光纤测温系统技术方案

EN.SURE分布式光纤温度系统方案

保证当今世界电力的可靠供给

防止电力中断的预防措施

随着对电力的需求不断增加，对于电力公司和电网的挑战也越来越大。电力供给行业继续迅速自由化发展，致使了国内和国际网络的重组。过去几年中发生的事件，包括主要区域大规模的停电和短路，以及替代能源不断被应用于现存的网络中，表明了现在的结构需要作出改善。同时，对开支能否降至最低的压力也越来越大。

温度监测是地下能源传输分配系统优化的关键因素。导体的温度取决于负载，但其余诸如土壤热阻力，电力线路的排布，相邻的电缆和其他来源扩散到导体周围的热量等因素也会对系统表现产生重要影响。

即使现今，要预测电缆沿线的温度分布是几乎不可能的，所以系统的最大载流量通常妥协于操作条件和风险最小化。

安装工业分布式温度测量系统（DTS）来测量电缆沿线的实时温度是传输分配系统监测的第一步。LIOS技术有限公司提供的集成动态电缆分级（DCR）或者也可称为实时热额定值（RTTR）解决方案不仅仅能够持续监测高压电缆沿线的实时温度，而且能帮助电网在安全的前提下达到最大能力。此外，它也使得电网运营商能在原定运作条件发生重大改变时预测传输系统的动向。

[测量原理]

光纤测温系统由激光二极管发出的连续波照射光纤内的玻璃芯。当光波沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射。如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是对温度最为敏感的一种。光纤中光传输的每一点都会产生拉曼散射，并且产生的拉曼散射光是均匀分布在整个空间角内的。

拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，具体地说，如果一部分光能转换成为热振动，那么将发出一个比光源波长更长的光，称为斯托克斯光（Stokes光），如果一部分热振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光（Anti-Stokes光）。其中Stokes光强度受温度的影响很小，可忽略不计，而Anti-Stokes光的强度随温度的变化而变化。Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式。光在光纤中传输时一部分拉曼散射光（背向拉曼散射光）沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收。DTS通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在频域中，利用OFDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的强度差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

其工作原理如下图所示：

[技术优势]

LIOS技术有限公司提供的监测系统能通过以下措施保证用户在事故前定位热点，动态分析电力负荷以及保证可靠的电力供应：

1）热点的精确定位

可以准确地定位发热点的位置，位置精确到1米以内。

2）每个区域都具有多重可自定义参数警报

可针对各个区域进行预报警和报警设置

3）光纤可同时监测不同电缆

光纤优于传统感温元件的测温效率，使得光纤可及时地感应电缆沟槽内的电缆热点。

4）趋势分析以及在线连接至精确分级系统

通过实时分析软件可及时地分析电力传输系统的效能

5）实时连续分布式测量

6）分布式光纤传感器是真正的分布式测量，可以连续的得到沿着探测光缆几十公里的测量信息，误报和漏报率大大降低。同时实现实时监测。

7）抗电磁干扰，在高电磁环境中可以正常的工作。

8）光纤本身是由石英材料组成的，完全的电绝缘；同时光纤传感器的信号是以光纤为载体的，本征安全，不受任何外界电磁环境的干扰。

9）本征防雷。

10）雷电经常破坏大量的电测传感器。光纤传感器由于完全的电绝缘，可以抵抗高电压和高电流的冲击。

11）测量距离远，适于远程监控。

12）光纤的两个突出优点就是传输数据量大和损耗小，在无需中继的情况下，可以实现几十公里的远程监测。

13）灵敏度高，测量精度高。

14）理论上上大多数光纤传感器的灵敏度和测量精度都优于一般的传感器，实际已成熟的产品也证明了这一点。

15）寿命长，成本低，系统简单。

16）光纤的材料一般皆为石英玻璃，其具有不腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性，通常可以服役30年。综合考虑传感器的自身成本以及以后的维护费用，使用光纤传感器可以大大降低整个工程的最终经营成本。

[产品介绍]

1． EN,SURE主机——分布式光纤温度测量系统

特点：

●整条光纤既传输信号又感应被测量

●测试距离：8km

●空间分辨率高：1m

●温度分辨率优于1 o C

●通道数：8

●单通道测量时间≤20s

●主机工作环境温度：-10 to +60 °C

●激光器使用寿命≥25年

●光转换开关使用寿命≥25年

●友好的中文用户界面

●特殊设计的传感光缆

●多种温度报警方式

●嵌入的网络接口和调制解调器

●设备产地：德国

DTS系列分布式光纤测温系统代表着目前国际上的最高水平，无论在温度分辨率、空间分辨率、测量距离，还是测量时间上都高于其他公司的产品，下面几点是出示了LIOS的领先水平：

●高度可靠的工业设计

关键部件通过国际电信工业的认证（根据Telecordia GR - 468标准测试，使用寿命> 25年）

●基于具有专利的拉曼OFDR技术的信号处理技术（光频域反射技

术）

●O FDR技术采用由激光二极管发出的连续波和光学后向散射信号

的窄带检测，以此取得了比常规脉冲技术（OTDR）更高的信噪

比。

●沿整个传感电缆长度的精准热点定位检测

即使在最遥远的距离，恒定不变的OFDR空间分辨率

OFDR技术可在长距离的探测范围内保证恒定的空间分辨率。据此在温度的探测方面，无论距离远近，都能够在早期阶段提供准确的温度信息，如非典型温度信号或异常温度信号。而其他探测技术（如激光脉冲技术，OTDR），在远距离温度探测时，色散效应非常明显，空间分辨率因此变宽大。换句话说，脉冲式探测使得系统对热点温度的灵敏度随距离渐远而降低。

●灵活和直接连接到管理系统

如SCADA（通过DNP3，IEC60870 - 5或IEC61850标准）和以IEC，AEIC和IEEE标准为基础的实时热能RTTR）软件计算引擎。

●多达16个内部光纤通道

1台DTS单位可以覆盖最复杂的电源线电路

●温度分辨率优于1 °C

●根据DIN EN 60825-1:2007，激光产品类1M

●免维护和简易的户外安装---可在较高的环境温度下运行工作和

无风扇DTS控制单元设计

●国际认证和证书–形式测试和认证

市场对产品的安全要求越来越高，LIOS的产品获得了各个独立国际机构的认可，严格遵循国际质量标准。例如TüV Rheinland, VdS, EXAM, FM, ISO9001, ISO14001。

●全球超过2500个永久的成功应用

LIOS技术有限公司是分布式光纤感温产品行业领先的制造商。可为客户提供工厂测试报告和现场测试报告

2．探测光缆

LIOS探测光缆是一个内部50/125μm的多模光纤，外部为低烟无卤，阻燃型热塑材料。此种光缆更加柔软，便于安装。同时也具有很好的热传导特性和抗腐蚀特性。此外该光缆不带有任何金属结构，完全绝缘，非常适合高压电缆的温度监测。

外护套

芳纶纱

带涂层的红色和绿色光纤填充凝胶的松管?2,0mm

纤芯数1～4

光缆重量17 Kg/km 光缆直径 4.0 mm

最小弯曲半径无拉力负载60 mm 有拉力负载80 mm

最大允许拉力长期400 N 短期800 N

最大碾压阻力900 N/cm

冲击阻力3次冲击，每次1.5Nm

运行/存储温度-25~+70

安装温度-5~+50

短期温度-50~+150 （最多一小时）

3. 系统的介绍

德国LIOS的EN.SURE控制器具有广泛的网络扩展功能。可以通过本机的接点信号与本地报警模块连接，通过RS232接口与本地电脑连接。也可通过网络，与远程控制中心联络显示。

特性：

?通讯能力

?信息交换

?十路输出（最大可扩展至106路输出）

?四路输入（最大可扩展至40路输入）

?通讯接口

?USB

?以太网(TCP/IP)

?RS 232

?可选通道数目：1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12, 16 (可选)

?空间分辨率：1 m

?主机工作环境温度：-10 to +60 °C

4.DTS系列产品的标准和规范

国际标准

DTS 系列产品着眼于电子安全和激光安全，具有非常严格的安全指标。已经通过了一系列第三方测试，并满足了以下多个标准。

5. DTS系统管理软件

DTS系统管理软件是一套功能强大、界面友好的光纤测温工具软件，操作十分简单。

1) DTS 主控制界面

数据记录信息区域显示了有关分布式温度测量内容的数据信息。调整空间分辨率可以查看某区

域的详细温度信息。用户可以设置多个重点监测的区域（点或段），如电缆接头，进行重点监测。

2）光学参数显示

可以同时连续的显示沿光纤的拉曼散射斯托克斯和反斯托克斯光强分布，分布式的温度信息正是通过这两个量的比值得到的。

3）数据记录信息区域

数据记录信息区域包含了被存在硬盘中有关分布式温度测量数据的信息。

4）远程数据访问

本地的DTS可以通过网络远程的控制。

5）设定感兴趣的区域

这里用户可以设置多个感兴趣的点和段（热点、皮带长廊的特殊地段），来判断这些位置的情况。6）数据存储和备份

DTS的主机可以存储所有的温度信息，这样当DTS和控制器通信失败时，可以调出主机中的原始数据。

7）多种报警方式

LIOS的报警软件专门用于DTS主机，用户可以根据自己的要求设置报警方式（预报警和报警模式）和报警区域。

⊙通道编辑

该报警软件完全的对应DTS，由于DTS主机最大可扩展到16个通道，可以对每个通道的不同区域设置报警。

⊙报警方式设置

这里用户可以对感兴趣的地方设置报警，既可以对一个单点，也可以对一段长度。如果温度超过设置的报警温度，一个报警信号就被发出。用户也可以编辑报警时的行动。报警方式可以是：

●定温报警，设定最大温度/最低温度报警

●差温报警，设定温度的变化报警

●温度范围报警，设定温度/温度变化的上下限

●与前次温度比较报警，设置与上一次温度的相对变化报警

●超出环境温度报警，设置一段区域的任意点超过平均温度报警

●光纤破坏报警

⊙设置报警区域

用户根据光缆的距离与实际情况的对应关系，对不同的光纤段和点都可以设置报警。可以根据实际电缆沿线的情况，分别设置报警方式。

软件功能

●用户管理

●参数设置

●报警管理

●远程访问

●联网功能

[具体应用]

1．电缆状态监测

通过整个电力电缆网的温度信息，判断其工作状态，当发现问题时，及时地处理。

2．探测和识别电力电缆的热点

DTS可以探测到由于负荷变化和环境变化引起的温度变化，同时能够精确的定位（1m）。并可以设置报警温度，连接到SCADA系统。

3．电力设备的保护

DTS可以实时的在线监测，同时对各个点的温度信息可以设置预警，减小突发事件的发生。

4．优化输配电的资本

根据温度可以确定电缆的负荷变化，合理的配置负荷，同时合理的扩大现有电缆的容量，增减电缆的工作寿命。

5．变电站和开关柜的监测

可以沿变电站关键位置铺设电缆，通过温度数据计算变压器的负荷指数。

6．电缆隧道火灾监测

沿着电缆隧道顶部配置探测光缆，同时DTS可以通过继电器模块与火灾控制器相连，实现自动火灾报警系统。

DTS 主机放置在隧道控制室中监测，可以通过各种接口和外界通信：

? Ethernet TCP/IP 接口 ? 56K Modem ? RS232/485

SCADA 、继电器模块（继电器数量可以根据用户定制）

报警形式如下：

? Email ? 手机短信息 ? Relay/Modbus ? 网络

二、电缆温度监测和动态载流量监测

下图表示了光纤测温系统在电力电缆监测系统应用的系统图。

控制中心

EN.SURE DTS

电缆表面安装

LIOS 温度探测光纤

继电器输出

Modbus

Network

SCADA

PLC

2730m

由传感光缆和光纤测量主机构成的分布式光纤温度测量系统（DTS）对电缆表面温度和电缆环境温度进行实时监测。主要的输出量是沿着电缆线路长度的测量得到的电缆表面温度以及电缆环境温度，以图表的形式提供“热点”信息并检验电缆线路的安全工作。该系统可以作为独立的温度监测系统，同时也是动态载流量分析系统的的输入设备。

动态载流量分析系统（RTTR）接收来自DTS测量得到的电缆表面温度以及电缆环境温度信息以及来自SCADA系统的电缆负载信息，采用实时热模型和算法，将测量得到的温度实时地转换为导体温度，同时计算分析动态额定载流量，从而合理控制电力源，既可以做到充分利用电缆的传输能力，又可以确保电缆的安全。

负载图——实测：

探测光缆安装：

根据需要探测光缆可以安装在电缆内部也可以在电缆外部内部

外部

光缆安装：优点：

更接近电缆芯

适合于排管

缺点：

连接困难

光缆损耗大

优点：

安装简单

接点少

可以后安装，可替换

缺点：

距离电缆芯更远

需要复杂的模型

Fig 9 Temperature Variation over 24 Hours (at joint 2)

14:24:0016:48:0019:12:0021:36:0000:00:0002:24:0004:48:0007:12:0009:36:0012:00:0014:24:0016:48:0019:12:00

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