基于D T S的電纜安全監控系統實施案例

楊 峰 羅巧梅肖 愷 李 平 蔡海文趙 浩

（1.上海波匯通信科技有限公司，中國 上海 200120；2.上海紫珊光電技術有限公司，中國 上海 200120）

0 背景

連接陳家鎮變電站和長興島變電站的110kV的家長1130和1133線是為長興島供電的主要線路。由于負荷持續增長，更換更大輸送能力的電纜的建設項目已在規劃中。為保證該線路在過渡階段可靠運行，決定采用DTS光纖測溫技術進行監控。

家長1130和1133線由10700米海纜段、6000米的架空線段和接入長興變的約100米的排管段構成。在項目建議階段提出了兩個方案：（1）全線監控：在排管段敷設測溫光纖，并與架空線OPGW光纖和海纜內置光纖接續，形成覆蓋全線的DTS測溫[1-5]方案；（2）關鍵段監控：設計單位確認該線路的負荷瓶頸發生在排管段，因此該方案只監測排管段；考慮到實施技術難度低，并具有良好的性價比，經由專家討論決定采用方案2。目前該監控系統已經完成安裝并投入使用了近三個月；系統工作穩定，提供被監控對象的安全狀態和其他各種信息。

1 系統方案

1.1 概述

在長興變控制室內設置一臺DTS主機，一臺稱為本地站的工業計算機和GPRS模塊。和DTS主機連接的兩根測溫光纜分別經由控制線橋架，并敷設在家長1130和家長1133線的排管段的電纜表面；每根光纜均以來回走線的方式覆蓋回路的三相電纜。DTS主機和測溫光纜構成了DTS測溫子系統，完成電纜表面分布溫度的實時采集任務。本地站和DTS主機和GPRS模塊相連，并可從變電站監控系統讀取兩個回路的實時負荷電流。當DTS每完成一次分布溫度數據檢測，就觸發本地站通過GPRS發送分布溫度和負荷電流數據。由于沒有可用的有線通訊通道，方案采用了數據經過加密和校驗設置的GPRS通訊手段，見圖1。

GPRS將數據發送至電纜公司的公網IP，并驅動一個接入公司內網的在線監控服務器。該監控服務器稱為CSM站，設置在電纜公司值班室，完成以下實時任務：

分析電纜表面溫度數據，監測溫度異常點；

監控電纜的當前負荷水平，保證電纜負荷安全；

為完成上述任務，部署在CSM站的監控應用軟件采用了溫度異常點發現機制和動態載流量技術。結合這些工業智能算法，所述設備構成了一個基于DTS的電纜安全監控系統。

1.2 溫度異常點發現機制

方案采用了常規的最高溫度監控指標外，對另一項常規的最高溫升速率指標進行了SPD空間尖峰探測法的優化，形成了最高尖峰溫升指標，并采用MTS多時間尺度方法，在多個時間尺度上創建該指標，以具備發現較微弱溫度異常的功能。

電纜故障熱學特征的研究表明，電纜故障在分布溫度上呈現為米級空間尺度的尖峰。SPD利用小波濾波算法，濾除由非故障原因導致的大于該尺度的分布溫度變化和波動，如

（1）電纜的整體溫度變化（自身電纜或鄰近電纜的負荷變化）；

（2）局部較大區域的溫度變化（隧道通風）；

（3）溫升臺階（兩個環境交界面，光纖某點衰耗突增）；

（4）較大尺度的溫度梯度（環境條件不均勻）

在本方案中，SPD的濾波距離常數為2.0米。經濾波后的分布溫升變為米級空間尺度的尖峰溫升的分布；據此可以設置最高尖峰溫升指標。該指標實現這樣一種監測效果：各點的溫度不僅和自身溫度的歷史，同時還和鄰近段的溫度作比較。相對于常規溫升速率指標而言，提供了針對性強的報警機制。

由于SPD可以有效濾除正常的電纜溫度波動，尖峰溫升這一監控指標可以在長度不受限制的時間尺度上實現，在本方案中，利用MTS方法，設置了如下三個時間尺度的尖峰溫升：

（1）最近 5 分鐘；

（2）最近 2 小時；

（3）最近 24 小時

其警戒線和報警線均分別設置在3.0℃和5.0℃。在運行一段時間后，將根據實際環境溫度噪音水平進行調整。1.3 動態載流量算法

DTS的應用首次為建立一個完全確定的（局部的、與環境無關的）DCR模型創造了條件。測溫光纜布置在電纜的表面或護層內，實時檢測到電纜的表面溫度或護層的溫度，以此為邊界，DCR模型內的結構參數僅涉及電纜結構和該電纜受周邊電纜的電氣影響因素，而后者在電纜敷設完畢后就已經確定。邊界在電纜護層或電纜表面的DCR模型稱為DCR-I模型或內模，由于模型參數和邊界條件是確定的，DCR-I模型可以可靠地計算出邊界內的溫度場（包括導體溫度）和短時緊急負荷。通過分析電纜總熱量和該邊界溫度的響應關系，辨識該邊界以外的附近環境散熱參數和狀態，可以實現較長時間尺度的動態載流量計算或運行仿真；該基于辯識的載流量模型稱為DCR-II模型或外模。

在本方案中，為兩個回路建立了DCR-I模型和DCR-II模型，分別用于完成電纜導體溫度實時計算和48小時運行仿真和動態載流量計算。其中，實時導體溫度作為方案負荷安全監控的核心指標；其警戒線和報警線均分別設置在75℃ 和85℃。

由于在實際電纜中無法檢測到導體溫度，為證實DCR-I模型的有效性和準確性，在方案實施前委托武漢高壓研究院進行并通過了有關驗證試驗。DCR-II模型的特征是具有環境自適應能力；試驗室模擬多種環境的代價很高，并且試驗周期較長，因此不宜進行驗證試驗。由于DCR-II模型可預測電纜表面溫度，因此，計劃在運行階段（前六個月內）完成現場驗證。

1.4 DCR-I模型驗證試驗

見圖2，試驗驗證的過程分為三個階段：

（1）準備：在試驗室內搭建試驗電纜回路系統，如下圖；為了和實際應用情況相符，試驗驗證對象為一個在線的DCR-I系統，由一個小型的DTS子系統和一臺DCR-I計算機構成；DCR-I模型按照試驗電纜回路的參數建模，以DTS實時檢測的分布溫度和實時電流為輸入條件，計算、顯示并記錄導體溫度。經校驗的溫度記錄儀和電流記錄設備構成一個標準檢測記錄單元；其通過與之相連的若干熱電偶和電流互感器實時采集和記錄電纜表面溫度、導體溫度、環境溫度和電流，作為試驗系統的實測數據；其中，檢測導體溫度的熱電偶插入至電纜中段鉆至導體的小孔中。

（2）運行：施加特定的環境條件，啟動試驗回路、標準檢測記錄單元和DCR-I系統；

（3）結論：匯總和對比標準檢測數據文件和DCR-I系統生成的計算報告，給出驗證結論。

試驗環境一共設計為三種：空氣中自然對流，強制通風和水浸；光纜的敷設方式有兩種：緊密附著和松弛附著。其中，考慮到本項目中被監控的電纜均被水浸沒，而穿過排管的光纜不可能保證附著在電纜表面，因此專門設計了水浸和光纜松弛附著的試驗案例。施加的負荷電流每小時隨機調整一次，并保證導體溫度能在允許的范圍內盡可能大幅度變動。實施的試驗案例共四個，見表1：

表1 實施的試驗案例四個

圖3為案例三的DCR-I計算報告生成的電流-溫度響應曲線。X軸坐標為試驗時間，共持續16小時；Y軸主坐標為電流，單位為A；Y軸副坐標為溫度，單位為℃。其中鋸齒形曲線為負荷電流，另外三根曲線由上至下分別為DCR-I計算的導體溫度，DCR-I計算的電纜表面溫度和DTS檢測到的光纖溫度。

通過匯總所有試驗數據，得到驗證結論：在所有試驗案例中，由DTS和DCR-I構成的被驗證系統所計算的導體溫度和實測值的最大偏差不大于2.0℃。該偏差可以滿足實際在線監控的要求。試驗驗證了DCR-I模型的環境無關性：即在各種或變動環境條件下，其均能穩定和可靠地計算出導體溫度。

試驗確認在水浸的條件下，電纜表面到光纖的熱阻和它們之間的空間距離并不很敏感；DCR-I的導體溫度計算準確度在光纜和電纜表面松弛接觸或保持一個不大的間距的情況下仍然可以得到保證。另外，水浸試驗還表明，由于水的熱容較大，雖然導體溫度直接受變化電流的驅動，但電纜表面的溫度變化幅度很??；這證實了直接以電纜表面溫度作為電纜負荷水平監控指標是不可行的。

2 現場數據分析舉例

目前該監控系統已經完成安裝并投入使用了近三個月。系統監控的用戶對象除了家長1130和1133線外，還包括光纜經過的控制線橋架。對于后者，僅需采用溫度異常監控功能即可。到目前為止，被監控的用戶對象一直處于安全狀態中?，F以家長1130線在2008年6月至7月間的數據舉例說明和分析。以下使用的圖表均為監控系統的截屏。

分布溫度：時間為7月21日上午9：15的實例見圖4。其中橫坐標為空間長度，單位為米；由光纜的走向順序決定，前102米左右為B相，104米198米為C相（反向），201米至291米為A相；圖中下部一根曲線為當前分布溫度，參考左邊主坐標Y軸；實測最高溫度發生在254米處，為30.0℃。中間三條曲線按照變化幅度由小至大分別為實時、最近10分鐘、最近2小時的分布溫度的變化，參考右邊Y軸坐標。其中溫度變化較大的區域，均處于電纜井位置，受外界氣溫影響較大。另外，其空間尺度在10米以上，也表明該溫度變化屬正常。這些觀測結果顯示，受監控的電纜分布溫度比較均勻，無異?；蝻@著的熱瓶頸點。

表面最高溫度指標：其跟蹤曲線見圖5；其中最大值36.4℃ (7月19日)；該跟蹤曲線由實時檢測的電纜表面溫度按天匯總生成。匯總全天的數據，可以得到最大值，均值和最小值。圖中的三根曲線由高至低，分別為每日最大值曲線，均值曲線和最小值曲線。（下面的尖峰溫升跟蹤曲線也是相同方式的匯總結果）該回路的額定電纜表面溫度為66.1℃，目前先暫時采用較低的火警報警閾值：警戒線48℃，報警線58℃，未來視負荷和環境溫度的變化再作調整。該指標狀態為安全。

結合氣象資料，可以發現表面最高溫度和天氣相關性很大。在進入七月后，氣溫明顯升高；在負荷沒有明顯提升的情況下，電纜表面溫度在二十天內升高了約9℃。在更早的時候，也觀測到降雨可以更新排管內的水體，明顯地減低電纜環境溫度。

另一項觀測結果顯示，靠近電纜戶外終端的電纜段，因為暴露在大氣中，直接受氣溫和日照的影響，往往可能成為日間電纜表面溫度的最高點處。在敷設光纜時，應確保光纜覆蓋該段。

最高尖峰溫升（5分鐘內）指標：其跟蹤曲線見圖6；最大值0.6oC(7月19日)；該指標的警戒線3.0℃，報警線5.0℃。該指標狀態為安全。

觀測表明，目前這些最高溫升尖峰基本上發生在上午電纜井附近的電纜段；電纜井內溫度易受大氣溫度變化的影響。該指標的是為發現電纜故障點而設置的。但上述局部的（米級長度）電纜受外界氣溫影響的效果和電纜故障引發的熱學現象一致，因此可以認為對于后者，前者構成了一種噪音源。由此涉及了該指標如何設定報警閾值的問題。如果閾值設置過低，可能會造成頻繁的誤報警；設置過高，則可能導致無法發現電纜故障點。目前計劃采用的作法是，在早期運行階段，根據該指標的歷史信息的統計量調整該指標的報警閾值，如取歷史數據的平均值加標準偏差的若干倍，報警線2.0倍，警戒線3.0倍。

最高導體溫度指標：該指標與負荷電流、表面溫度三個變量共同構成的跟蹤曲線稱為電流-溫度響應曲線；圖7是其以天為時間單位的視圖；指標最大值42.5度(7月19日),最小值29.8度(6月29日)；該指標的警戒線75℃，報警線85℃。該指標狀態為安全。

電纜的導體溫度是當前電纜負荷水平的關鍵監控指標。DCR-I模型實時計算導體溫度，同時監控系統匯總生成最近60分鐘（以實時刷新間隔為時間單位），最近4天（以小時為時間單位），最近365天（以天為時間單位）的三個電流-溫度響應曲線視圖。其數據匯總的方法與上述兩個指標不同：導體溫度取階段的最高值，電流和電纜表面溫度取階段的均值。這些視圖提供了電纜回路負荷水平狀態和歷史的直觀的呈現?？梢酝ㄟ^這些圖表得出結論：目前電纜的負荷水平較低，以目前的負荷狀態和環境條件，在最近幾周內應仍然保持安全狀態。

動態載流量分析：監控系統提供了未來48小時運行仿真，圖8為以設計額定566A作為未來給定負荷的仿真得到的以小時為時間單位的電流-溫度響應曲線；圖中豎線為當前時間（6月19日下午1：00），其左面為歷史曲線，右邊為預測的電流給定和電纜表面溫度/導體溫度的計算值。計算表明預測的導體溫度最高達到58℃。另一個算例結果為：在905A的給定電流條件下，導體溫度最高達到85℃?？偨Y為：在當前的狀態下，該回路可以承載其設計負荷566A，在短時間內（48小時）其載流量可達到905A。仿真計算是基于一個由監控系統在線統計獲得的日（24小時）負荷曲線。上述給定電流是按照該負荷曲線的小時最高值。

48小時運行仿真和載流量計算由DCR-II模型完成。DCR-II模型通過辨識方法獲得瓶頸點的周圍環境散熱特性。但辨識方法在輸入條件不夠強（如負荷很小或日夜負荷相差很?。┗蛲獠扛蓴_較大（如電纜井口附近的瓶頸點受天氣影響）的情況下，無法產生辨識結果。在這種情況下，監控系統會要求用戶幫助輸入某些已知的環境條件。

對于較短的時間尺度（小于電纜傳熱時間常數，通常為小時級）的運行仿真和許用電流，DCR-I可以給出很確定的結果。對于大于48小時的載流量計算，可以根據最近365天電流-溫度響應曲線的數據，采用穩態計算方法手工完成。

3 總結

本項目的實施為DTS在電纜安全監控方面的應用提供了一個良好的案例；在該案例中，監控系統使用智能的計算機分析方法完成電纜溫度異常監測和負荷監控兩項關鍵任務，為電纜安全運行提供了有效的保障手段。

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