基于Sentinel-DTS的电缆安全监控系统

基于SentinelDTS的电缆平安监控系统SentinelDTSBasedCableSafetyMonitoringSystem(CSM)定义调度运行系统保证电网平安稳定运行的调度自动化系统，实时检测，分析和交换电网频率、电压、负荷、联络线功率控制质量等数据，实现对电网调节设备的自控/遥控功能。历史上，其曾经使用过电力平安监控系统或类似名称。电网调节设备断路器，变压器可调接头，电力电容，电抗器等可切换负荷，调节电网电气特性的电力设备；平安在调度运行系统中，平安主要指与防止电网失稳瓦解，崩溃的相关的事宜；在本方案中，平安指对电缆和周围设施/人员的保障，即与防止电缆的由于内部故障、过载、或受外力导致重大财产损失或引发灾难而相关的事宜。电缆主要指在城市地下敷设高压/超高压的XLPE电缆和附件，通常敷设在混凝土结构中，是本工程主要的工作对象；广义上包括高压/超高压架空线；环境指电缆的敷设环境，包括人工环境如电缆隧道、井、沟等，和自然环境如土壤，大气，日照等；环境调节设备在人工环境中的可以调节环境状态的设备，如通风、排水等，广义上也可包括照明，防火设备，安保等，也可以称之为环境控制设备；基于DTS电缆平安监控系统〔CSM〕为保障电缆平安而设计的一套独立于现有的调度运行系统的自控系统；主要负责采集电缆运行和环境参数，对环境调节设备实现自动控制。在保障电缆平安的前提下，有效利用电缆的输电能力。系统采用了一种先进的称之为分布式光纤测温DTS的技术，可以实时检测长距离电缆外表的沿长度方向的温度分布序列，为电缆的平安监控和负荷管理提供了有力的手段。概述基于DTS的电缆平安监测系统〔简称CSM或平安监测系统〕，是以标准的工业自动控制方法为平台，以DTS技术为核心的电力电缆平安监测系统，为电力资产保障和利用提供一个完整的解决方案；该系统和已建立的电力调度自动化系统并行工作，但分工不同。调度系统负责电网的生产运行，CSM负责设备状态监测和环境控制。其特点为：采用先进的分布式光纤测温传感技术〔DTS〕为电缆的核心检测手段，使用强大的分析工具动态搜索异常可疑点，并实时计算电缆线芯温度/动态载流量。采用标准工业自控平台，可按需要灵活扩充各种监控手段；实现对环境控制设备，如通风/排水/防火设备的自动控制。CSM主要应用于具有战略意义的城市地下超高压的电缆的平安监控。目前，随着城市电网规模的迅速增大，有关事故也发生不断。DTS是理想的电缆状态检测设备。CSM解决了现有DTS系统存在的火警和显著温度异常报警无法真正满足电缆平安监控需求的问题，通过在现有DTS系统上加载分析功能，用电力输送专业的标准来处理、分析采集到的海量温度数据，并且以电力专业语言与用户交互。实现以下两个功能：电缆异常点预警；通过跟踪电缆全长度上每一点的温度的细微变化，发现故障的早期征兆，使潜在故障得到早期控制；检测电缆全长的温度瓶颈值，测算导体温度和电流裕量；这工程技术可以在保证电缆的负荷平安的前提下，提高这些昂贵的资产的利用率。 CSM可以整合任何其他的监控工程或子系统，这些是在极为先进的SIEMENS的工业自控平台上实现的，在物理层和逻辑层均保持高度的一致性和开放型。CSM可靠并具有极高的灵活性。背景和现状电缆平安问题近几年，由于我国经济持续高速开展，造成电力供给十分紧张，引发新一轮电力投资建设高潮。随着电网规模迅速扩大和电压等级的不断提高，电力运营的平安性问题日越突出。特别是XLPE超高压电缆在城市地下电网中广泛使用，产生了新的平安议题。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假设干回路。而这种设计在获得良好的维护性的同时，具有明显的脆弱性，一旦某根电缆故障恶化引创造火，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。而且城市的地下环境比拟复杂，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平安的威胁。另外，公众和企业对共用设施的效劳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共用设施管理部门给予更高的效劳承诺。所有这些都促使电力部门尽最大可能保证电网的可靠性。电缆(10kV及以上)运行故障的主要原因是外力破坏〔约占电缆运行故障总数的58%〕、电缆附件制造质量缺陷〔约占电缆运行故障总数的27%〕、电缆电缆安装质量缺陷〔约占电缆运行故障总数的12%〕和电力电缆本体制造质量缺陷〔约占电缆运行故障总数的3%〕。排除外力破坏因素，电力电缆线路在投入运行后的1-5年内的这段时期容易发生电缆运行故障，其故障的主要原因是电缆及附件产品质量问题和电缆敷设安装质量问题；电力电缆线路在投入运行后的5-25年内，电缆本体和附件根本进入稳定时期，此时，电力电缆线路运行故障率较低，运行故障的主要原因是电缆本体树枝状老化击穿和附件由于呼吸效应进潮而沿面放电；运行年限大于25年后，电缆本体的树枝状老化现象严重、介质材料电-热老化以及附件材料老化加剧，水树转变成为电树枝导致电力电缆运行故障率大幅上升[13]。在对全国主要城市126家电力电缆运行维护单位10kV以上的电力电缆〔总长度91000km〕在1997至2001年期间运行状态进行调查统计和故障原因分析发现，10～220kV电力电缆的平均运行故障率由1997年的11.3次/〔百公里·年〕逐年下降到2001年的5.2次/〔百公里·年〕，但相对经济兴旺国家仍高出约10倍[14]。城市干线通常采用110kV及以上的超高压电压等级，由于受重视程度高，加之超高压电缆的工艺控制要求严格，电缆本体防水设计，水树问题得到根本控制，故运行故障的频率远小于较低电压等级的电缆，但仍然超过兴旺国家数倍。电力管理部门除了通过加强工程设施管理，遏制电缆外力破坏，完善采购和施工工程管理外，也在积极开发在线设备管理方法。目前，可用的方法或工具见表一。由于电缆平安问题具有跨越地理范围大，故障偶发性强，灾难损失大的特点，火警和灭火系统是故障恶化后触发的，往往重大损失已经不可防止，而且灭火系统本身本钱很高，其功能上和经济上的有效性尚待验证。电力管理部门一直把预防性维护放在首要位置，特别是鼓励开展能够实现大范围实时监控的自动化设备，目标是发现和定位早期故障/异常；在第一时间发现和定位故障/异常，以防止恶化。由于分布式光纤维测温传感器DTS具有杰出的特性，是目前唯一的电缆全长度实时检测器，因此DTS产品化后在该领域得到迅速的应用。在2005年以前，国内几乎没有使用DTS的案例，在2005年，约有四个电缆工程采用DTS，到2006年，在北京，杭州，厦门等地已经有十数个方案已经和正在设计采用DTS电缆监控方法。国外的情况和国内的情况类似，但总体提前三到四年左右；在欧洲，日本，韩国等，已经使用的案例超过八十个。目前DTS的应用主要局限在火警探测/显在温度报警方面，尚未开掘其检测数据丰富，精度高的特点，CSM就是在DTS技术的根底上，开展了其在电缆监测领域的应用。类似于改造X光机成为可生成高级图象的CT机，CSM利用强大的分析工具，处理DTS的海量数据，可以发现潜在异常点。表一：在线设备管理方法属性方法类别方法时程实用性验收试验交流耐压0.1Hz超低频、kHz振荡波以及工频或谐振电压试验验收可靠，成熟；由于破坏性，适用于竣工/维修验收，或其他一些情况预防性维护局放测试脉冲电流法、DGA法、超声波法、RIV法、光测法、射频检测法和化学方法故障/可疑目前，该类技术尚在开展中；由于局放信号微弱，对测试环境和过程的要求较高，通常只使用在故障和可疑点的探测；温度监测总线式温度检测仪实时可沿1千米范围内布置不超过128个布置在电缆接头或其他重要的位置上的温度检测模块DTS分布式光纤维测温实时可检测10千米范围内连续温度分布；系统结构简单，是理想的电缆系统温度检测方法红外热像仪实时/巡检较为成熟；可监测重点的局部范围；可成为人工巡检工具环境监控井水位控制实时/巡检除人工检查外，可采用远程液位仪检测水位，并可自动控制本地排水泵通风冷却系统自动/手动通过比拟隧道和大气温度，自动控制风机换气，也可手动远程启动风机；也可用于排除隧道内有害/可燃气体人工巡视人工巡视定期巡检主要对电缆外观，环境状态/设备的检查；如接头性状，井水位，泵/风机，周围情况等防火设计建筑防火隔离/间距设计-应考虑紧急通风自动在隧道方案中应考虑，特别在已经设计有通风冷却系统的情况下电缆防火电缆阻燃层-在隧道方案中必要火警探测烟感离子式烟感实时可靠的传统方法温感缆式温度开关实时感温缆沿电缆敷设，温度超过某一固定值时，在该位置上感测缆短路，发出信号，较可靠。不能显示温度值灭火灭火设备干粉/超细干粉自动可靠，无破坏性，效率高、速度快细水雾自动较可靠；但对电气设备有一定破坏性电缆载流量计算随着负荷需求的快速增长，隧道/沟道内电缆敷设回路数量也变多；城市的地下环境中可能存在各种人工热源和其他不确定性影响，确定电缆的有效载流量的工作变得愈来愈重要，但同时也使得传统的计算方法变得更复杂和不可靠。传统的IEC60287提供100%稳态载流量的方法对环境状态作出简单，均匀的假设，其暂态方法也对日负荷曲线作出一致性假设，因此，其计算结果始终和许多不确定性相关。出于这些担忧，目前电力部门控制电缆的实际使用负荷通常不超过计算额定值的70%；这意味着资源利用缺乏。在另一方面，在夏季用电顶峰或维修需要在某一回路上加载较大电流时，由于缺乏足够信息，管理人员往往面临在不确定条件下作决定的困境。这是另一个需要解决的问题。由于DTS可以提供电缆全长的温度分布，为动态计算载流量提供了运行级的计算根底，根据电缆的发热和传热模型，实时准确计算出线芯温度或电流裕量成为可能，可辅助调度员作出可靠的调度决策。LS电缆公司首先根据IEC热路模型[11][17]，实现了该技术；CSM那么在此根底上，采用了完全无近似的电缆热模型的偏微分方程的数值解法，适用于各种结构的电缆和光纤敷设方法，计算准确可靠。可见在CSM中DTS提供了电缆平安监测和动态载流量计算两个功能的物质保证。设备监控系统的地位电力系统自动化特别是电力调度自动化程度正在不断完善，但当增设DTS、火警监控或排风自动系统时，相互之间以及和核心的调度系统应处于什么关系，怎样通讯？如处理不当，可能造成自动化系统孤岛现象，直接引发管理复杂，整体可靠程度反而下降的问题。有关的国际电工委员会的标准，主要针对电力系统的电力品质参数检测、传输和控制，并未对上述这类系统作出具体的标准，这样事实上成认在具体设备监控和管理方面应具有灵活性。CSM将这类系统归纳为设备平安和环境监测系统〔简称为设备监控系统〕，表二比拟了它和自动电力调度自动运行系统，可以发现它们的业务逻辑具有明显的差异，后者是电力系统运行的核心，前者为后者提供支持和保障；设备监控系统的特点是要求具有更强的检测功能，检测量包括很多非电信号，并具有很强的分析诊断功能。工程电力调度运行系统设备平安监控系统分工面向生产运行面向设备保障任务供电负荷平衡，继电保护设备运行监控，预防性维护检测/控制电网品质参数设备/环境状态参数驱动电网调节设备环境控制设备标准IEC60870-5；IEC61970IEC未作具体规定表二，电力调度系统和设备监控系统的比拟图一，CSM和现有系统的关系图一，CSM和现有系统的关系CSM在电力调度运行系统的平行位置，整合了目前所有的设备监控功能，为此提供了一个基于工业自动化的平台：SIEMENS的工业自控和网络方案，它可以涵盖所有工业检测和控制手段。为了不影响各自的业务，并保证可靠性和平安性，CSM和电力调度系统之间保持较弱的耦合关系，CSM的总结性计算结果，报警信号等以调度系统的通讯标准向调度系统发送。在物理架构上，CSM自成体系，独立运行，和调度系统成为对等系统；在逻辑关系上，CSM可以视为电力调度系统的一个SCADA子系统。见图一。CSM的DTS技术DTS的工作原理光纤测温的机理是依据后向拉曼(Raman)散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用,发生散射，散射有多种，如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和喇曼(Raman)散射等。其中喇曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。见图二：图二，DTS工作原理结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。用一个10ns延迟的激光脉冲，能够实现对最大30km的光纤空间分辨率1m的温度测量，也就是相当于每个光通道上30,000个测量点。基于上面的原理，分布式光纤测温技术特别适合于各种隧道的火灾和重要电缆的监测：和传统总线温度检测系统相比，DTS系统具有绝对的优势；可以连续的得到沿着测温光缆几千米的温度，误报和漏报率大大降低。抗电磁干扰，在高电磁环境中可以正常的工作。光纤由石英材料制造，不受任何外界电磁环境的干扰，并且本征平安。灵敏度高，测量精度高。寿命长，本钱低，系统简单。光纤的材料为石英玻璃，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本钱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本钱。DTS系统由一台低功耗的主机和无源的探测光缆构成，系统结构简单，现场无动态设备，电磁惰性，本质无电磁干扰，因此具有很高的可靠性和适用性。Sentinel-DTS产品介绍英国Sensornet公司的Sentinel-DTS分布式光纤温度系统是目前国际上最为先进的DTS系统。Sentinel系列DTS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，目前共包括6款产品，用户可以针对自己的用途，选择相应的型号。其中DTS-Halo是一个低价值的性价比非常高的DTS系统；DTS-XR的测量距离到达了30km，但是空间分辨率和温度分辨率都没有下降，适合超长距离隧道和地铁隧道的火灾监测与海底电缆的温度在线监测。此外Sentinel-DTS可以同时适应于50/125μμm两种多模光纤，Sensornet也可以提供基于单模光纤的分布式光纤测温系统，可以广泛用于那些单模光纤已经安装的场所。特点：整条光纤既传输信号又感应被测量测试距离远：可达30km空间分辨率高：从10cm到1m℃内置PC友好的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具体型号如下：型号DTS-LiteDTS-SRDTS-MRDTS-LRDTS-XR(1)DTS-XR(2)光纤类型多模50/125μm多模50/125μm多模50/125μm多模50/125μm多模50/125μm单模9/125μm测量距离4581020km,3030km空间分辨率211m1m22m温度分辨率<0.1oC0.01oCoCoC0.05oC<0.1oC测量时间15s10s10s10s10s10s通道数2,41,2,4和81,2,4和81,2,4和81,2,4和81,2,4和8探测光缆1〕Sensor-LSZH探测光缆是一个内部50/125μm的多模光纤，用于连接高性能的Sentinel-DTS。Sensor-LSZH作为一个线型探测器，光缆本身就是传感器，并且由于分布式的特性不会漏测任何点。外部为高性能的低烟无卤素热塑型材料，内部为不锈钢管。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。光纤GI50/125多模光纤，外涂炳烯酸酯，

衰减＜2.7dB/Km@850nm,

带宽>400MHz·km重量16kg/km不锈钢管直径(2-6mm可以任意定制)不锈钢壁厚外部直径4mm材料零卤，低烟热塑材料抗拉强度750N线性碾压力30kg/cm引起~的变形温度范围-80~650oC(取决于光纤)标准IEC60332-3C2〕Sensor-T探测光缆是一个内部50/125μm的多模光纤，外部为多层热塑型材料。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，完全无源，非常适合高压电缆的温度监测。外护套芳纶纱外护套芳纶纱带涂层的红色和绿色光纤填充凝胶的松管Ø2,0mm光缆类型纤芯数2光缆重量20Kg/km光缆直径mm最小弯曲半径无拉力负载有拉力负载60mm80mm最大允许拉力长期短期400N800N最大碾压阻力400N/cm冲击阻力20n重复弯曲度〔100N〕500n温度范围运行/存储温度-40~+85安装温度-5~+50短期温度-50~+150探测光缆的安装对于高压电缆〔一般只110KV及以上的〕的实时在线温度监测，需要对每一个电缆敷设探测光缆，包括两种方法：a〕光缆在电缆内部，在电力电缆生产过程中，已经将光缆做在电缆中，这种方法可以得到更加准确的电缆温度。电缆安装好以后，主需将相应位置的光缆熔接好。b〕光缆在电缆的外部，在电缆铺设完毕后，在电缆外外表铺设探测光缆，每隔或1m通过扎带将其固定在电缆外外表，以保证探测光缆与电缆完全接触。光缆在内部优点：更接近电缆芯优点：更接近电缆芯适合于排管缺点：连接困难光缆损耗大光缆在外部优点：安装简单优点：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电缆沟槽中，光缆在外部安装图。C〕对于三叶型电缆，只需将探测光缆安装如下列图所示的电缆连接处即可，并每隔或1m通过扎带将其固定。探测光缆探测光缆DTS的应用和需求长期以来，高压电缆的在线平安检测的手段比拟缺乏，DTS一经出现，立即成为该领域中比拟理想的方法。国外已有大量的应用，目前DTS已经在日本、韩国及欧洲多国等得到了成熟应用，DTS技术在我国的应用在近几年才刚刚开始起步，目前在北京、贵州、福建等地区已有DTS的电缆监控应用，用户反响良好，但是目前DTS系统可提供的功能局限于火警和显在温度异常报警，而电力电缆的专业用户需要获得比拟完整的解决方案，包括以下两个内容，一是实时分析DTS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许用电流，以更有效地利用电缆输送能力，电缆的能力约束条件是线芯〔导体〕温度不允许超过90/85℃，而DTS只能测量到电缆外表或绝缘层外的温度，因此需要热力学模型推导出线芯温度；这项功能可以辅助负荷调度决策，适用于夏季峰值负荷的平安营运和日常调度安排。CSM根据以上的用户需求，利用数学和电缆领域的专业知识和软件技术，在DTS上增加专业上位软件，具有DTS数据分析，处理和展示功能，以全面满足电缆平安监测用户的需求。实现了功能如下：多时间尺度实时扫描DTS的海量数据，搜索和发现潜在的早期热征故障点。在线负荷平安监测。可进行实时负荷平安水平监测，当前许用负载，运行模型等计算。成为电力调度，峰值保证，提高电缆资产的利用率方面的有利工具。目前尚未见成熟的为DTS在电缆检测方面开发的专业应用方法。由于此项技术开发需要建立涉及多专业复杂的数学模型，技术难度较高，仅有少数公司局部地开发了有关的技术，采用IEC热路模型的数值算法，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。CSM中DTS技术特点多时间尺度扫描模型在市场上现有的各种DTS产品中，都可以实现对电缆温度的在线监测和报警，但是存在功能弱，不能满足电缆平安监控的高要求的问题；其功能局限在火警和显著温度变化等所谓显在温度异常的监测功能；CSM充分考虑了用户需求和电缆热故障机理，建立了一种称之为DTS动态扫描的模型和配套的异常判断和报警机制，以发现电缆中具有异常的微弱的热现象的点。这些微弱的异常，可能是电缆故障的早期信号，如能发现和定位，可极大的提高电网的预防性维护水平，做到故障预警，而不是象常规的火警探测系统或DTS显式应用，其报警为破坏已经发生的事故报警。但由于早期故障信号能量小，容易被工作载荷的大尺度的波动覆盖，并且隐藏在数以千计的检测点中，人工读数或其他常规的方法是难以发现的；电缆的故障的开展机理见图三；图三，电缆故障的开展机理CSM的DTS动态扫描模型，是根据故障机理，专门为发现该类早期异常点而开发的。特点主要为：采用了多时间尺度的独立的扫描空间：由于电缆故障的热异常的周期从几个小时到几周，要更早和更确定地发现它们，多时间尺度是必须的；在内存上保持有各时间尺度DTS温度数据，在新读数的驱动下，在多个时间尺度上同时刷新和扫描；异常点定义和发现；DTS无针对电缆异常点的定义，也无空间扫描的机制。目前DTS的异常判据是：各点dT/dt>Cr〔温升速度大于阈值〕；当Cr调整得比拟低时，电缆整体的正常温度波动〔比方日载荷波动〕会触发误报警，所以无法发现较弱的温度异常。事实上，电缆内部的异常点是空间上的温度异常点，具有几何尺度特征，并分为静态异常和动态异常两种；通过本模型的基于空间的扫描机制，可以发现那些隐藏在电缆整体正常温度波动的微弱温度变化，而不易产生误报警；为每个点建立行为特征记录；在实践中，电缆各点不可防止地受外界干扰，产生温度波动；记录其温度变化统计量，可以使系统了解该点的行为特征，以防止误报警；建立灵敏而聪明的机制，必须包括这样的数据记录和智能判断能力。报警分级机制：报警分三个级别：注意/预警/报警；可以建立异常/报警函数和日志数据库。动态载流量模型DTS测温光缆附着在电缆外表或屏蔽层外侧，检测的数据是所在位置的温度；而用户需要得到电缆线芯的温度。电缆的载流量的关键限制条件是：XLPE绝缘材料的理化特性决定其只可工作在90或85摄氏度下，电缆线芯的工作温度也被限制在90或85度；准确知道线芯温度，可以极大地方便电力部门进行负荷调度决策。在100%负荷稳态条件下，电缆外表温度可以立即推算出线芯温度，但在应用场合，负载情况很复杂，而热量由线芯传导到外表的时滞比拟长，因此无法使用静态方法推断实际电缆的导体温度。本模型提供了一种动态计算方法。其特征为：完全采用ICE60287和配套的传热偏微分方程的数值解法，可实时计算出由导体至电缆外表的温度分布〔结点不小于25个〕，在任何时间步长上计算都保持稳定；模型为时变，极坐标，温度扩散系数间断的偏微分方程，数值算法要求为：差分，网格数〔从导体到电缆外表〕不少于25，时间步长不确定，为保证计算的稳定性采用隐式算法，可处理三种边界条件等；结合上述模型和ICE60287，建立完整的电缆热模型；并且采用系统辨识的方法，分析DTS温度和电流/热量的关系，估计出周边环境温度和热容贮备；为解上述高阶隐式方程，和系统辨识方程，模型配置有矩阵计算工具；包括了电缆负荷/检测温度的系统模型辨识，可实时计算出电缆周边温度〔代表值〕，并依此推断出短期内许用电流裕量；包括了负载统计特性的计算，并依此可作出中长周期的运行模拟和负载预警；用户可以自由给定未来负荷，模型将立即进行仿真模拟，并给出温度的估计；这项功能在电力调度，夏季峰值运行保障上有重要的实用价值；本模型具有良好的通用性，可以适用于各种环境：电缆隧道，电缆排管，直埋，混合方式等，只须通过首次设定就可；对通用性的实现，是通过模型适应多边界条件计算方法和系统辨识的自适应性实现的；本模型已经得到第三方的试验论证有关的流程CSM控制主程序是在MS.NET平台上开发的完全面向对象的WINDOW应用程序。在主窗体线程之外，系统以固定的间隔分配CPU时间刷新后台的电缆对象状态〔实时线程〕，以保证系统的实时特性。系统流程见图四。图四，CSM系统流程CSM的数据接口负责和下层子系统的通讯和数据库数据载入；系统以固定的节拍启动该模块线程，扫描子系统状态并接收数据，并进一步触发对象状态的刷新过程。该模块完成数据逻辑转换，使其指向具体的电缆对象。该模块是唯一一个根据具体工程或不同的子系统编写的。统计预处理模块对读入的数据进行快速的处理，确认数据的完整性和一致性，并得到DTS分布数据的统计特性〔温度瓶颈值〕发送给DTS模型。而且为完成DCR的模拟运行和热负荷预警，必须掌握负荷统计特性，这一过程也是在这里完成的。参数设定模块用于用户参数的输入〔如电缆型号，敷设条件，环境条件等〕；通常这一过程在电缆对象状态建立之初完成；用户为进行模拟运行，也会在此给定参数。仿真发生模块基于负荷统计特性和用户给定参数，产生一个模拟的负荷序列和假定环境状态。DTS数据经快速统计预处理后，就进行动态扫描以发现异常点。动态扫描模型基于电缆故障的时间尺度和空间尺度的特性，比对新数据和历史数据，并根据用户设定的报警值，作出平安状态评估/产生报警或提示等；DCR动态载流量模型在用户给定必要的参数后初始化电缆的热物理状态；输入DTS瓶颈值/电缆电流/环境参数等可实时更新该状态，并辨识环境温度对电缆载荷的响应。输出为实时的电缆内部温度场分布和周边环境参考温度和当前电流裕量，并在给定的未来载荷的条件下，作出电缆状态的预测，到达模拟运行的效果；基于上述两个核心功能，可支持主要的四个最终用户的功能：火情监测/异常监测/动态载流量/运行模拟；由于四个功能属性差异较大，都须输入性质不同的给定值/阈值，因此制成单独的功能模块，彼此之间不耦合。火情监测/异常监测输出可通过数据接口向辅助子系统给出报警输出，实现需要的远程报警或执行；本地的报警输出/执行主要用于实现的语音/短消息报警；至此，系统可以一方面执行实时线程刷新状态，评估平安状态或产生报警，同时主窗体线程响应用户事件，进行状态显示，信息查询，模拟运行等；用户图形化界面在目前的基于DTS的通用软件中，多处采用数据表格的方式来展现监控数据，不能够直观地展示监控结果，会严重影响使用效果和用户决策效率。CSM的MSChart风格的图形控件，见图五，专门用于DTS海量数据的显示和分析，可以实现以下的功能：DTS分布式数据的实时刷新；刷新策略保证防止不必要的CPU占用和比拟快的响应；事件/重要统计指标的屏幕标注；给用户快捷的指示；响应鼠标事件局部放大DTS分布式数据，用户可以最正确比例查看电缆局部的温度分布和统计值；在同一图上展现电缆对象的多维状态数据曲线；图五用户图形界面例如SIEMENS设备监控平台现有的DTS的电缆温度监测系统把DTS作为一个孤立的系统，独立于其他监控设施工作。实际工作中，电缆的平安监测还可以包括其他传感器，如隧道水位，关键区域视频监测，局部放电侦听等；用户可能希望系统能自动驱动现场的某些设备，如照明，通风，排水，消防设备等。只有包括这些传感器输入和执行输出，才可形成一套面向区域平安责任的的电力输配电领域的设备监控系统。SIEMENS提供了整合所有这些功能的工业控制平台，包括可以相互融合PROFIBUS系列的现场总线系统、PROFINET的工业以太网和SINUT远程控制系统，SIMATIC控制解决方案，以及多种工业传感器，电机控制/变频器，照明控制等。这些技术是业内高度可靠性和先进性的代表，可以迅速搭建满足各种用户需求的可伸缩的设备监控系统。CSM通讯平台默认采用PROFINET工业以太网和PROFINET工业总线，使用完全防电磁干扰的光通讯媒体或必要时采用无线通讯方法。PROFINET工业以太网PROFINET是用于工业自动化革新和开放的工业以太网标准IEC61158，可将现场级设备一直连接到管理层，实现系统范围内的通讯，并支持现场到调度中心的工程和组态，直到现场级均采用IT标准，形成一网到底的通讯模式。PROFIBUS等现有现场总线很容易集成，而无需对现有设备进行改动。在实时通讯方面，使用TCP/IP标准来进行参数化，组态和诊断。用于传输有用/过程数据的实时通讯在同一条总线上进行。基于工业以太网的开放式标准可以满足工业环境中的所有相关要求。在WEB集成方面，PROFINET组件的数据以HTML或XML格式表示。自动化级的信息可通过浏览器在异地访问，还可以大大简化和调度系统的通讯过程。PROFIBUS现场总线PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一〔IEC61158.3、JB/T10308.3-2001〕，以其独特的技术特点、严格的认证标准、开放的标准、众多厂商的支持和不断开展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准，不同厂商所生产的设备不需要对接口进行特别的处理和转换就可以通信。12M的通信速率和可靠的通信质量(海明距离=4)，强大的通信功能，支持基于总线的驱动技术和符合IEC61508的总线平安通信技术先进的网络规模(最多支持126个总线站，网络规格可达90公里)。PROFIBUS协议包括三个主要局部：PROFIBUSDP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。CSM的常规监控任务(非DTS和非火灾系统)均采用该类总线实现。PROFIBUSPA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。主要应用于防爆或无本地电源检测场合。PROFIBUSFMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。PROFIBUS网络构成主要有由以下三个局部：PROFIBUS主站(一类主站，必需：SIMATICPLC、支持主站功能的通讯处理器、IE/PB链路模块、ET200S/ET200X的主站模块等)，PROFIBUS从站〔ET200系列分布式I/O、支持DP接口的传动装置、支持从站功能的通讯处理器、其它支持DP接口的输入、输出或智能设备等〕，PROFIBUS网络部件等。用PROFIBUS连接的系统由主站和从站组成，主站能控制总线，当主站获得总线控制权后，可以主动发送信息。从站通常为传感器、执行器、驱动器和变送器。它们可以接受信号并给予响应，但没有控制总线的权力。PROFIBUS还支持多主/多从的模式，在该模式下，主站之间按令牌方式传递总线控制权。SIMATICPLCCSM默认采用SIMATICPLC3152-DP为常规现场监控模块。可以非常好地满足和适用各种自动化任务。它具有简单实用的分布式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。当任务增加时，可自由扩展。具有中等规模的程序存储容量和数据结构，对二进制和浮点运算具有较高的处理能力。它是PROFIBUSDP的站点，可用于大规模和分布式的I/O。数字量通道输入输出各16384个，模拟量通道输入输出各1024个，浮点运算小于3微秒。CSM中设计程序扫描周期小于200毫秒。在CSM中SIMATICPLC和ET200分布I/O通过PROFIBUSDP构成一个或假设干总线控制系统〔FCS〕，形成CSM的辅助子系统，专门负责处理类似排水、通风等常规环境控制任务，形成多DTS功能的重要补充。常规〔非DTS〕监控任务CSM采用SIEMENS的PROFINE工业以太网和PROFIBUS总线控制系统，可以实现各种监控任务，包括DTS温度监测和非DTS的常规监控，如水位监控，通风控制，照明控制，红外热像监视，消防设备联动等，使控制中心人员对现场设备有充分的监视和控制，提供了现场无人职守的物质保障。水位监控CSM集成对隧道，沟道或其他电缆地下设施的水位监视和控制。这是通过上述PLC辅助子系统完成的。CSM默认使用SIEMENS的SITRANSProbeLU非接触式超声波液位传感器为检测部件，WILDON电动隔膜泵为排水设备。SITRANSProbeLU是二线制一体化超声波液位计，测量储罐和简单过程容器中液体的液位、体积和流量，同时也可用于明渠。SITRANSProbeLU量程为6m或12m。使用自动虚假回波抑制技术可防止固定的障碍物的影响，提高声/噪比，使精度到达量程的0.15%或6mm，ProbeLU提供无比的可靠性。其包括经过无数现场认证的声智能信号处理技术，结合新的回波处理特性和最新的微处理器和通讯技术。ProbeLU的传感器为ETFE或PVDF材质，可适合化学腐蚀。ProbeLU内置的温度传感器可以对不同的温度变化进行补偿。连续液位测量，最大量程12m安装方便，启动简单带HART通讯ETFE或PVDF传感器抗化学腐蚀专利的声智能信号处理很高的信/噪比自动虚假回波抑制技术防止固定的障碍物的影响CSM提供SIMATIC本地控制器，形成水位本地控制回路；在CSM监控站，实时显示水位和泵工作状态，可手动启停排水泵。水位过高，泵故障都会生成报警信号。通风控制通风控制也是CSM通过辅助子系统完成的。排风系统主要面临三项任务：当电缆隧道温度过高时〔如大于40C〕，应换风冷却；定期换风，以防止隧道内有害气体的积累；在出现火警时，按照预案停启通风。CSM通过检测隧道空气温度，结合用户逻辑，可以完全实现上述功能的自动化。还可以通过检测大气温度，智能地决定通风冷却的最正确方案，如在夏季夜间或较低温度的天气时预先通风降温。类似水位监测，CSM跟踪和显示风机的状态，当其故障时，可以发现。CSM系统系统结构CSM是跨越单元级至控制级的SCADA子系统，为用户面向预防性维护的电缆平安监控解决方案。CSM采用西门子控制平台，是集传感器技术，自动控制，计算机与网络技术，通讯技术及测量技术与一体的先进技术系统，它可实现远距离现场数据采集、监控、传输和分布式管理。其内部结构主要由四个层次组成：场仪表及执行机构：包括各种温度、水位、电气信号等检测变送器和各种如电机驱动，开关等执行器；DTS是该层核心设备。DTS虽然物理规模较大，其属于现场单元。站控系统：可以通过直接I/O方式或现场总线与具备这种总线的智能仪表、传感器和执行机构连接两种方式与现场仪表和控制设备连接，两种方式均可实时采集所需要的各参数。可以按照用户的要求增加，实现其他信号的输入输出；通讯控制层：由通讯主机和通讯终端机组成，起着连接站控系统和调度管理层的作用，可选用多种通讯信道和通讯协议，具有纠错、加密功能：轮巡、抢发、存储转发。在现场层CSM采用了西门子PROFIBUS-DP/PA，PROFINET远程方案，在其以上层次使用标准的和基于XML的通讯格式。管理层：位于调度控制中心，是以计算机网络为运行平台的综合应用系统，通过通讯主机与生产环节连接，一方面接收来自站控系统的现场数据，另一方面可进行远程控制，同时在本层还可根据实际情况设定系统的通讯方式，主要完成管线〔网〕监控、数据储存、分析决策等功能。CSM的调度管理层为CSM2006系统软件，包括了IEC60287电缆负荷分析器和异常判断模型，和报警/控制输出和事件记录等功能，来实现对电缆全面的实时监控和分析决策。基于电力生产和输送管理对平安性和可靠性的苛求，本方案按照如下原那么构建：平安性；完全遵循有关的IEC标准和其他平安要求。可靠性；包括软硬件选型和运用的方法确定；模块化；各模块功能明确，界面和层次清楚，具备互换性。合理控制各模块复杂性；可扩充性，低维护/免维护设计。完整性；是一个完整可以独立工作的SCADA系统，它与原有系统有良好接口，合理分工，并在整体构架上保持一致；系统功能采用通用的SIEMENS工业自动化平台，形成完整的设备监控系统，可按完全用户需求配置监控任务。CSM选用世界高端的SENSORNET的SENITELDTS主机；采用符合IEC60287和IEC853的计算方法和偏微分方程的数值解法，建立每回路电缆建立负载模型；实时计算电缆截面温度场和电流裕量和进行用户运行模拟。电缆截面温度场模型结点不小于25个，计算精度+/-2度，净单位计算周期不大于350毫秒。模拟时间跨度不小于未来28天；建立了DTS数据动态扫描模型；模型分三个时间尺度实时扫描DTS检测值，既满足显在故障的快速响应，有具备发现潜在的早期故障点的条件，同时具备实时性和预防性维护的条件。通过适当的数学处理，过滤掉电缆负载周期性变化〔如日负载曲线〕和系统噪音对电缆温度的影响，可以发现变化很小的温度异常点。对显在快速变化响应时间〔从读入到响应〕不大于100毫秒/千米；在SENITEL的DTS主机平台上，可发现0.3度/天的温度异常迁移;提供适应现有城网中心站的工作容量;最多可处理16个DTS光缆通道,32个回路,总长160公里测温光缆;在满容量下纯系统滞后不大于5秒;提供三级报警机制，注意/预警/报警；全面图形化用户界面；使用便捷；目前绝大局部DTS光纤测温系统采用通用的DTS监测系统软件，LS的R-TAS是目前极少〔局部地〕具有电缆专业监控功能的应用系统。CSM与它们的功能比照方下：工程CSMLS的R-TAS通用DTS系统火警报警有有有显著温度异常报警有有有潜在〔弱〕温度异常点发现机制有无无报警分级机制有无无动态载流量-计算电缆温度场，短期电流裕量,<48hr有有无动态载流量-运行模拟仿真有无无用户图形界面完善不完善不完善兼容标准的工业控制系统有无无多电缆回路为对象的用户视图有无无按用户环境快速定制可以不可以不可以包含常规〔非DTS〕监控任务内置无无系统例如图六给出了一个CSM的实例，其关键参数如下：测温主机：SENTINELDTS/SR，测距5.0千米；全局测温精度：+/-1C对应周期不大于30秒；全局空间分辨率：1米对应周期不大于30秒；全局火警响应时间：不超过30秒；主要功能描述如下：以图表显示和比照所有重要数据；以图表实时显示各电缆全长每一点外表温度；以图表实时显示各电缆在三个时间尺度下，指示每一点温度变化和异常情况；以图表实时显示各电缆峰值外表/线芯/环境温度和电流变化曲线；计算当前电缆负载和环境热物理的状态，并推算未来电缆外表/线芯温度变化情况；按用户设定的负载对未来不小于28天内进行模拟仿真计算；判断电缆热载荷〔外表/导体温度及其变化率〕正常与否，并报警/预警/指示；支持多种报警方式，可按用户要求短消息报警；支持现场总线和对各种设备的完全控制，可按用户的要求增加现场总线和远程I/O以连接传感器和对通风/排水设备的控制输出；图六，CSM实例系统图附录1：CSM参数表类别工程描述整体标准符合有关国家标准和规定；计算方法均采用IEC60287和IEC关于动态载流量参考方法；IEC60870-5标准系列，国家电力通讯规约；冗余测温子系统30%可用冗余,扩展的光路开关或光缆长度可使用该冗余；辅助其他子系统和全局系统冗多余不小于50%；使用环境主站为室内型，温度0-35度，湿度不大于90%；电源220V+/-10%，50Hz测温光缆型号CSM-OC3NLT；125/50多模3芯松套隧道用附着固定PP松扣，间距6米工作温度-20℃–热特性导热时间常数约15秒现场总线总体提供1024个模拟量和16000个开关量标准输入输出总线CPU西门子PLC315-2DP；媒体20M光纤远程I/OET200M系列/光转换模块DTS主机型号SENTINELHalo/SR/MR/LR/XR测温距离0.0千米检测精度+/-1℃空间分辨率1-2米〔在1个标准扫描周期下〕扫描周期标准周期10-30秒/光通道；光路切换开关1X4；IL系统主机平台HP380Server，WIN-XP，19寸液晶显示器核心模块版本CSM2006R实时性主系统扫描周期1秒，满载滞后不大于5秒火警功能火警A模式；整体响应时间不大于30秒异常扫描功能包括；同时在三个时间尺度上扫描温度场数据；动态载流量功能包括；计算导体温度，电流裕量等；数据保存分布温度数据保存节拍15分钟；载荷数据节拍1分钟，可保存不少于5年的历史数据外部通讯IEC60970，PROFINET报警分注意/预警/警报三个等级；用户可更改报警阈值附录2：SENSERNETDTS应用业绩国内局部南京城建集团隧道火灾报警系统电缆隧道监测，2.4km。安装方法：隧道/电缆隧道顶部悬挂吊装；清华同方德黑兰地铁火灾报警系统,总长44km，2台DTS-XR。安装方法：地铁隧道顶部安装；南方电网贵州某变电站电缆/电缆管沟监测，6.9km。安装方法：沿电缆和电力管沟直线敷设光缆；北京电力公司东北郊变电站220kv电缆温度监测，总长20km，1台DTS-XR。安装方法：沿电缆外表安装和电缆隧道顶部吊装。北京电力公司黄寺变电站等220kv电缆温度监测，总长150km，4台DTS-XR。 安装方法：沿电缆外表安装；重庆电缆长220kv电缆温度测量，1台DTS-Halo；深圳湾大桥电缆隧道温度监测和火灾报警，总长4km，1台DTS-Halo。安装方法：沿电缆隧道顶部安装；广东新粤交通，7.2km。安装方法：公路隧道顶部安装；天津港皮带长廊轴温火灾报警系统,4km。安装方法：通过定制夹具固定在每个托辊轴上；三峡大学科研，DTS-SR科研，混凝土埋入；胜利油田油井测温，4km；辽河油田油井测温，1km，DTS-LR,高温达300C安装方法：沿油井垂直向下敷设；南水北调工程混凝土温度监测，500m；山东大学科研，DTS-SR；南京大学冻土温度监测。------国外局部澳大利亚Olex电缆隧道监测，4.5km+0.8km。安装方法：光缆已经制作在电缆内部；法国EDF电缆温度监测,2.5km。安装方法：电缆外外表；英国Energis电缆的温度和应变监测，320km。安装方法：光缆已经制作在电缆内部；意大利Pr