电缆安全监测系统

负责人

分  类

攻关

开  发

试  制

消化吸收

基础研究

研  究

人  数

项目内容

、

意义和预期成果摘要

采用一种先进的分布式光纤测温技术（DTS），来实时检测电缆表面温度数据。在获得电缆表面温度的基础上，利用内置的动态载流量算法和负荷管理算法，得到电缆导体的温度和动态载流量，以此作为进行电缆安全监测和负荷管理的有效手段。

[项目意义]

由于受城市规划和投资的约束，常见的设计是在电缆隧道或沟道内敷设若干回路。而这种设计在获得良好的可维护性的同时，具有明显的脆弱性，一旦某根电缆故障恶化引发明火，可能迅速殃及周围电缆和建筑结构，导致该管道内所有线路瘫痪。地下超高压XLPE电缆工程造价昂贵，通常在每千米数千万元，火灾可造成重大直接财产损失，并且修复周期长。而且城市地下环境比较复杂，不能排除电缆火灾对其他市政管线、共同沟、地铁、包括地面设施和人员安全的威胁。另外，公众和企业对共用设施的服务水平的要求迅速提升，不仅因为断电可能给企业造成巨额经济损失，还因为现代社会文明要求公共设施管理部门给予更高的服务承诺。所有这些都促使电力部门尽最大可能地保证电网运行的可靠性。

[预期成果]

1.实时对运行电缆的火灾进行预警/报警

2.实时对运行电缆的过热点进行动态跟踪

3.实时对运行电缆导体的温度进行监测

4.具有负荷水平管理能力

5.GIS界面显示全区域电缆对象

6.设计无人值守工作模式

7.多级报警预警机制

8.设计3年以上运行电缆历史数据容量

9.内置电力常用规约，实现与电力行业现有系统无缝交互

本研究项目的科技依据（包括科技意义和应用前景，国内外研究概况、水平和发展趋势；应用理论基础研究项目应阐述学术思想，立论根据，特色或创新之处，主要参考文献目录及出处；推广项目说明成果成熟程度，适用范围，以及成果的知识产权等问题）

[项目背景]

近两年，由于我国经济持续高速发展，造成电力供应十分紧张，引发新一轮电力投资建设高潮。随着电源及电网规模迅速扩大，电力运营的安全性问题日益突出，对于电力系统技术管理和负载评定的要求也越来越高。由于电网改造、扩建项目较多，管理手段相对落后，而电力系统特别是从事电缆运行安全的部门普遍人手短缺，使得对电网运行安全的管理出现诸多问题。如对电缆的运行情况监控不及时，事故响应不灵敏，检修不方便等。

目前国际上普遍采用基于分布式测温技术的电力电缆在线监测系统，主要通过光纤全程测量电缆温度，以探测潜在的和正在发生的异常点，并且与火灾报警系统相配合来监测运行中的电缆。在日本、欧洲及韩国的电力公司，对于超过110KV的超高压电缆均要求使用分布式测温设备。

目前国内还处于起步阶段，但近年来，随着对电缆输送负荷需求的持续增加，再加建设、改造工期过分紧张也造成了事故隐患，电缆发生击穿和火灾的情况不断发生。尤其近年4月份长春电力局由于没有及时安装监测和火警预警系统，发生了严重火灾，造成的直接损失上亿元。这次事故给全国的电力系统敲响了警钟。目前重庆、北京等电力公司纷纷更新电缆系统规范，要求DTS监测设备作为电缆的配套产品参与投标。无锡、上海等用电负荷大的电力公司也积极组织技术研讨，并进行技术合作开发相应的电缆安全监控系统。

另外由于目前国际国内可以提供的分布式测温设备，只能提供电缆表面温度，并不能明确，快速的转化成有效的信息，难以满足电力行业安全要求高、使用方便的需要;因此迫切需要开发高效耐用、操作简便，安全系数高的电力监测系统，为电力行业特别是电缆管理相关部分的生产、运行、检修服务。但是将监测到的电缆表面温度进行分析并转化成电力行业用户有用的信息，涉及到很高的专业性、系统性和复杂性，使得配套研发软件难度很高。目前国际上拥有配套软件的公司寥寥无几，界面为全英文界面且价格不菲，无法在国内应用。

 [应用前景]

在电力行业中，电缆输送能力的约束条件是线芯（导体）温度不允许超过90℃，而分布式测温技术只能测量到电缆的表面温度，因此需要专业模型推导出内部温度，即电缆导体温度。此项功能在用电高峰时，可以给出短期电网优化调度所必需的安全指导信息。本项目正是基于这一技术和市场发展趋势而产生的。

另外伴随着信息系统、集成技术的快速发展，电力电缆管理部门需要一整套完善的解决方案。该方案主要由以下四个部分组成：一是实时分析电缆表面温度的分布式数据，发现潜在的异常点，实现故障早期预警；二是动态地计算电缆导体温度及许用电流；三是具有无人值守工作能力；四是支持多种电力规约，以便于与现有系统交互。

本项目能有效地对电缆温度和负载状况进行监测，并在监测电缆表面温度的基础上实时推导出电缆导体的工作温度，动态评估电缆短时间过负荷能力，对于保障电缆的安全使用和电缆传输能力的优化利用具有十分重要的意义。

本项目主要应用于电力输送行业中的电力输电部门（国家电网公司、各市电力公司等），项目中所采用的技术处于国内领先，国际先进的水平。

本项目一旦建成投运，对目前电力电缆的安全运行将具有重要的作用和影响，运行人员可在主站内对电缆线路进行全线实时监控，及时处理早期故障点，避免事故的发生。

[国内外研究概况]

目前常用的电缆温度监测方法有：

1.感温电缆式测温系统：将感温电缆与电缆平行安放，当电缆温度超过固定温度值时，感测电缆被短路。系统仅能一次性使用，不能测出电缆的实际温度值；由于电缆数量多，系统安装及维护工作不够方便，设备易损坏；不能进行早期故障预测，不能实时显示测量值，无温度趋势分析。

2.热敏电阻式测温系统：可以显示温度值，但由于每个热敏电阻都需要的接线、布线复杂且热敏电阻易损坏、维护量大；传感器不具备自检功能，需要经常校验。

3.分布式光纤测温系统（DTS）：对电缆温度进行在线检测，可实时检测到电缆温度的变化，对于超出阀值的电缆异常点或者段进行及时报警，并给出精确报警位置。

上述三类方法中，由于分布式光纤测温系统中的检测光纤不带电、抗射频和电磁干优，防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射，能在有害环境中安全运行等特点，是“本征安全”型传感器。

分布式光纤测温系统在20 世纪80 年代中期出现，十多年来，技术日趋成熟，国内外研制了产品并开始应用于煤矿、隧道的温度报警、火灾防治；油库、油轮、危险品仓库、冷库、大型货轮、军火库等温度报警；各种大、中型变压器、发电机组的温度分布测量，热保护和故障诊断；地下和架空高压电力电缆的在线检测与监控；火力发电厂的配管温度、供热系统的管道、输道的热点检测；化工原料、照相材料及油料生产过程在线动态检测；高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测；航空、航天飞行器的在线动态检测，已成为光纤传感技术和检测技术的发展趋势，因其独有的特点已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与技术。

目前DTS已经在欧美等多国得到了成熟应用，DTS技术在我国的应用，是在近几年才刚刚开始起步，应用的功能也局限于火警和温度异常报警。而电力电缆专业用户所需要的电缆温度监测系统，还不够完整和成熟。

由于电缆的能力约束条件是线芯（导体）温度不允许超过90℃，而DTS只能测量到电缆表面的温度，因此需要专业模型推导出内部温度，这项功能特别适合于负荷调度决策，适用于夏季高峰期间的安全营运。本项目正是基于这一技术和市场发展趋势而产生的。

另外，基于IEC60287和IEC853-2应用软件开发需要建立涉及多专业复杂的数学模型，技术难度较高仅有少数公司部分地开发了有关的技术。目前的一些国外厂商的系统，可以计算当前线芯温度和电缆四十八小时内的动态许用电流；但是它们没有功能完善的异常点发现机制，其动态电缆载流量模型不完善；无法更长时间跨度上计算或进行模拟，另外技术宿主软件级别较低（现场级），通用性和可扩充性不佳，通常要为不同的项目重写数量不少代码和进行复杂的整定，不能有效地商业化。

[项目内容]

本项目---电缆安全监测系统（简称：CSM）利用分布式光纤温度测量技术，沿被测电缆表面安装探测光缆，可以实时得到电缆的运行温度，不但能及时做出电缆的火警和高温预警，更可通过独特的CSM上位系统实现电缆载流量的动态计算与分析、异常点的预测与判断等功能，所以不但能对近期的电缆运行情况进行管理；并能对远期的情况做出预测与判断，从而帮助电力行业用户对电缆的运行状态进行监测及优化调整，以避免可能出现的险情。

本项目首先对分布式光纤测温系统DTS进行系统选型，然后基于该系统，对使用DTS系统的电力用户进行需求调研，开发出界面友善的电力专业应用软件产品，并进行组态化编程，可实现对用户需求的快速定制。该软件产品能实现电缆载流量的动态计算和分析，从而进行安全监测。

本项目主要由下列模块组成：

1.电缆表面温度模块：主要由感温光缆和分布式测温主机（DTS）组成，来实时测温电缆的表面温度。

2.输入输出模块：主要由传感器和采集卡组成，来实时测量现场单元信息，如电缆的载流量等。

3.动态载流量块：通过内置的IEC60287优化算法，对电缆导体温度进行计算和分析。

4.负荷管理模块：对当前电缆运行水平和历史数据进行评估，给出未来若干时间段内可使用的负荷水平参考值。

5.报警管理模块：内置多级多层次扫描算法，对电缆的潜在和显式安全隐患，进行预警和报警操作。

6.电力规约模块：内置电力行业多种规约，如CDT，可以方便读取其它电力系统发送过来的数据，以及发送系统运行指标参数至其它电力信息系统。

7.运行态模块：系统内置两种工作模式：无人值守模式和有人值守工作模式，为系统布署提供更多的灵活性。

8.组态器模块：以组态方式制作用户界面，可快速实现用户需求的定制。

9.GIS模块:再现电缆走向,并提供全面的电缆二维数据信息。

 [技术关键]

1．电缆热动力学建模

    根据不同的电缆结构、电缆敷设方式和设计参数，进行运行电缆的建模，以提高运行电缆导体温度计算的精度。

2．电缆的表面温度数据挖掘

使用分布式测温主机（DTS）在得到大量电缆表面温度数据的同时，进行数据的深度挖掘，以发现运行电缆潜在的异常点和对运行电缆的瓶颈点进行跟踪监测。

3．负荷水平管理机制

在对电缆结构和敷设方式进行热动力学建模的基础上，计算出给定的持续时间段内，可通过的最大电流。

4．组态化编程设计

组态化编程思想，类似于搭积木原理，最主要实现程序的模块化，并且易于测试，便于用户需求定制及利于系统升级维护。

5．多种工作模式机制

在常规有人值守工作模式的基础上，采用中国移动通信提供的无线平台，增设无人值守工作模式，以适应电力行业无人值守工作方式的需求。

6．GIS信息系统在电缆安全监测系统的应用

为运行电缆的走向进行GIS制作，以在上位机系统上真实再现电缆监测对象，便于用户进行监测及应急处理。

7．分布式组网技术

内置分布式架构，支持系统在线扩容及整合功能，可以实现对市电力公司所有超高压运行电缆的在线监测。

[技术经济指标]

1．   监测范围              ：>=240km

2．   电缆空间分辨率        ：>=±0.5m

3．   电缆表面温度分辨率    ：<±0.1℃

4．   电缆表面温度精度      ：<=±0.5℃

5．   电缆导体温度分辨率    ：<±0.1℃

6．   电缆导体温度精度      ：<=±2.0℃

7．   单相电缆单方向测量距离：<=30km

8．   许用电流裕量          ：<=96小时（未来）

9．   上位机系统响应时间    ：<400毫秒

10．电缆动态瓶颈点跟踪数  ：>=24个

11．报警级数              ：>=3

12．单相电缆可分区数      ：<=128个

13．历史数据保存时间      ：>=3年

三、拟采取的研究方法和技术路线

[研究方法]

    采取电缆热力学建模、模型仿真、软件研发和现场验证等综合研究方法

[技术路线]

通过理论分析和模拟计算得到电缆热动力学传导的模型，并对模型的正确性、有效性和收敛性等进行验证。

在验证通过的基础上，对电缆热动力学模型进行软件建模，设计软件模型对外的公共接口，并对软件模块的正确性进行现场验证等测试。

同时开发电力电缆安全监测系统的其它模块，在完成模块测试的基础上进行系统联合调试。

将电缆热动力软件模型加入系统中，并至现场进行试运行，对各种指标、参数、系统运行日志进行全面的考核，使之达到规定的范围之内；同时优化系统运行界面使之更符合用户操作逻辑。

姓  名

龄

职  务

职  称

专  业

中分工

系统架构师

                      单位（公章）   年    月    日

                      单位（公章）   年    月    日 

单位领导（签字）        　　　单位（公章）             年   月    日