基于GIS平台的线路覆冰光纤光栅监测主站开发与实践

肖开伟+昌明+李英娜+赵振刚+李川

摘要：为了能够实时监测输电线路上的各种信息，并监测输电线路的安全状态，本文开发了一套输电线路在线监测主站，通过采集安装在输电线路上的各类光纤传感器的光纤光栅的波长，从而实时地监测线路信息。该主站基于GIS平台，采用asp.net技术，通过生动的人机交互模式实现对监测数据的实时显示、查询和高级分析，同时还可满足各级用户远程查看和操作的需要，目前该系统已在云南昭通运行，运行效果表明该系统具有较高的稳定性和准确性。

关键词：输电线路；覆冰；监测系统主站；GIS

O 引言

电力工业是国民经济的重要基础产业，输电线路电力设施是电力工业发展的物质基础。而输电线路在线监测起源于20世纪60年代，在美国、加拿大、法国等国家已有多年历史，但在我国输电线路的在线监测工作仍处在探索、研究、试行的阶段。光纤传感技术具有无源监测的特点，可以有效解决视频监测和电信号传感器存在的电源供应不足问题，且该项技术还具有抗电磁干扰能力强、检测精度高及监测频率高等优点，适合用于输电线路的在线监测并且已取得了一定研究成果。

本文在輸电线路光纤传感系统的应用基础上，开发了一套输电线路在线监测主站，该主站通过采集光纤传感器的光纤光栅的波长，从而实时地监测线路的温度、湿度、导线重力、杆塔倾角、现场环境状况等信息，并通过生动的人机交互模式实现对监测数据的实时显示、查询和高级分析，同时还可满足各级用户远程查看和操作的需要，该系统能够提高输电线路的运行可靠性和防灾减灾能力，保证输电线路安全稳定运行，具有显著的社会效益和经济效益。目前该系统已在云南昭通运行，取得了良好的应用效果。

1 输电线路覆冰光纤光栅监测系统总体原理

光纤传感技术是以光波为载体，光纤为媒质，利用光的散射、折射、反射、干涉、衍射等原理，通过测量光强、波长、相位等光波的物理特征的变化来对外界的温度、应变、磁场、电场等进行测量的一种新型传感技术。输电线路覆冰光纤光栅监测系统总体原理框图如图1所示，光纤传感器安装在输电线路的杆塔或者电线上，当光纤传感器监测到线路实际情况后，会将具体的量变转化为自身波长的变化，而通过OPGW将变化信号传到装在变电站一侧的光纤解调仪，解调仪将传过来的波长解调出来，然后将解调的光纤传感数据存入到工控机的数据库中，工控机通过自身的算法，并结合相关的数学模型对监测到的数据进行处理，解析出传感器监测的相关参量，比如导线温度、导线重量、环境温湿度、杆塔变形角度等等，之后通过电力系统内网上传到主站系统，主站系统通过三维界面、图表等相关的方式实时的展现给管理人员。

2 主站系统技术架构

基于GIS平台的线路覆冰光纤光栅监测主站系统，即光技术在线监测系统，从系统技术结构上，根据系统分担的任务和特点，分别采取不同的技术架构模式，总体架构模式如下图2所示。系统采用集中式的数据库系统设计，PostgreSQL存储基础数据和在线监测数据。影像数据和一部分静态的电子地图数据则采用GeoDatabase方式存储在硬盘加快数据存储速度。其中三维图形平台（ B/S），是基于微软DotNet平台使用C#语言编写的ASP.NET Web应用程序，使用SkyLine作为3D数据的展示与应用平台，使用OpenLayers来访问GeoServer提供的WMS平面地图服务。数据库系统采用的是Postgresql数据库，使用ADO.NET数据访问接口与数据库进行数据交互。B/S采用asp.net+jquery来编写界面，而用ado.net来实现数据库访问，另外用开源的地图访问脚本： openlayers来访问geoserver提供的WMS地图服务，实现对地图的操作与控制。

3 主站系统功能和数据处理

3.1 系统功能

如图3所示，本系统的输电线路覆冰在线监测主站主要具有以下功能。 数据接收：主站系统将解调仪和T控机中的相关数据接收过来，之后通过结合相关的数学模型对监测到的数据进行处理，解析出传感器监测的相关参量，比如导线温度、导线重量、环境温湿度、杆塔变形角度等等。 三维杆塔展示：对光纤解调仪解调出的各种传感参量进行在杆塔上展现出来，主站可以展现每一个位置的传感器的量，并直观的显示出来。如图4所示。 光纤复合绝缘子等各种参量监测：主站系统将各种传感器监测到的量通过各种形式展现出来。如图5所示为绝缘子拉力数据的展现。

台账数据维护：对整个输电线路监测系统的输电线路、输电杆塔、光纤传感器的监测数据的类型进行设置。

系统管理：根据不同人员对输电线路覆冰监测系统的不同任务和权限，该系统主站设置了权限管理功能，将访问用户分为了管理员和普通用户，管理员具有对系统设置进行修改的权限，而普通用户仅能对部分信息进行查阅。

3.2 传感数据处理分析

本系统对输电线路上的各类传感器的性能及数据准确性进行了数据质量分析，选取相似环境与相似结构的输电线路作为对比对象，对每类监测量（导线称重、温度及振动、绝缘子温度及倾角、杆塔倾角、环境温湿度及风速）与相似线路上安装布设的传统机电式传感器数据特性进行了比对，并结合光纤传感与解调特性，改进并优化了监测参量计算模型，提高了各类传感器的数据准确性和可靠性。

选取直线距离西靖线30#塔约125公里的甘镇线261#塔作为数据对比对象。甘镇线261#所处地理位置为山地，海拔1926米，塔身结构为220kV直线塔，塔高22米，水平档距170米，与西靖线较为相似。选取了10月中旬至11月初的数据进行数据对比分析。如图6、7所示分别为导线称重传感器和环境温度传感器曲线图。

通过对比发现，光纤与电学的导线称重传感器、环境温度传感器、环境湿度传感器数据稳定性较好，数据变化趋势较为一致，同时也验证了该主站系统运行良好，其采集和处理数据都比较准确。

4 结论

本文在基于光纤传感技术的输电线路多参量状态监测系统研究与应用的基础上，开发了基于GIS平台的线路覆冰光纤光栅在线监测主站，实现了杆塔状态、导线状态、覆冰状态和微气象条件的综合状态监测系统，从主站界面上可以实时的观测到传感器监测的参数，从而可以实时的了解线路的状况。本系统的良好运行提高了输电线路在线监测水平，促进光纤传感技术在电力领域的应用，提升输电线路可靠性，保障了电网的安全运行，具有较好的社会效益和经济效益。endprint