基于光纤传感网的高压输电塔线状态监测系统

徐云水，邬卓恒，梁仕斌，李英娜,4，昌 明

（1. 昭通供电局，云南 昭通 657000；2. 昆明理工大学信息与自动化学院，云南 昆明 650500；3. 云南电力试验研究院，云南 昆明 650217；4. 昆明理工光智检测科技有限公司，云南 昆明 650032；5. 昆明能讯科技有限责任公司，云南 昆明 650200）

基于光纤传感网的高压输电塔线状态监测系统

徐云水1，邬卓恒2，梁仕斌3，李英娜2,4，昌 明5

（1. 昭通供电局，云南 昭通 657000；2. 昆明理工大学信息与自动化学院，云南 昆明 650500；3. 云南电力试验研究院，云南 昆明 650217；4. 昆明理工光智检测科技有限公司，云南 昆明 650032；5. 昆明能讯科技有限责任公司，云南 昆明 650200）

电力系统是国民经济命脉，高压输电线路是电力系统的桥梁。实时监测高压输电线路的状态安全对国民经济至关重要。早期，使用人工巡查监测线路状态，之后使用无线传感设备监测线路状态。人工巡检效率低下且不能实时监测、无线传感设备易受高压线路电磁干扰。光线传感器以其抗干扰能力强、传速速度快等特点能够解决高压输电塔线监测的安全性和实时性问题。首先根据高压输电塔线需监测的物理量研制光纤传感器，其次架设光纤传感网络，然后设计开发高压输电线路监测软件平台，最后，根据西靖线的实际情况布设传感器、构建传感网络、部署监测平台得到实时监测数据。系统能实时接收传感器数据，监测高压输电线路状态

光纤传感器；高压输电塔线；状态监测；软件设计

0 引言

云南省地处高原，气候及自然环境非常复杂且地域差别较大，高压输电线路的安全稳定运行带来很多危害和隐患：云南省地震、构造变形等地质灾害多发，泥石流、山体滑坡、地基沉降等现象也频频出现，由于复杂地质条件限制，许多输电塔线建在地质不安全区域。提高高压输电设备的安全稳定性，增强电网抵御自然灾害的能力，实现对变电站及输变电设备的多方面、全方位监测，非常有必要引入新的监测手段。传统的输电线路运行状态监测主要依赖有源的电传感器件，单项状态量的监测需配置相应的电源、控制电路、通讯线路。传统的监测系统除了需要电源、受电磁干扰严重等缺点外，特别在地质监测方面有精度较低、不适合边坡内部监测造价昂贵等。

光纤传感器自20世纪70年代问世以来，得到了广泛的关注，特别是近几年，光纤传感器的工程应用研究迅速发展。2010年，谢强[1]等人为研究风荷载下覆冰导线动张力对输电塔结构的动力作用，利用 FBG应变传感器，通过覆冰特高压输电塔分裂导线藕联体系风洞试验测得了导线的动应变，发现规范对覆冰导线弦向张力荷载值的考虑略显不足，不平衡张力容易成为输电塔结构破坏的重要原因。2011年刘健夫等人[2]探讨了 Bragg光纤光栅（FBG）监测方法和布里渊光时域反射（BOTDR）技术监测方法，两种方法优点突出，具有广泛的发展前景。最后做了展望，指出光纤监测是未来地下工程监测领域的发展趋势。2013年，黄平平[3]等人通过 FBG 应变传感器测试铁塔 3 条料拉索的应变，计算出铁塔塔顶的摆幅，倾斜度误差约 1/24 000，能够满足铁塔安全报警的要求，可以代替人工定期测试的方法。2016年，黄新波[4]等人防止输电塔塔体倾斜、变形，甚至出现倒塔等事故，提出了一种采用光纤光栅传感器的铁塔应力监测方法，首先利用软件分析铁塔易故障点，使用光纤传感器在易故障点实时采集应力信息，利用监控中心的专家软件对铁塔应力进行整体分析，当铁塔外部载荷过大时提前预警。光纤传感技术应用于输电导线状态监测目前还处在初期研究阶段。本文研究基于光纤传感网的高压输电塔线状态监测系统，解决传统传感监测系统的弊端。

1 输电塔线光纤传感网

1.1 光纤传感器

基于光纤传感网的高压输电线路状态监测系统中，根据不同的监测对象及其易受损的机理，系统使用的传感器包括：结构检测光纤传感器、环境检测光纤传感器与高压环境中的光纤传感器。主要有光纤光栅应力应变传感器（三种），光纤光栅压力传感器（一种），光纤光栅震动传感器（一种），光纤光栅风速、风向传感器（各一种），光纤光栅温度传感器（四种），光纤光栅湿度传感器（两种），光纤分布式应变传感器（一种）等，共计14种不同类型传感器。同时，根据电力系统待监测对象参数的区别，各传感器使用不同的结构、性能参数以适应不同应用场合的需求。总的来说，一共使用的传感器有以下几种：自锁紧式应变传感器、大量程应变传感器、高灵敏度光纤光栅位移传感器、大量程光纤光栅位移传感器、角度传感器、土压力传感器、振动传感器、称重传感器、风速传感器、风向传感器、湿度传感器、高分子聚合物型光纤光栅湿度传感器、毛发型光纤光栅湿度传感器、环境温度传感器、导线温度传感器、耐高压击穿光纤温度传感器、测温光纤复合绝缘子传感器。

研制上述传感器并通过传感器测试得到光纤传感器放置在该物理场中，得到相应光纤解调仪对光纤传感器输出光信号解调信息，记录不同时间及物理场环境中传感器输出信号，并将该信号与标准传感器输出信号进行比较，为传感器综合性能指标的评价提供数据支撑。

1.2 光纤传感网的组建

监测网络由应变传感器、温度传感器、微风振动传感器、倾斜传感器导、线温度传感器等传感器组成，用于监测每一基塔上的状态信息。光纤传感技术[5]需借助于波分复用（WDM）技术、空分复用（SDM）等技术，实现分布式或准分布式光纤组网，以扩大传感测试范围。WDM[6]技术在光纤通信领域用来实现未来超大容量的全光通信的技术手段之一。由于光纤光栅的传感信号是波长编码的，利用波分复用技术可实现同一光纤上不同传感器的信息传输。通过光纤总线上各传感光纤光栅的波长信号来询址，每个波长信号携带不同测量点、不同参量(可以是同一测量点的信息)的信息，从而实现光纤光栅传感大容量询址的目的，如图1所示。

SDM[7]传感网络中，各光纤通路按照空间位置进行编码，SDM技术将光源发出的光信号通过选通光开关切换到所需要询址的光纤通路，因此该光纤通路上的光纤光栅受到被测场的调制，从而把被测场的信息反馈到波长解调设备，如图2所示。

图2 光纤光栅传感网空分复用技术图Fig.2 Space division multiplexing technique of fiber grating sensor network

为有效提高光纤传感网络效果，更大限度地增加传感器的布设，可结合上波分复用（WDM）技术、空分复用（SDM）。如图3所示为结合WDM、SDM技术的光纤光栅传感网[8,9]，利用该技术可同时对m×n只传感器的布设与解调。

图3 综合型的光纤光栅复用技术Fig.3 Integrated fiber grating multiplexing technology

传感器工作过程中波长串扰，同一光纤通道中传感器波长间距应保证在2.0~2.5以上（依传感器具体输出范围而定），每通道可串联光栅数量为 16~20只。

光线传感器组网中重要的一个步骤是光纤桥接技术，本系统中光技术在线路全工况无源在线监测系统，在没有接续盒上的杆塔上架设子网络需要考虑采用其他的接入方式[10,11]：在没有自然接续盒的杆塔上专门架设一段ADSS光缆，连接到附近有接续盒的杆塔上。假定OPGW的接续盒在29号耐张塔上，OPGW 的两芯从 29号塔接续盒中与外加的ADSS光纤连接，将ADSS另一端连接到30号塔上，如图所示。30号杆塔上光传感器组成的子网络通过ADSS接入OPGW光缆，监测主机放置在线路一端变电站的机房内。

图4 OPGW接续盒Fig.4 OPGW connector box

2 输电塔线状态监测系统

传统的输电线路在线监测是采用电信号的传感器进行测量，在强电磁环境下易受到信号干扰和丢失，无法实现参量的精准监测，而本系统利用光纤传感器克服了这些缺点，能实现输电线路各参量的精准测量。设计的监测软件的用户为输电线路安全负责人员，该系统能覆盖公里内所有的输电线路，系统用户界面操作简单、整洁、美观，对于不具备专业知识的用户也很容易上手操作。

2.1 系统技术架构

输电塔线状态监测系统依靠的技术平台共分为3部分如图 5所示：光纤光栅传感器组网、塔线状态监测系统、数据自动计算分析。其中，光纤传感网是高压输电监测系统的物理基础，是监测系统的数据来源；塔线状态监测是输电塔线监测系统的核心；数据分析与状态评测是监测系统进一步的拓展。

在线监测系统采用集中式的数据库系统设计：PostgreSQL存储基础数据和在线监测数据；影像数据和一部分静态的电子地图数据则采用 GeoDatabase方式存储在硬盘加快数据存储速度。

三维图形平台（B/S），是基于微软DotNet平台使用C#语言编写的ASP.NET Web应用程序，使用SkyLine作为 3D数据的展示与应用平台，使用OpenLayers来访问GeoServer提供的WMS平面地图服务。数据库系统采用的是 Postgresql数据库，使用 ADO.NET数据访问接口与数据库进行数据交互。B/S采用asp.net+jquery来编写界面，而用ado.net来实现数据库访问，另外用开源的地图访问脚本：openlayers来访问geoserver提供的WMS地图服务，实现对地图的操作与控制。

2.2 系统总体结构

输电塔线状态监测系统总体功能分为五个主要模块：监测界面、时序曲线、报表管理、报警管理、后台管理。如图6所示。

在线监测界面采用flash制作，主要显示各个监测区域实时监测的数据，点击flash界面上的任一监测区域可显示该区域当前的实时数据；时序曲线可以显示特定区域特定传感器的历史数据曲线；趋势分析是依据历史数据分析推算传感器的未来数据；报表管理包括日报表和月报表管理两个部分，数据库通过代理实现每小时和每天自动添加平均数据进入日报表和月报表。

图5 状态监测系统平台技术架构图Fig.5 State monitoring system platform technical architecture

图6 系统总体设计框图Fig.6 Overall design diagram of the system

报警管理包括报警记录和报警处理两个部分。其中，报警记录负责记录当前和历史报警状态。当有报警发生时，数据库会自动将报警记录添加到报警记录表中。实时界面显示报警的地点及警报灯；报警处理显示已处理的所有报警信息。该模块可实现报警信息查询，通过用户所选择的查询条件筛选出所需要的报警信息。后台管理包括用户管理、传感器参数管理、监测区域管理、测点配置管理和监测数据管理五个功能。

2.3 结构功能

第一、在线监测，在线监测界面采用flash制作，主要显示各个监测区域实时监测的数据，点击flash界面上的任一监测区域可显示该区域当前的实时数据；除此之外，在监测数据发生报警时，还会在相应报警位置闪烁报警灯。在线监测模块是高压输电线路的核心模块，此模块一共可分成9个功能子模块如图7所示，数据接收、三维杆塔展示、光纤复合绝缘子监测、导线温度监测、导线微风振动监测、导线覆冰监测、微气象监测、杆塔倾斜检测，数据维护。

图7 在线监测模块Fig.7 Online monitoring module

第二、时序曲线，时序曲线包括时序曲线和趋势分析两个部分。时序曲线可以显示特定区域特定传感器的历史数据曲线；趋势分析采用算法，依据历史数据分析推算传感器的未来数据。

第三、报表管理，报表管理包括日报表和月报表管理两个部分，数据库通过代理实现每小时和每天自动添加平均数据进入日报表和月报表。报表管理模块可以查看不同日期的日报表和月报表情况。

第四、报警管理，报警设置包括报警记录和报警处理两个个部分。报警记录模块记录当前和历史报警状态。当系统有报警发生时，数据库会自动将报警记录添加到报警记录表中。实时界面显示报警的地点及警报灯。报警处理模块显示已处理的所有报警信息。该模块可实现报警信息查询，通过用户所选择的查询条件筛选出所需要的报警信息。

第五、后台管理，后台管理包括用户管理、传感器参数管理、监测区域管理、测点配置管理和监测数据管理五个功能。

（a）用户管理：用户登录是用户与系统的接口，用户必须先登录系统并经系统验证无误后，方能获得相应的权限以进入系统进行操作。系统登录同时也承担着系统的安全防范任务，系统登录可以完成对用户信息的校验，对于不正确的用户信息进行鉴别并拒绝其进入系统；对正确的用户信息进行进一步的处理，获取用户在该系统中的权限信息，并进行用户状态登记，引导用户进入相应的操作界面。修改用户：高级别用户可通过该模块来增加、删除、修改比其级别低的用户信息，从而确定低级别用户的权限，方便人员的管理。退出系统：点击退出系统，整个程序将关闭。（b）传感器参数管理：用户可以在此界面管理所有传感器的参数。（c）监测区域管理：监测区域管理界面可以查看、修改、删除监测区域的监测编号、名称、监测传感器数量、通信方式等。（d）测点配置管理：测点配置管理界面可以查看、修改、删除相应监测区域的传感器编号、测量阀值上下限、报警开关、设备状态等信息。（e）监测数据管理：监测数据管理界面可以根据测点区域、监测时间等信息查看传感器的历史监测数据。

第六、退出系统退出系统功能可使整个程序将关闭。系统提供的后台管理功能，是保证整个系统正常运行的关键。传感器管理提供各监测传感器的物理参数；区域管理划分整个监测区域；测点配置将监测区域内的测点与传感器一一对应起来；传感器映射将系统采集的波长对应到各传感器；数据库管理为数据安全提供保证。

3 系统实施及应用

3.1 传感器的安装

以西靖线 30#塔线背景，将基于光纤传感网的高压输电塔线状态监测系统实际运用于的山地塔线的地质监测与状态监测。

首先对西靖线 30#塔的地理环境特性和杆塔结构、边坡进行有限元分析获得应力集中点和状态易破坏点，针对有限元分析数据，安装不同的光纤传感器，例如图8所示的微风振动传感器、风速传感器、铁塔倾角传感器、称重传感器。安装完成传感器后组建光纤传感网，安装监测系统软件。

图8 传感器安装Fig.8 Sensor installation diagram

3.2 塔线状态监测

进入高压输电塔线监测得左侧显示各个监测得功能点，进入全光网分布图图后的主界面后就会展示二维GIS展示界面是监测区分布图、监测点分布图，在GIS图像二维展示的模型显示监测点的具体地里位置，点开具体位置后显示该铁塔的监测的具体的监测属性包括导线温度、绝缘子风偏监测、导线微风振动监测、覆冰监测、杆塔倾斜监测、微气象监测、光纤复合绝缘子监测。在三维图中能具体至少铁塔的传感器的具体位置，如图9、10所示。

点击主监测界面上的导线温度监测，显示导线的温度。监测画面如下图11所示。

在微环境的监测可以监测风速、风向、环境温度、环境湿度等问题，监测数据显示画面如下图12所示。

4 结束语

本文结合云南省高压输电塔线发展现状和云南省地理环境因素，针对传统输电线路监测存在的技术难题，提出基于光纤传感网的高压输电塔线状态监测系统。针对现存塔线监测现存问题，研制光纤传感器，建立光纤传感器网，开发监测系统实时监测高压输电塔线状态，保证塔线安全并在西靖线30#塔线附近的电网进行实施。高压输电线路监测还处于初步阶段，特别是在高海拔地区输电塔线还处于起步阶段。随着我国电网智能化的发展，光纤光栅因其抗干扰能力强、传输速度快的特点在电网智能化上得到广泛应用。

图9 高压输电塔线状态监测主界面Fig.9 High voltage transmission line condition monitoring main interface

图10 高压输电塔线状态监测三维图Fig.10 Three dimensional diagram of state monitoring of high voltage transmission tower

图11 导线称重监测数据Fig.11 Monitoring data of conductor weight

图12 环境温度监测的数据Fig.12 Data for environmental temperature monitoring

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State Monitoring System of High Voltage Transmission Tower Line Based on Optical Fiber Sensing Network

XU Yun-shui1, WU Zhuo-heng2, LIANG Shi-bin3, LI Ying-na2,4, CHANG Ming5
(1. Zhaotong Power Supply Bureau, Zhaotong, 657000, China; 2. Faculty of Information and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650500, China; 3. Yunnan Electric Power Research Institute, Kunming 650217, China; 4. Kunming engineering light Testing Technology Co., Ltd., Kunming, 650032, China; 5. Kunming NengXun of Information Technology Co., Ltd, Kunming, 650200 China)

The power system is the lifeline of the national economy, high-voltage transmission line is the bridge of the power system. The real-time monitoring of the state security of high voltage transmission lines is crucial to the national economy. In the early days, manual patrol was used to monitor the status of the line, and then wireless sensors were used to monitor the status of the line. Manual inspection is inefficient and can not be monitored in real time, and wireless sensing equipment is susceptible to electromagnetic interference of high-voltage lines. Because of its strong anti-interference ability and fast transmission speed, the light sensor can solve the security and real-time problems of high voltage transmission line monitoring. According to the physical quantity of high voltage transmission tower line monitoring the development of optical fiber sensor, the optical fiber sensor network design and construction, the development of monitoring software platform, high voltage transmission line finally, according to the actual situation, Xi Jing line sensor layout construction of sensor network deployment, monitoring platform,real-time monitoring data. The system can receive sensor data in real time and monitor the status of high voltage transmission line.

Optical fiber sensors; High voltage transmission tower line; Condition monitoring; Software design

TP212

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.005

本文著录格式：徐云水，邬卓恒，梁仕斌，等. 基于光纤传感网的高压输电塔线状态监测系统[J]. 软件，2017，38（11）：29-35

国家自然基金资助项目(51567013); 国家自然基金资助项目(51567011)

徐云水(1972-)，男，昭通供电局副总工程师、高级工程师，主要从事昭通电网发电、输电、变电、配电的生产运行、检修试验及大修技改等生产管理等方面的工作；邬卓恒(1993-)，男，硕士研究生，主要从事电力大数据分析、塔线状态监测研究、数据安全方面的研究工作；梁仕斌(1974-)，男，云南电力试验研究院(集团)有限公司技术开发中心主任、教授级高级工程师，主要从事电力系统电磁测量及仪表研究工作；昌明(1985-)，男，工程师，主要从事电力系统输变电状态监测信息化工作。

李英娜(1974-)，女，硕士，副教授，主要从事传感网组建与信息集成和智能分析研究工作。