光纤传感为电力安全保驾护航

    【CPS中安网 cps.com.cn】 电力系统是国家建设的基础，是国民经济的命脉所在，是支撑整个社会运行最重要基础体系之一。近年来随着我国经济的持续飞速发展，居民生活水平的迅速提高，电力需求在不断增加，发电厂、变电站及配套线路被大量建设，对现代化建设所体现出的重要性越来越明显。电力工业得到迅速发展，电力网络的覆盖范围也迅速扩大。电力作为国家重要的能源供给设施，安全防范自是重中之重，保证供电系统的安全运行已经成为电力管理部门的首要任务。在我国电力行业在安防系统中一直走在前列，需求与功能也随着信息技术的发展而不断完善与提高，传统的人力管理已经无法符合电力应用的智能化、数字化的趋势。

　　随着电力系统自动化建设和改造不断发展完善，电网企业大多已经实现了对远程变电站/电网发电机组的遥测、遥信、遥控、遥调，即四遥功能。当前，各企业为了提高劳动生产率，增加经济效益，开始对电力生产实现无人值守模式或者远程遥控操作，网络视频监控系统-五遥作为对四遥的进一步补充和完善，越来越广泛地被电力用户应用到电力综合生产管理调度之中。但是目前，电力行业的监控也主要还是以变电站监控为主，而电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成。而作为电力生产不可或缺的各环节，一些环节的安全防范还存在缺失，或者低层次技术应用阶段，缺乏一些技术先进、安全可靠的安全防范手段。

　　首先从发电环节，中国已经经历了一轮电厂投建及改扩建的高峰期，一批火电、水电、核电、风电以及其它能源发电厂相继建成投产。电厂往往投资规模巨大，对安全生产和设备财产保有的要求很高，然而各电厂因其生产组织形式不同，工业环境有着其各自的异同。相同的是电厂一般占地范围较大，大规模的装备全厂覆盖的入侵探测报警系统，存在施工、装备以及探测效果的难题。而各电厂的环境因素比较复杂，使得传统一些安防设备的使用受限。

　　高温(火电)高湿(水电)干旱(西部风电)高咸湿(海上风电、核电);

　　电磁环境差，厂区常处于大电流强交变磁场环境中;

　　厂区范围大，地形复杂;

　　雷电多发。

　　传统的线形对射探测设备，发射口易被堵塞，从而失效。而电子围栏以及一些场形探测设备在高频电磁干扰、高温潮湿的环境下，易受干扰，造成设备工作的有效性明显受到干扰。因此，发电厂周界安全防范入侵探测报警系统需要装备环境应用性更强的系统。

　　然后是输电环节，输电线路是电网运行的命脉，是关系国计民生的关键，它在输送能源的同时又相当的脆弱，任何外力的破坏，都有可能造成大面积停电，甚至电网瓦解，给地方经济发展和人民群众生活及社会稳定带来巨大危害。外力破坏(如盗窃、施工)、环境污染、自然灾害一直是威胁电网安全的重大隐患，并有不断增加的趋势。目前电网企业还缺乏有效的防范手段和防范措施。而对于地震、台风、洪水等自然灾害有可能造成的电网大面积瘫痪，目前还缺乏系统性研究和评估，没有建立相应的预警机制。
 

　　随着现代光电传感技术的发展，使用轻巧方便的分布式光纤压力传感器来代替原来的普通探测器阵列已成为可能，并因其优越的性能而具有巨大的发展潜力。光纤监测技术是国际上七十年代后期才迅速发展起来的一种现代化监测技术，在航空、航天领域中已显示了其有效性。在土木、交通、地质工程领域的应用才刚刚开始，并受到了各发达国家研究机构的普遍重视，发展前景十分良好。尤其是近年来开发的分布式光纤传感技术，使光纤传感的应用领域得到进一步拓展。

　　所谓分布式光纤传感技术，即将整个长度范围内的光纤均用作传感器，探测在光纤敷设范围内任意点的特定信息，而不是仅局限于光纤上的某一点或是只是用光纤联结局部测试用传感器。首个分布式光纤传感技术原理是上世纪80年代被提出的。由于它具有可以获得被测量信息在空间和时间上连续分布的特点，非常适合于大型工程监测、长距离线路监控、大范围地域安防等领域。90年代以来，国内外许多研究机构和公司都投入了大量人力物力财力进行这方面的研究，分布式光纤传感技术得到快速发展，基于各种原理的分布式光纤传感器被开发出来，并且逐渐从实验研究走向实际应用。目前分布式光纤传感技术已被应用于土木工程、安全防护、化工、军事、交通等许多领域。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。

　　近期，由我国自主研制基于弹光效应和白光干涉技术，开发的分布式光纤监测技术，可以实现电力系统从发电到输变电整个电力供应环节的安全监控整体解决。该技术从光纤振动传感与温度传感两方面着手，开发了针对电力系统应用性极强的系列产品，技术功能填补了国内空白，并全面赶超了国外类似技术。该技术利用了光纤本质是弱电器件的优点，因此，对能源依赖小，野外布设方便，不怕雷击电闪;利用了光纤是一种无源器件的优点，因此，防火、防爆，无电磁干扰，更抗电磁干扰，非常适合长距离、大范围、难以人力全面监控的场合;利用了光纤本身不含金属的特点，因此，在野外苛刻的自然环境中，不会腐蚀，不怕雨雪，甚至可用于湿地与海域……因此对于输电线路的长距离传输进行定位实时安全监控。对可能造成输电线路破坏的外部威胁进行提前预警，以便及时制止破坏、强化防范，或准确奔赴意外现场，采取补救措施。从根本上防止经济损失，杜绝环境污染，避免社会危害。同时综合光纤温度分布式测量技术，探测和识别电力电缆的热占，监测电缆状态，保护电力设备，以及进行火灾监测。还可对水电站大坝、河堤、桥梁的渗漏以及混凝土凝固与养护温度进行监测。

　　发电厂

　　中国已经经历了一轮电厂投建及改扩建的高峰期，一批火电、水电、核电、风电以及其它能源发电厂相继建成投产。电厂往往投资规模巨大，对安全生产和设备财产保有的要求很高，然而各电厂因其生产组织形式不同，工业环境有着其各自的异同。相同的是电厂一般占地范围较大，大规模的装备全厂覆盖的入侵探测报警系统，存在施工、装备以及探测效果的难题。而各电厂的环境因素比较复杂，使得传统一些安防设备的使用受限。

　　高温(火电)高湿(水电)干旱(西部风电)高咸湿(海上风电、核电);

　　电磁环境差，厂区常处于大电流强交变磁场环境中;

　　厂区范围大，地形复杂;

　　雷电多发。

　　传统的线形对射探测设备，发射口易被堵塞，从而失效。而电子围栏以及一些场形探测设备在高频电磁干扰、高温潮湿的环境下，易受干扰，造成设备工作的有效性明显受到干扰。因此，发电厂周界安全防范入侵探测报警系统需要装备环境应用性更强的系统。

　　光纤振动传感技术利用了光纤本质是弱电器件的优点，对能源依赖小，野外布设方便，不怕雷击电闪;利用了光纤是一种无源器件的优点，因此，防火、防爆，无电磁干扰，更抗电磁干扰，非常适合长距离、大范围、难以人力全面监控的场合;利用了光纤本身不含金属的特点，因此，在野外苛刻的自然环境中，不会腐蚀，不怕雨雪，非常适用于水电站等潮湿环境。通过智能模式识别，排除环境干扰，防范级别高，误、漏报少，系统稳定性好，非常适合各种水电站、火电站、风电站的各种应用环境。
 

　　无人值守电站

　　随着科学技术的飞速发展，运用自动控制技术、微机及网络通信技术实现变电站设备的遥信、遥测、遥调、遥控已经成为变电运行的主流方式，并已在城、农网建设改造中广泛采用。与此同时，无人值守电站的安全防范也成为应运而生的问题，电力设施、设备遭破坏的情况屡有发生。因此，变电站园区周界入侵探测报警系统，成为保证变电站安全运行的最外层、最必要屏障。

　　综合电网调度运行的实际状况，无人值守变电站的周界入侵探测报警系统有其一些特殊的性能要求：

　　1 变电站多呈分散式分布，有些处于偏远地区，环境复杂、气候状况多变。周界入侵探测报警系统要求在潮湿、干旱环境下均能良好运行，受风、雨干扰小，不受雷、电影响。

　　2 变电站无人或少人值守，一旦周界发生入侵报警，则需调集人力或出动警力赶赴现场，因此要求入侵探测报警系统性能稳定，误报、漏报率低。

　　3 目前属于无人值守变电站管理模式的多为超高压和高压变电站，变电站园区处于高压、强电磁的环境当中，要求设备能够稳定、良好运行。

　　4 远程监控，集控站分控中心、调度局监控中心、其它职能部门相关领导应能分级、分权限进行监控、调度、报警。

　　光纤振动传感技术采用光纤作为前端介质，同时通过光纤将前端信号传输至监控中心主机主，主机响应后通过电力专网向远程调度中心或市局、上级机构传输信号，实现远程实时监控。

　　高压电塔安全监控系统

　　众所周知，高压电塔危险性极强，别说是靠近塔架，就连塔架附近一定区域都需作无人区隔离，保证一定的安全距离。然而，攀爬塔架的新闻却依然时有发生。可能造成人员伤亡，也有因人道主义救助切断供电而造成的大范围电力中断，给工业生产、人民生活带来干扰。因此，如果能在靠近塔架的无人区域，或者塔架底部布设报警装置，在意识到可能有人员进入的早期，及时预警，及时进行干预，将危险及早扼制，对于电力供给的安全运行与人民生活都能起到很好的保证。

　　光纤振动传感技术通过埋设在无人区高压塔架周围的光缆，或者绑扎在高压塔架底部支架上的光缆，在有人员进入禁行区，或开始攀爬塔架的时候，第一时间进行报警。安保人员通过监控室显示的塔架位置及时进行定位，并出动人员及早进行干预。能有效将危险及早进行扼制。

　　输电干线安全监控

　　输电线路是电网运行的命脉，是关系国计民生的关键，它在输送能源的同时又相当的脆弱，任何外力的破坏，都有可能造成大面积停电，甚至电网瓦解，给地方经济发展和人民群众生活及社会稳定带来巨大危害。外力破坏(如盗窃、施工)、环境污染、自然灾害一直是威胁电网安全的重大隐患，并有不断增加的趋势。目前电网企业还缺乏有效的防范手段和防范措施。而对于地震、台风、洪水等自然灾害有可能造成的电网大面积瘫痪，目前还缺乏系统性研究和评估，没有建立相应的预警机制。

　　利用光纤传感技术对输电线路进行安全监控，是采用沿输电线路布设的光纤单芯定位等一系列创新技术，通过对输电线路上发生的触碰(或刮擦)光缆、接头盒、光芯等扰动的实时监测，采集和分析信息，判定扰动发生的位置、类型、强度，以帮助线路维护人员及时发现输电线路的破坏行为。该系统解决了当前输电干线安全缺乏有效监测手段的问题，不仅能够在事件发生时实时监测、准确定位、智能分析，还可以实现对事故发生的预警，有效解决对线路损毁的预警监测，为安保人员提供告警、智能分析和辅助决策支持。

　　该系统解决了输电干线远程长距离传输的情况下，无法进行无源(不需电力供给)的定位安全实时监控。安装便捷,只需沿被监测线路布设一根光缆，光缆的两端使用光纤连接器分别接入信号检测子架、信息处理子架(近端)和远端单元(远端),可完成系统安装而不影响线路正常使用。
 

　　分布式温度传感监测

　　电力设备安全运行一直是电力、钢铁、石化等行业高度重视的问题。多年来，虽然采取了不少安全措施和技术，仍然存在着不少隐患，安全事故仍时有发生。电厂与变电站电缆桥架、电缆隧道、电缆夹层、电缆沟、电缆竖井、开关设备、变压器、电阻排等电力设备在长期的高压中常因发热而老化引起火灾，而一旦发生火灾，除了自身设备的损坏之外，更将因为供电的非正常中断给社会经济发展带来极大的损失。

　　经过多年来火灾调查研究发现，大多数的火灾事故都是由于温度过高引起的。火灾形成发展的过程大致分为以下几个步骤：发热——阴燃——冒烟起火——火苗窜起——火势扩大蔓延——大火燃起形成火灾。从该过程分析，如果能够在火灾潜伏期温度缓慢的上升过程中就能即时发现火灾隐患并采取相应措施，无疑是最佳的防范时机。

　　由于当前使用的“传统形式的火灾探测系统”智能化技术滞后，当这些火灾探测器工作时，火灾已处于初期甚至中后期阶段，且损失和灾害多数已经发生和形成，无法真实地实时地及早发现和分析并且杜绝初期的火灾事故隐患，故而难以实现其“预警”的目的与作用。因此，如何在火灾隐患的潜伏期及时发现并控制火灾的形成，积极主动的、行之有效的从根本上杜绝火灾的发生，无疑具有非常重要的意义。

　　传统形式的火灾探测系统其传感部件通常是电磁式元件，而在电力行业的应用场合，设备上都有着高压，它的周围有很强的电磁干扰，导致传统的探测器误报、漏报时常发生。因此迫切需要有一套可靠的、高性能的自动化系统来对电力设备的温度进行有效的实时监测及报警，以便及时采取预防措施，避免火灾及停电事故发生。

　　分布式光纤测温传感技术是目前国际上最先进的测温技术。DTS分布式光纤温度传感完全不同于传统的以电信号为基础的温度传感系统，无论是从测量技术的难度、测量温度的内容及指标，还是从测量的场合和范围都提高到了一个新的阶段。分布式光纤温度传感器系统，能在整个连续的光纤上，以距离的连续函数形式，测量和显示出光纤上各点的温度值。这种技术只需一根光纤就可以测量十公里距离的温度。国内外工程应用经验表明，对于电力系统的温度监测，分布式光纤温度传感系统是一种十分有效的监测设备。

　　分布式光纤测温系统基于目前最先进的光纤、激光和信号处理技术。采用光纤作为温度信息采集的传感器。通过测量入射激光在光纤中不同距离处产生的散射波，测知沿光纤分布的各点的实时温度信息。该系统专门应用于区域(多点、线性、面型)测温，并可以实现对温度引起的过热、过冷、火情隐患等进行预判和报警。

　　大量的实际应用和测试证明，分布式光纤测温传感技术具有极好的稳定性和可靠性，误报率、漏报率极低。加之光纤抗腐蚀、耐高温、无静电和无辐射的特质。使得系统为各种基于温度检测的工业需求提供了稳定、可靠和经济的解决方案。

　　综上所述，光纤传感技术可以整体解决电力行业各个环节从安全防范至安全生产的综合安全监控，自身的很多性能优势能够十分方便的实现对整个行业的多项安全监控，即将得到电力行业的广泛重视，并开始被广泛应用。

　　*本文获上海市科委科研计划项目(11DZ2281300)(11142200500)资助

　　作者单位：缪璇 钱六宝 章骅，上海复旦智能监控成套设备有限公司;唐璜，复旦大学