基于DTS的电缆安全监控系统实施案例杨 峰

【摘 要】本文介绍了一个基于dts的高压电缆安全监控系统的实施方案，并对运行数据进行了举例分析。监控系统的输入为DTS实时检测到的电缆分布温度（表面温度）和实时负荷电流，采用最高尖峰温升指标和动态载流量算法分别完成温度异常点监测和电缆负荷监控两项任务。本文还介绍了动态载流量算法DCR-I模型的实验室验证试验的实施过程；该模型可以可靠地实时计算出负荷监控的关键指标―电缆导体温度。

【关键词】DTS；高压电缆监控；动态载流量；验证试验；DCR-I；导体温度；尖峰温升

0 背景

连接陈家镇变电站和长兴岛变电站的110kV的家长1130和1133线是为长兴岛供电的主要线路。由于负荷持续增长，更换更大输送能力的电缆的建设项目已在规划中。为保证该线路在过渡阶段可靠运行，决定采用DTS光纤测温技术进行监控。

家长1130和1133线由10700米海缆段、6000米的架空线段和接入长兴变的约100米的排管段构成。在项目建议阶段提出了两个方案：（1）全线监控：在排管段敷设测温光纤，并与架空线OPGW光纤和海缆内置光纤接续，形成覆盖全线的DTS测温[1-5]方案；（2）关键段监控：设计单位确认该线路的负荷瓶颈发生在排管段，因此该方案只监测排管段；考虑到实施技术难度低，并具有良好的性价比，经由专家讨论决定采用方案2。目前该监控系统已经完成安装并投入使用了近三个月；系统工作稳定，提供被监控对象的安全状态和其他各种信息。

1 系统方案

1.1 概述

在长兴变控制室内设置一台DTS主机，一台称为本地站的工业计算机和GPRS模块。和DTS主机连接的两根测温光缆分别经由控制线桥架，并敷设在家长1130和家长1133线的排管段的电缆表面；每根光缆均以来回走线的方式覆盖回路的三相电缆。DTS主机和测温光缆构成了DTS测温子系统，完成电缆表面分布温度的实时采集任务。本地站和DTS主机和GPRS模块相连，并可从变电站监控系统读取两个回路的实时负荷电流。当DTS每完成一次分布温度数据检测，就触发本地站通过GPRS发送分布温度和负荷电流数据。由于没有可用的有线通讯通道，方案采用了数据经过加密和校验设置的GPRS通讯手段，见图1。

GPRS将数据发送至电缆公司的公网IP，并驱动一个接入公司内网的在线监控服务器。该监控服务器称为CSM站，设置在电缆公司值班室，完成以下实时任务：

分析电缆表面温度数据，监测温度异常点；

监控电缆的当前负荷水平，保证电缆负荷安全；

为完成上述任务，部署在CSM站的监控应用软件采用了温度异常点发现机制和动态载流量技术。结合这些工业智能算法，所述设备构成了一个基于DTS的电缆安全监控系统。

1.2 温度异常点发现机制

方案采用了常规的最高温度监控指标外，对另一项常规的最高温升速率指标进行了SPD空间尖峰探测法的优化，形成了最高尖峰温升指标，并采用MTS多时间尺度方法，在多个时间尺度上创建该指标，以具备发现较微弱温度异常的功能。

电缆故障热学特征的研究表明，电缆故障在分布温度上呈现为米级空间尺度的尖峰。SPD利用小波滤波算法，滤除由非故障原因导致的大于该尺度的分布温度变化和波动，如

（1）电缆的整体温度变化（自身电缆或邻近电缆的负荷变化）；

（2）局部较大区域的温度变化（隧道通风）；

（3）温升台阶（两个环境交界面，光纤某点衰耗突增）；

（4）较大尺度的温度梯度（环境条件不均匀）

在本方案中，SPD的滤波距离常数为2.0米。经滤波后的分布温升变为米级空间尺度的尖峰温升的分布；据此可以设置最高尖峰温升指标。该指标实现这样一种监测效果：各点的温度不仅和自身温度的历史，同时还和邻近段的温度作比较。相对于常规温升速率指标而言，提供了针对性强的报警机制。

由于SPD可以有效滤除正常的电缆温度波动，尖峰温升这一监控指标可以在长度不受限制的时间尺度上实现，在本方案中，利用MTS方法，设置了如下三个时间尺度的尖峰温升：

（1）最近5分钟；

（2）最近2小时；

（3）最近24小时

其警戒线和报警线均分别设置在3.0℃ 和5.0℃。在运行一段时间后，将根据实际环境温度噪音水平进行调整。

1.3 动态载流量算法

DTS的应用首次为建立一个完全确定的（局部的、与环境无关的）DCR模型创造了条件。测温光缆布置在电缆的表面或护层内，实时检测到电缆的表面温度或护层的温度，以此为边界，DCR模型内的结构参数仅涉及电缆结构和该电缆受周边电缆的电气影响因素，而后者在电缆敷设完毕后就已经确定。边界在电缆护层或电缆表面的DCR模型称为DCR-I模型或内模，由于模型参数和边界条件是确定的，DCR-I模型可以可靠地计算出边界内的温度场（包括导体温度）和短时紧急负荷。通过分析电缆总热量和该边界温度的响应关系，辨识该边界以外的附近环境散热参数和状态，可以实现较长时间尺度的动态载流量计算或运行仿真；该基于辩识的载流量模型称为DCR-II模型或外模。

在本方案中，为两个回路建立了DCR-I模型和DCR-II模型，分别用于完成电缆导体温度实时计算和48小时运行仿真和动态载流量计算。其中，实时导体温度作为方案负荷安全监控的核心指标；其警戒线和报警线均分别设置在75℃ 和85℃。

由于在实际电缆中无法检测到导体温度，为证实DCR-I模型的有效性和准确性，在方案实施前委托武汉高压研究院进行并通过了有关验证试验。DCR-II模型的特征是具有环境自适应能力；试验室模拟多种环境的代价很高，并且试验周期较长，因此不宜进行验证试验。由于DCR-II模型可预测电缆表面温度，因此，计划在运行阶段（前六个月内）完成现场验证。

1.4 DCR-I模型验证试验

见图2，试验验证的过程分为三个阶段：

（1）准备：在试验室内搭建试验电缆回路系统，如下图；为了和实际应用情况相符，试验验证对象为一个在线的DCR-I系统，由一个小型的DTS子系统和一台DCR-I计算机构成；DCR-I模型按照试验电缆回路的参数建模，以DTS实时检测的分布温度和实时电流为输入条件，计算、显示并记录导体温度。经校验的温度记录仪和电流记录设备构成一个标准检测记录单元；其通过与之相连的若干热电偶和电流互感器实时采集和记录电缆表面温度、导体温度、环境温度和电流，作为试验系统的实测数据；其中，检测导体温度的热电偶插入至电缆中段钻至导体的小孔中。

（2）运行：施加特定的环境条件，启动试验回路、标准检测记录单元和DCR-I系统；

（3）结论：汇总和对比标准检测数据文件和DCR-I系统生成的计算报告，给出验证结论。

试验环境一共设计为三种：空气中自然对流，强制通风和水浸；光缆的敷设方式有两种：紧密附着和松弛附着。其中，考虑到本项目中被监控的电缆均被水浸没，而穿过排管的光缆不可能保证附着在电缆表面，因此专门设计了水浸和光缆松弛附着的试验案例。施加的负荷电流每小时随机调整一次，并保证导体温度能在允许的范围内尽可能大幅度变动。实施的试验案例共四个，见表1：

图3为案例三的DCR-I计算报告生成的电流-温度响应曲线。X轴坐标为试验时间，共持续16小时；Y轴主坐标为电流，单位为A；Y轴副坐标为温度，单位为℃。其中锯齿形曲线为负荷电流，另外三根曲线由上至下分别为DCR-I计算的导体温度，DCR-I计算的电缆表面温度和DTS检测到的光纤温度。

通过汇总所有试验数据，得到验证结论：在所有试验案例中，由DTS和DCR-I构成的被验证系统所计算的导体温度和实测值的最大偏差不大于2.0℃。该偏差可以满足实际在线监控的要求。试验验证了DCR-I模型的环境无关性：即在各种或变动环境条件下，其均能稳定和可靠地计算出导体温度。

试验确认在水浸的条件下，电缆表面到光纤的热阻和它们之间的空间距离并不很敏感；DCR-I的导体温度计算准确度在光缆和电缆表面松弛接触或保持一个不大的间距的情况下仍然可以得到保证。另外，水浸试验还表明，由于水的热容较大，虽然导体温度直接受变化电流的驱动，但电缆表面的温度变化幅度很小；这证实了直接以电缆表面温度作为电缆负荷水平监控指标是不可行的。

2 现场数据分析举例

目前该监控系统已经完成安装并投入使用了近三个月。系统监控的用户对象除了家长1130和1133线外，还包括光缆经过的控制线桥架。对于后者，仅需采用温度异常监控功能即可。到目前为止，被监控的用户对象一直处于安全状态中。现以家长1130线在2008年6月至7月间的数据举例说明和分析。以下使用的图表均为监控系统的截屏。

分布温度：时间为7月21日上午9：15的实例见图4。其中横坐标为空间长度，单位为米；由光缆的走向顺序决定，前102米左右为B相，104米198米为C相（反向），201米至291米为A相；图中下部一根曲线为当前分布温度，参考左边主坐标Y轴；实测最高温度发生在254米处，为30.0℃。中间三条曲线按照变化幅度由小至大分别为实时、最近10分钟、最近2小时的分布温度的变化，参考右边Y轴坐标。其中温度变化较大的区域，均处于电缆井位置，受外界气温影响较大。另外，其空间尺度在10米以上，也表明该温度变化属正常。这些观测结果显示，受监控的电缆分布温度比较均匀，无异常或显著的热瓶颈点。

表面最高温度指标：其跟踪曲线见图5；其中最大值36.4℃ （7月19日）；该跟踪曲线由实时检测的电缆表面温度按天汇总生成。汇总全天的数据，可以得到最大值，均值和最小值。图中的三根曲线由高至低，分别为每日最大值曲线，均值曲线和最小值曲线。（下面的尖峰温升跟踪曲线也是相同方式的汇总结果）该回路的额定电缆表面温度为66.1℃，目前先暂时采用较低的火警报警阈值：警戒线48℃，报警线58℃，未来视负荷和环境温度的变化再作调整。该指标状态为安全。

结合气象资料，可以发现表面最高温度和天气相关性很大。在进入七月后，气温明显升高；在负荷没有明显提升的情况下，电缆表面温度在二十天内升高了约9℃。在更早的时候，也观测到降雨可以更新排管内的水体，明显地减低电缆环境温度。

另一项观测结果显示，靠近电缆户外终端的电缆段，因为暴露在大气中，直接受气温和日照的影响，往往可能成为日间电缆表面温度的最高点处。在敷设光缆时，应确保光缆覆盖该段。

最高尖峰温升（5分钟内）指标：其跟踪曲线见图6；最大值0.6oC （7月19日）；该指标的警戒线3.0℃，报警线5.0℃。该指标状态为安全。

观测表明，目前这些最高温升尖峰基本上发生在上午电缆井附近的电缆段；电缆井内温度易受大气温度变化的影响。该指标的是为发现电缆故障点而设置的。但上述局部的（米级长度）电缆受外界气温影响的效果和电缆故障引发的热学现象一致，因此可以认为对于后者，前者构成了一种噪音源。由此涉及了该指标如何设定报警阈值的问题。如果阈值设置过低，可能会造成频繁的误报警；设置过高，则可能导致无法发现电缆故障点。目前计划采用的作法是，在早期运行阶段，根据该指标的历史信息的统计量调整该指标的报警阈值，如取历史数据的平均值加标准偏差的若干倍，报警线2.0倍，警戒线3.0倍。

最高导体温度指标：该指标与负荷电流、表面温度三个变量共同构成的跟踪曲线称为电流-温度响应曲线；图7是其以天为时间单位的视图；指标最大值42.5度（7月19日）， 最小值29.8度（6月29日）；该指标的警戒线75℃，报警线85℃。该指标状态为安全。

电缆的导体温度是当前电缆负荷水平的关键监控指标。DCR-I模型实时计算导体温度，同时监控系统汇总生成最近60分钟（以实时刷新间隔为时间单位），最近4天（以小时为时间单位），最近365天（以天为时间单位）的三个电流-温度响应曲线视图。其数据汇总的方法与上述两个指标不同：导体温度取阶段的最高值，电流和电缆表面温度取阶段的均值。这些视图提供了电缆回路负荷水平状态和历史的直观的呈现。可以通过这些图表得出结论：目前电缆的负荷水平较低，以目前的负荷状态和环境条件，在最近几周内应仍然保持安全状态。

动态载流量分析：监控系统提供了未来48小时运行仿真，图8为以设计额定566A作为未来给定负荷的仿真得到的以小时为时间单位的电流-温度响应曲线；图中竖线为当前时间（6月19日下午1：00），其左面为历史曲线，右边为预测的电流给定和电缆表面温度/导体温度的计算值。计算表明预测的导体温度最高达到58℃。另一个算例结果为：在905A的给定电流条件下，导体温度最高达到85℃。总结为：在当前的状态下，该回路可以承载其设计负荷566A，在短时间内（48小时）其载流量可达到905A。仿真计算是基于一个由监控系统在线统计获得的日（24小时）负荷曲线。上述给定电流是按照该负荷曲线的小时最高值。

48小时运行仿真和载流量计算由DCR-II模型完成。DCR-II模型通过辨识方法获得瓶颈点的周围环境散热特性。但辨识方法在输入条件不够强（如负荷很小或日夜负荷相差很小）或外部干扰较大（如电缆井口附近的瓶颈点受天气影响）的情况下，无法产生辨识结果。在这种情况下，监控系统会要求用户帮助输入某些已知的环境条件。

对于较短的时间尺度（小于电缆传热时间常数，通常为小时级）的运行仿真和许用电流，DCR-I可以给出很确定的结果。对于大于48小时的载流量计算，可以根据最近365天电流-温度响应曲线的数据，采用稳态计算方法手工完成。

3 总结

本项目的实施为DTS在电缆安全监控方面的应用提供了一个良好的案例；在该案例中，监控系统使用智能的计算机分析方法完成电缆温度异常监测和负荷监控两项关键任务，为电缆安全运行提供了有效的保障手段。

【参考文献】

[1]张在宣，王剑锋，刘红林，等.30km远程分布式光纤拉曼温度传感器系统的实验研究[J].中国激光，2004，31（5）：613-616.

[2]张在宣，张步新，陈阳.光纤背向激光自发啦曼散射的温度效应研究[J].光子学报，1996，25（3）：273-278.

[3]陈军，李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感技术[J].电力系统及自动化学报，2005，17（3）：47-49.

[4]彭超，赵建康，苗付贵.分布式光纤监测技术在线监测电缆温度[J].高电压技术，2006，8（32）：43-45.

[5]刘林红，张在宣，余向东，等.30km分布式光纤测温传感器的空间分辨率研究[J].仪器仪表学报，2005，26（11）：1195-1210.