智能化高压输电线路光传感监测系统技术方案

1、目 录1.前言 22.输电线路监测中采用的光纤传感技术 23.总体方案 5 3.1 应用目标 5 3.2 系统特点 5 3.3 系统结构 9 3.3.1 系统构成 9 3.3.2 一体化传感数据采集/处理/分析系统 10 3.3.3 虚拟现实和GIS集成专家管理系统 11 3.3.4 远程通讯系统 11 3.4 基于同构模型的监测系统 124. 应用功能包 13 4.1 灾害监测（控）功能包（BOX：BX001） 13 4.2 线路状态监测功能包（BOX：BX002） 14 4.3 运行辅助智能功能包（BOX：BX003） 15 4.4 故障精确定位功能包（BOX：BX004） 17 4.5

2、通讯光纤综合监测功能包（BOX：BX005） 185. 系统主要指标 18 6. 基于虚拟现实和GIS集成平台的专家及管理系统 19 6.1 输电线路虚拟现实/GIS集成平台架构 19 6.2 系统主要功能 20 6.3 数据库管理 21 7. 技术标准 221. 前言 近年来，气候变化和自然灾害尤其是冰雪灾害对电力系统输电线路的安全可靠运行形成了危害，并造成重大经济损失，对国民经济的发展影响极大。国内电网公司先后发布了一系列具有针对性的政策、规划、计划和指导性文件，全方位的寻求解决电网灾害控制问题，组织各方面的力量开展研究、试验等工作，随着各项工作的深入进行，取得了一系列成果，并逐步开展了现

3、场试验和应用，促进了灾害防范技术的进步和相关产业的发展，某些方面的技术和应用达到了国际领先和先进水平。实际上，灾害防范工作的重点就是采用先进的技术，解决重大灾害防范问题，但自然灾害的防范涉及从规划、设计到组织管理和现场应用技术等方方面面，即使要基本解决问题也需要集中各方面的力量，花大力气和很长的时间才有可能。要充分考虑电网的发展，从信息化、自动化方面整体把握、规划技术发展方向，将自然灾害防范技术纳入整体技术发展的轨道，向现代电网的目标迈进。 为了实现现代电网这一重大目标，构建智能电网或互动电网将是其中的重大关键点之一。智能电网或互动电网是近来一个热点，自美国提出智能电网的概念并规划电网智能化发

4、展目标后，国内电网公司的发展思路逐渐与国际接轨，研究中国特色的智能电网，并出现了数字电网、数字变电站等规划和实践，未来智能电网的发展将会是在提升服务理念的基础上，融合信息、自动化、通信、现代传感技术等而展开的广泛的多层面的规划和任务，对电网公司的各项工作产生深刻的影响。 本方案基于智能电网理念，采用光传感技术实现输电线路灾害监测、预警，运行状态监测和决策与管理，是新一代输电线路在线综合监测系统（技术）。2. 输电线路监测中采用的光纤传感技术目前，高压电力输电线路的安全监测手段主要有：视频监视、人员巡视，另外也安装有多种电类传感器，包括导线张力传感器、塔顶位移传感器、温度传感器、导线扭转角传感器

5、、加速度传感器和风力传感器等，用于测量输电导线的轴向张力、二维倾角、风速风向和温度、湿度等多个参数。高压电网环境恶劣，有强电磁干扰、监测距离长、范围广、温度变化范围大、湿度高、电腐蚀强等，并且必需要综合测量温度、应力、磁场、加速度、角度和位移等多个参量才能实时获得电缆温度、负荷、舞动、闪络等状态信息和准确判断事故的性质和影响程度。现有的测量手段都是传统的电类传感器，存在信息容量不大、测量效率不高、故障判断不准确、难以获取线路分布信息、电磁干扰绝缘要求高、成本高、传感器运行需要本地供电等缺点，因而无法满足当前国家对电力输电线路故障综合监测的迫切重大需求。光纤传这种介质具有抗电磁干扰和原子辐射、重

6、量轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀、传输带宽大等众多优异的性能，是上世纪80年代以来推动人类信息社会前进的重要原动力。光纤相关产品包括两大分支，即：光通讯产品和光传感产品。前者已经具有非常成熟和广泛的应用，而光传感产品起步较晚，国外自20世纪80年代才开始商业化应用，国内自20世纪90年代开始进行小规模应用，本世纪以来，研究和商业化应用发展速度很快，产品种类迅速增加，规模化应用已经覆盖多个领域，呈现良好的发展势头，是极具潜力的新一代传感产品，这是因为光纤传感器能够对应变、压力、温度、振动、声场、折射率、加速度、电压、气体等各种参数进行精确测量，能够适应极端恶劣的环境。同时，由于光纤传输损耗低、

7、频带宽，使得光纤传感器在组网和传输距离方面，与传统的传感器相比具有无可比拟的优势。与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别，从而，光纤传感系统比电子式传感系统更安全，可以应用在常规电子系统不适合的危险地区。本方案中采用的光纤传感产品包括：光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤应变传感器、光纤化学传感器、分布式光纤泄漏传感器、光纤位移传感器、光纤加速度传感器、光纤磁场传感器、光纤湿度传感器、光纤腐蚀传感器等，用于同时监测输电线路温度、负荷、舞动、位移等多种参数。预期将给智能电网发展带来里程碑式的推动。光纤传感系统基本构成：应用平台光信号处理/光电转换单元各种光纤传感器 光纤信道 光

8、纤传感器包括各种不同原理、检测各种不同参量的点式、分布式的网络化传感器，由远方的光信号处理单元提供特殊的光源，扫描、检测应用对象或环境的物理量，经光电转换后送应用平台实现用户需要的功能。本系统使用的几种光纤传感器：（1） 应变传感器：用于测量受拉力后产生形变的对象。缠绕式应变传感器适用于大应变检测。 图1.小应变光传感器图2.缠绕式光纤应变传感器的结构（2） 锈蚀传感器：利用金属锈蚀产生的体积微应变，监测接地装置锈蚀情况。图3.力学原理锈蚀传感器结构 本方案中采用的光传感技术和产品是以产、学、研为依托，专门为电网公司输电线路智能化监测开发的套装光传感产品，具有完全的自主知识产权，在国内处于领先

9、地位。3. 总体方案3.1 应用目标 本系统基于在高压输电线路的电能输送、远程通信（OPGW）二维应用基础上，建立综合监测应用体系，构成输电线路三维应用体系，实现智能化输电线路的理念。首次全面采用光纤传感技术，利用光通信和传感网络技术远距离、大容量、高速采集现场检测数据，从灾害监测、运行监测、实时状态评估和通信系统监测等方面构建完整的智能化输电线路监测系统，应用范围包括： 灾害监测（控） 对冰雪灾害、风灾、雷击、地震灾害进行实时监测和预警，包括灾害形成、发生期间的识别和预警。 线路状态监测 按照运行规范，对输电线路包括：地/导线、绝缘子、铁塔、金具、基础、接地装置、光纤线路等运行状态进行实时监

10、测和预警。 运行辅助智能 按照运行管理规范，并考虑提升输电线路的动态运行性能，构建多种智能评估策略，包括：线路动态热容评估；动态增容策略；动态雷电防护性能评估；分布磁场影响评估；可靠性评估；输电线路防盗报警等。 故障精确定位 基于电气网络模型和机电过程模型进行输电线路的精确故障定位，快速判断故障点。 通讯光纤综合监测 对OPGW、OPPC以及ADSS等光缆或复合光缆的通信质量（例如：衰耗、断纤等）和环境影响参数（例如：温度、应力）实现实时监测和预警。3.2 系统特点 与传统的电子式监测系统和管理功能比较，本系统具有以下突出的特点：1）全光传感、完全自主知识产权 本系统现场数据采集采用了10种以

11、上具有自主知识产权的光纤传感系统,包括光纤传感器和站（局）端光解调装置，构建全光传感监测系统。与传统电子式传感器系统比较有下列优势： 无电子器件，本质安全； 传感器及其信道无明显的电气节点，具有很高的绝缘性能，无需考虑电气绝缘问题，避免了监测对象对检测系统的强电气冲击，结构简单； 不受电磁干扰影响，传变信号真实； 体积小、安装方便、工艺简单； 产品质量稳定、耐用，不易损坏； 成本低廉，性价比最高。2）集中式远程数据采集模式 高压输电线路属于远距离分布式恶劣环境下测量对象，电子式测量系统只能按照现场采集终端（子站）模式构建系统，由此带来以下影响： 采用全光传感和网络化通信技术，消除了一般电子式现

12、场终端设备的各种缺点（现场取电、设备复杂、可靠性相对较低、需要维护和校验等），不增加运行和维护成本； 每个子站的可靠性影响系统可靠性指标； 局部（子站）数据采集并汇总的过程长，环节多，影响实时识别与判断的准确性； 系统建模实际上是多层结构，底层对局部对象的识别建模，给出局部的初步识别结果，专家系统给出总体的辨识结果，局部的数据、结果由于时空差异性影响专家系统模式识别的准确性； 公共资源难以统一管理，例如各子站GPS时钟状态、电源状态等。 本系统由于采用光纤传感器和远程光通信技术，构成了集中式（主站、信号源、电源统一管理）监测系统，可避免由于远程分布式检测对象（远距离输电线路）对采集数据的时空差

13、异性影响，采集数据规范、准确，系统可靠性好，也便于远程动态调整监测策略（模式），系统智能化程度高。3）传感器信道归一化 电子式现场终端由于检测对象不同、使用的传感器不同，其连接信道也不统一，信道结构复杂，容易出问题。 光传感系统经光纤通信信道传送信息，采用时分、频分复用技术，简化信道，使得系统结构简单，可靠性高。4）现场监测无源化分布式单元结构 现场采集单元只是集成了各种光纤传感器，构成就地光传感矩阵，并网络化，即矩阵内所有光传感器均接入光纤通信网，信号源经通信光纤由远方站端设备提供，取消了电源单元，对于现场采集终端就地取电问题（供电可靠性）是一种很好的选择。 通信光纤利用OPGW或OPPC或

14、ADSS光通信线路，在现场铁塔上利用接续盒，将该点的矩阵光传感器接入备用光纤。5）网络化大容量高速数据采集 传统电子式现场采集终端独立采集、分析数据，经远程无线通信（GPRS、CDMA等）回传数据，无法实现采集系统的网络化，因此系统性能较低，系统容量、信息传送速度一般。 光纤传感器本质上是数字式处理技术，例如：传感器光波长的偏移对应监测对象的物理量变化，很容易构建网络化传感系统，而光通信平台（OPGW、OPPC、ADSS等）为建立网络化大容量高速数据采集系统提供了可能性。 本系统所有光纤传感器均具有网络化能力。6）故障定位技术 传统的高压输电线路故障定位都是基于对故障时的电气参数计算、判断定位故障点，定位精度不高，约5001000米。本系统采用两种新的定位理论和方法，即：1. 根据故障时在OPGW金属层感应电流的分配和电流极性方法定位故障点；2. 利用检测故障时的机电过程，如振动、温升等现象的方法定位故障点。定位精度可达到20米左右。7）同构模型技术，实现物理意义上的智能输电线路 本方案的创新型研究课题是采用同构模型的理论和方法，实现光通讯和光传感一体化，即：将光纤传感器在OPGW、OPPC复合地导线生产过程中嵌入其中，实现与通