应的告警。

在目标参量的计算过程中，温度和杆塔应变都可以直接由FBG温度和应变传感器测量出来，覆冰厚度参量根据输电线的应变与温度通过基于抛物线方程的计算模型[6]近似得出。

3.2 数据库设计

监测系统设计了三个数据库来存储数据。配置信息数据库主要存储FBG解调仪的信息、FBG传感器、参量计算中参数的信息以及告警日志信息；波长数据库主要用于存储FBG解调仪上传到服务器软件的FBG传感器反射波长数据；目标参量数据库用于存储经过计算后的所有目标参量数据。服务器软件在数据库中存取数据的频率高、持续时间长，对数据库的性能有较高的要求，所以数据库使用了存储过程、检索等方法来减轻数据库的压力，提升性能和稳定性。

3.3 客户端软件

客户端软件直接面对监控系统的操作者，具有实时告警监测、电网参量监测的基本功能。软件启动并连接服务器成功后，进入用户主界面，在主界面中有实时告警检测功能，还可以进入电网参量监测、帮助等界面中。

目标参量监测功能是客户端软件核心的功能，即杆塔应变、覆冰厚度、温度等目标参量数据的实时曲线显示、历史数据查询和导出。

4 监测结果

监测系统开发完成后，在某电力线上进行了实际布设，获得良好的实际监测效果。监测到的温度数据变化符合正常的气温变化，应变数据变化符合杆塔受大风、温度等变化造成杆塔和输电线热胀冷缩引起的应变，覆冰厚度和电力线弧垂数据也符合传统观测到的结果。

5 结束语

文章介绍了利用FBG传感器对电力线进行实时监测，这种结构的监测系统提出一种全新地电力线监测方法，FBG传感器的无源性、可靠性高性保证了极端环境下系统的可用性，C/S结构的软件保障了数据的高效存储与查看。该监测系统必能发挥其重大作用，为智能电网的实现迈出实质性地一步。

参考文献

[1]刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]姜志刚.FBG光纤光栅的原理和应用[J].中国水运，2008，8（5）：128-129.

[3]钱祥中.高压开关柜内接头温度在线监测系统的设计[J].仪表技术与传感器，2007，2（2）：73-75.

[4]李如秀，姚志刚.光纤复合架空地线（OPGW）在输电线路上的应用[J].江西电力，2002，26（4）：41-43.

[5]陈希，戚力彦，刘汉新，马晓明.OPPC在电网中的应用研究与实验技术[J].电力系统通信，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.