物联网感知-高压直流长距离供电在线实时监测（光纤传感技术）

一、系统架构设计

        在某些物联网场景其基础资源上提供了市电接入，为远方供电点实现远程供电时，通过在供电线路接入点配置局端设备（高压直流升压装置），将市电的AC(如220V)供电电源转换为DC（如800V以上）直流电源，在每个用电点安装远端机（直流供电模块），该设备将高压直流电转换为DC（如48V）直流电源，为负载设备供电。供电点及各个用电点之间采用电缆连接，可以采用管埋或架空线方式布设。

         本解决方案供电部分主要由局端机、远端机和传输电缆三部分组成。而监测部分主要实现对局端机、远端机的设备监测和传输电缆安全监测：

• 对局端设备、远端机设备进行配用电情况实时监测；
• 对传输电缆采用单模光纤伴随沿线铺设，光纤纤芯接入光纤监测主机，通过光纤振动监测（测振及测温）实现对传输电缆线路、异常、被破坏等情况实时监测；
• 所有监测数据实时传输至后台监控系统，监控系统对采集数据进行实时分析，给出预警、告警信息。

二、供电计算及设备选型设计

        2.1 局端设备：

        1.远距离供电负载计算：

        按照总供电距离a米,每b米一个供电负载，负载要求≤c瓦，则总供电负载d约为：

d≈（a/b) *c*1.2(可靠系数)

        2.依据总供电负载，来确定远程供电电压及供电功率，进而明确局端设备选型：

        供电负载为有功功率（KW），变压器中的容量为视在功率（KVA），它的大小和功率因数有关！有功功率P、无功功率Q、视在功率S有如下关系：

P=S×cosΦ（cosΦ是功率因数），Q=S×SinΦ

        假设供电距离10km，每60m一个供电点，供电负载要求100W，则总供电负载（10000/60) *100W*1.2(可靠系数)≈20kW。则可以选型DC800V，视在功率30KVA，功率因数0.95（cosΦ）的局端设备实现远程供电，满足供电线需求。

        注：有功功率和无功功率。有功功率（p)是指保持设备运转所需要的电功率，也就是将电能转化为其它形式的能量（机械能，光能，热能等）的电功率度； 而无功功率（Q）是指电气设备中电感、电容等元件工作时建立磁场所需的电功率。 无功功率比较抽象，它主要用于电气设备内电场与磁场的能量交换，在电气设备（电路系统）中建立和维护磁场的功率。

        3.远程供电设备（局端）选型： DC800V及供电功率30kVA。

        4.功能特点设计

• 采用PWM精细电压调节技术；
• 具有过流、过压保护功能；
• 模块化热插拔结构；
• 零切换自动旁路系统；
• 软件和硬件均采用抗干扰设计，提高抗干扰能力；
• 提供设备自诊断功能，方便设备的维护；
• LCD显示电流、电压；
• 上电自动投入功能，来电无须重新启动；
• 设有和通讯接口，方便与计算机控制系统连接；
• 内置智能配电仪表，实现对设备运行状态的实时监测。

       2.2 远程供电设备（站端）：

        选型：0.5K 供电功率0.5kVA。

        1.输入规格设计

         2.输出规格设计

        3.环境条件要求设计

        4.功能特点设计

• 具有过流、过压保护功能；
• 模块化热插拔结构；
• 零切换自动旁路系统；
• 软件和硬件均采用抗干扰设计，提高抗干扰能力；
• 上电自动投入功能，来电无须重新启动；
• 带有上电过零启动功能；
• 带有时序控制功能。
• LCD显示电流、电压；
• 设有和通讯接口，方便与计算机控制系统连接；
• 线路全部进行防潮处理，适于潮湿地区使用；
• 内置智能配电仪表，实现对设备运行状态的实时监测。

        2.3 供电电缆选择：

•         按照YJV-16MM2电缆计算
  •         压降计算： 16mm2电缆，10000m阻值为 0.0172*10000/16  =10.75 Ω
    •         额定电流为20kW /800V =25A
      •         则压降约为 10.75 *25≈270V  
        •         则800V直流电缆供电负载末端电压约为530V
          •         该电压满足远程供电设备（站端）输入电压需求。

• 三、高压直流供电综合运维管理设计

         高压直流供电综合运维管理系统包含两个方面，一方面是针对高压直流线缆实时监测，另一方面是 针对局端、远端主设备及空开、断路器等配套设备，进行数字式点位监测，即常用的电力运维调度管理系统。将电力行业常用的电力运维调度管理系统作为主监控系统，而将高压直流线缆综合监测作为子系统，将其监测数据实时接入到电力运维调度管理系统，从而形成高压直流供电综合运维管理系统，实现对高压直流供电全过程在线实时监测。

        3.1高压直流供电线缆实时监测

        1.线缆综合在线监测系统组成

        分布式光纤测应变及测温系统由计算机后台监控系统、监测主机及光纤组成。监测主机利用光纤布里渊散射效应（Brillouin  scattering）和光时域反射测量技术（OTDR），根据光在光纤中的传输速率和背向散射光的回波时间，其中光纤布里渊散射效应（Brillouin   scattering）用于实现温度测量，光时域反射测量技术（OTDR）用于实现对温度点进行定位及管控。

        整个监测系统分为主机和传感器两个部分，主机为有源设备需要供电，布置于用户的监测中心或设备机房；传感器为无源的光纤，通常最大传感距离能支持到几公里到几十公里，通过粘贴、绑扎、开槽或固化等方法固定到待监测的结构表面或内部。系统通过光纤的温度和应变变化，来反映得到监测环境的温度变化和结构的变形。

        可以附加光纤振动探测系统，一种实时监测光纤沿线振动信息的空间连续分布式系统，用于防止高压线缆被蓄意破坏。在入侵者对光纤的瞬时压力或者临近地面的扰动产生时，依据相位敏感的光时域反射技术（φ-OTDR），获取振动信息，实现振动监测。

        线缆综合在线监测系统综合使用了光纤应变及温度监测系统和分布式光纤测振系统，将两者安装于同一机柜中，并可同时接入上位服务机进行线缆状态的综合监测，结合软件显示、声光、短信等报警手段，为线缆安全提供可靠保障。其由  光纤振动监测系统、 分布式光纤应变、温度监测系统、信号传输单元、信号处理单元组成，其中信号传输单元即为已铺设通讯光纤的一芯，无需重新施工。

        注：未来分布式光纤传感技术发展预估应该是分布式光纤测温、测振、测应变一体化、小型化、芯片化，即一台光纤主机实现测温、测应变、测振动于一体，并性价比更好的国产化、小型化设备。

        2.系统软件

        配备可视化监控软件系统，可以做到现场实时监控。软件系统应用结构采用 C/S 模式——客户端、服务器、数据库三层结构，实现客户端与服务器的直接相连。客户操作界面设计个性化，具有直观、简单、方便的特点，可以满足客户个性化的操作要求，同时本系统的开发是具有针对性的，因此操作界面可以充分满足客户个性化的要求。

        软件主要功能：

• 实时显示各条线缆各处振动情况和温度值，并将每隔固定时间的相关信息记录，可随时调档进行查阅或打印
• 可自设定预警和报警参数
• 各区域振动情况和温度的变化，可通过显示颜色进行区分。
• 查询多点的历史记录，支持数据回放功能：可随时调用、分析历史数据，进行最大值筛选及疲劳分析，并同时显示图形曲线及实测数值
• 软件预先设计有预留模块，以备以后扩充使用
• 可根据振动模式以及温度的升高速率进行报警，并可设定报警速率值。
• 系统自检：可对系统内的信号处理器、传输光缆、感温探测器的运行状况进行实时自检，如故障及时报警，巡检周期为 0.2s；
• 报警记录查询：可记录系统终生所有的报警记录，并可查询、可导出、可打印；
• 历史数据查询：可记录不少于 1 年的历史数据，并可查询、可导出、可打印；
• 系统管理功能：可对系统进行用户管理、数据管理、权限管理等。

        3.技术特征

• 采用分布式光纤感温设备感知线缆温度和位置信息进行信号检测、信号传输，实现无电检测，本质安全防爆；
• 采用分布式光纤振动传感设备感知线缆振动形变和位置信息，通过模式判别探测侵害事件
• 使用先进的分布式光纤感温作为测量单元，技术先进，测量精度高；
• 分布式感温光缆长期工作温度范围达-40℃到 150℃，最高可达 200℃，应用范围广；
• 采用探测器单回路测量方式，安装简单，成本低；可留冗余备用芯； 6 实时显示各个分区的温度和振动干扰情况，并能显示历史数据和变化曲线、平均温度变化、干扰事件曲线；
• 系统结构紧凑，安装简单，维护方便；
• 通过软件，可以根据实际情况设定不同的预警值、报警值；报警方式多样化，有振动幅值报警、干扰模式报警、定温报警、温升速率报警、温差报警。
• 通过软件，可以进行数据查询：逐点查询、报警纪录查询、按区间查询、历史数据查询，计报表打印。

   3.2 配电监测

        在局端及远端点选型环网串口交换机作为局端设备、远端设备或其他监测设备的异构组网设备，实现末端设备接入监控后台。监测系统涵盖全景及区域监控、电能质量评估、实时告警、运维抢修、资产管理、数据分析、能源监测及辅助分析等功能，帮助客户建立多维预警体系，规范运维流程，实现少人及无人值守，大幅提高安全运行保障，降低人力成本，提高综合效益。

（1）数据采集与处理

        1）数据采集

•         模拟量采集：对所有局端、远端的变压器、无功补偿器、线路、母线等主要设备的电压、电流、有功、无功，谐波、主变压器温度，直流电压，馈出线频率、相位、功率因数等进行采集。
•         状态量采集：接入开关、刀闸、变压器分接头等位置信息；小电流接地选线动作信号、同期检测的位置状态、直流系统故障信号、设备运行告警信号。
•         环境量采集：接入开关柜及电缆无源无线测温；环境温度、湿度、水浸等信息。
•         安全消消防采集：烟雾、温感、明火等消防信息。
•         电能量采集：接入脉冲、数字电能量数据，取代人工抄表。
•         监视：对所采集的电压、电流、主变压器温度等进行判断，若有越限，发出告警信号；监视开关、刀闸、变压器分接头等位置信息；接入显示SOE信息、保护信号、防盗信号、火灾报警信号等。能够输出中央告警信号。
•         记录：自动记录SOE事件、模拟量数据值、模拟量越限信息、状态量变化、继电保护动作信息、故障数据、运行操作信息（包括操作人、操作对象、操作时间、操作结果）等。

        2）数据处理

        数据源选择、自动计算周期等，按日、月、季、年或自定义时间段统计。

•         a）统计指定量的最大值、最小值、平均值和累计值，统计时段包括年、月、日、时等。
•         b）多位置信号、状态信号的逻辑计算；
•         c）变位、遥控、遥调等操作次数统计；
•         d）遥控正确率和遥调响应正确率统计；
•         e）电压电流越限、功率因数和电能质量合格率统计分析；
•         f）支持计算量公式定义和运算处理。

        3）数据质量检查

        包括合理性检查及越限告警，包括但不限于：

•         a）数据完整性检查：自动过滤坏数据、自动设置数据质量标签；
•         b）设定限值：支持不同时段使用不同限值；
•         c）告警：告警定义、告警动作、告警分流、画面调用和告警信息存储等。

        4）数据存储

        应具备对采集数据信息进行存储的功能，包括但不限于：

•         a）分类存储、管理原始数据和应用数据；
•         b）存储事件顺序记录和操作记录。

（2）分析统计

        分析统计功能包括配电柜有功、无功功率的最大、最小值及发生时间；母线电压最大值、最小值及合格率统计；功率总加、功率因数、负荷率计算等。

（3）防误闭锁

        1）集控中心应支持多种类型自动防误闭锁功能，包括基于预定义规则的常规防误闭锁和基于拓扑分析的防误闭锁功能。

        2）所有操作指令应经过防误验证，当出错时应告警并闭锁指令执行。

（4）操作与控制

       1） 操作和控制应能实现人工置数、标识牌操作、闭锁和解锁操作、远方控制与调节功能，应有相应的权限控制。

        1）人工置数

        a）人工置数的数据类型包括状态量、模拟量、计算量；

        b）人工置数的数据应进行有效性检查。

        2）标识牌操作

        a）应提供自定义标识牌功能，常用的标识牌应包括：

•         禁止操作——禁止对具有该标识牌的设备进行操作；
•         保持分闸/保持合闸——禁止对具有该标识牌的设备进行合闸/分闸操作；
•         警告——某些警告信息应提供给调度员，提醒调度员在对具有该标识牌的设备执行控制操作时能够注意某些特殊的问题；
•         接地——对于不具备接地刀闸的点挂接地线时，可在该点设置“接地”标识牌，系统在进行操作时将检查该标识牌；
•         检修——处于“检修”标志下的设备，可进行试验操作，但不向调度员工作站报警。
•         试验
•         缺陷

        b）应能通过人机界面对一个对象设置标识牌或清除标识牌，在执行远方控制操作前应先检查对象　的标识牌；

        c）单个设备应能设置多个标识牌；

        d）所有的标识牌操作应进行存档记录，包括时间、厂站、线路、设备名、标识牌类型、操作员身份和注释等内容。

        3）闭锁和解锁操作

        a）应提供闭锁功能用于禁止对所选对象进行特定的处理，包括闭锁数据采集、告警处理和远方操作等；

        b）闭锁功能和解锁功能应成对提供；

        c）所有的闭锁和解锁操作应进行存档记录。

        4）远方控制与调节

        a）控制与调节类型；

        控制与调节类型应包括：

• 开关的分合；
• 投/切远方控制装置（就地或远方模式）；
• 成组控制：可预定义控制序列，实际控制时可按预定义顺序执行或由调度员逐步执行，控制过程中每一步的校验、控制流程、操作记录等与单点控制采用同样的处理方式；
• 空调控制：远程控制空调与温度进行联动；
• 新风控制：实现对主、副风机的智能控制；
• 灯光控制：实现灯光远程控制和联动控制。

        b）控制种类；

• 单设备控制：常规的控制方式，针对单个设备进行控制；
• 序列控制：应提供界面供操作员预先定义控制条件及控制对象，可将一些典型的序列控制存储在数据库中供操作员快速执行。

        c）操作方式；

• 支持单席操作/双席操作；
• 支持普通操作/快捷操作。

        d）控制流程；

        对开关设备实施控制操作一般应按三步进行：选点－返校－执行，只有当返校正确时，才能进行“执行”操作。

（5）时钟对时

        支持以RS232、现场总线、以太网通信方式。

（6）通信

        内部通信方式可采用载波通信、双绞线通信、光纤通信和无线通信，通信协议宜支持到Modbus、MQTT物联网通信协议和104等电力规约协议。