基于Sentinel-DTS的電纜安全監(jiān)控系統(tǒng)

基于SentinelDTS的電纜平安監(jiān)控系統(tǒng)SentinelDTSBasedCableSafetyMonitoringSystem(CSM)定義調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)保證電網(wǎng)平安穩(wěn)定運(yùn)行的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)，分析和交換電網(wǎng)頻率、電壓、負(fù)荷、聯(lián)絡(luò)線功率控制質(zhì)量等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備的自控/遙控功能。歷史上，其曾經(jīng)使用過電力平安監(jiān)控系統(tǒng)或類似名稱。電網(wǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備斷路器，變壓器可調(diào)接頭，電力電容，電抗器等可切換負(fù)荷，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電氣特性的電力設(shè)備；平安在調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)中，平安主要指與防止電網(wǎng)失穩(wěn)瓦解，崩潰的相關(guān)的事宜；在本方案中，平安指對(duì)電纜和周圍設(shè)施/人員的保障，即與防止電纜的由于內(nèi)部故障、過載、或受外力導(dǎo)致重大財(cái)產(chǎn)損失或引發(fā)災(zāi)難而相關(guān)的事宜。電纜主要指在城市地下敷設(shè)高壓/超高壓的XLPE電纜和附件，通常敷設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)中，是本工程主要的工作對(duì)象；廣義上包括高壓/超高壓架空線；環(huán)境指電纜的敷設(shè)環(huán)境，包括人工環(huán)境如電纜隧道、井、溝等，和自然環(huán)境如土壤，大氣，日照等；環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備在人工環(huán)境中的可以調(diào)節(jié)環(huán)境狀態(tài)的設(shè)備，如通風(fēng)、排水等，廣義上也可包括照明，防火設(shè)備，安保等，也可以稱之為環(huán)境控制設(shè)備；基于DTS電纜平安監(jiān)控系統(tǒng)〔CSM〕為保障電纜平安而設(shè)計(jì)的一套獨(dú)立于現(xiàn)有的調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)的自控系統(tǒng)；主要負(fù)責(zé)采集電纜運(yùn)行和環(huán)境參數(shù)，對(duì)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在保障電纜平安的前提下，有效利用電纜的輸電能力。系統(tǒng)采用了一種先進(jìn)的稱之為分布式光纖測(cè)溫DTS的技術(shù)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)長(zhǎng)距離電纜外表的沿長(zhǎng)度方向的溫度分布序列，為電纜的平安監(jiān)控和負(fù)荷管理提供了有力的手段。概述基于DTS的電纜平安監(jiān)測(cè)系統(tǒng)〔簡(jiǎn)稱CSM或平安監(jiān)測(cè)系統(tǒng)〕，是以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)自動(dòng)控制方法為平臺(tái)，以DTS技術(shù)為核心的電力電纜平安監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為電力資產(chǎn)保障和利用提供一個(gè)完整的解決方案；該系統(tǒng)和已建立的電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)并行工作，但分工不同。調(diào)度系統(tǒng)負(fù)責(zé)電網(wǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行，CSM負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和環(huán)境控制。其特點(diǎn)為：采用先進(jìn)的分布式光纖測(cè)溫傳感技術(shù)〔DTS〕為電纜的核心檢測(cè)手段，使用強(qiáng)大的分析工具動(dòng)態(tài)搜索異?？梢牲c(diǎn)，并實(shí)時(shí)計(jì)算電纜線芯溫度/動(dòng)態(tài)載流量。采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)自控平臺(tái)，可按需要靈活擴(kuò)充各種監(jiān)控手段；實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境控制設(shè)備，如通風(fēng)/排水/防火設(shè)備的自動(dòng)控制。CSM主要應(yīng)用于具有戰(zhàn)略意義的城市地下超高壓的電纜的平安監(jiān)控。目前，隨著城市電網(wǎng)規(guī)模的迅速增大，有關(guān)事故也發(fā)生不斷。DTS是理想的電纜狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備。CSM解決了現(xiàn)有DTS系統(tǒng)存在的火警和顯著溫度異常報(bào)警無法真正滿足電纜平安監(jiān)控需求的問題，通過在現(xiàn)有DTS系統(tǒng)上加載分析功能，用電力輸送專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)來處理、分析采集到的海量溫度數(shù)據(jù)，并且以電力專業(yè)語(yǔ)言與用戶交互。實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)功能：電纜異常點(diǎn)預(yù)警；通過跟蹤電纜全長(zhǎng)度上每一點(diǎn)的溫度的細(xì)微變化，發(fā)現(xiàn)故障的早期征兆，使?jié)撛诠收系玫皆缙诳刂?；檢測(cè)電纜全長(zhǎng)的溫度瓶頸值，測(cè)算導(dǎo)體溫度和電流裕量；這工程技術(shù)可以在保證電纜的負(fù)荷平安的前提下，提高這些昂貴的資產(chǎn)的利用率。 CSM可以整合任何其他的監(jiān)控工程或子系統(tǒng)，這些是在極為先進(jìn)的SIEMENS的工業(yè)自控平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，在物理層和邏輯層均保持高度的一致性和開放型。CSM可靠并具有極高的靈活性。背景和現(xiàn)狀電纜平安問題近幾年，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速開展，造成電力供給十分緊張，引發(fā)新一輪電力投資建設(shè)高潮。隨著電網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大和電壓等級(jí)的不斷提高，電力運(yùn)營(yíng)的平安性問題日越突出。特別是XLPE超高壓電纜在城市地下電網(wǎng)中廣泛使用，產(chǎn)生了新的平安議題。由于受城市規(guī)劃和投資的約束，常見的設(shè)計(jì)是在電纜隧道或溝道內(nèi)敷設(shè)假設(shè)干回路。而這種設(shè)計(jì)在獲得良好的維護(hù)性的同時(shí)，具有明顯的脆弱性，一旦某根電纜故障惡化引創(chuàng)造火，可能迅速殃及周圍電纜和建筑結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該管道內(nèi)所有線路癱瘓。地下超高壓XLPE電纜工程造價(jià)昂貴，通常在每千米數(shù)千萬元，火災(zāi)可造成重大直接財(cái)產(chǎn)損失，并且修復(fù)周期長(zhǎng)。而且城市的地下環(huán)境比擬復(fù)雜，不能排除電纜火災(zāi)對(duì)其他市政管線、共同溝、地鐵、包括地面設(shè)施和人員平安的威脅。另外，公眾和企業(yè)對(duì)共用設(shè)施的效勞水平的要求迅速提升，不僅因?yàn)閿嚯娍赡芙o企業(yè)造成巨額經(jīng)濟(jì)損失，還因?yàn)楝F(xiàn)代社會(huì)文明要求共用設(shè)施管理部門給予更高的效勞承諾。所有這些都促使電力部門盡最大可能保證電網(wǎng)的可靠性。電纜(10kV及以上)運(yùn)行故障的主要原因是外力破壞〔約占電纜運(yùn)行故障總數(shù)的58%〕、電纜附件制造質(zhì)量缺陷〔約占電纜運(yùn)行故障總數(shù)的27%〕、電纜電纜安裝質(zhì)量缺陷〔約占電纜運(yùn)行故障總數(shù)的12%〕和電力電纜本體制造質(zhì)量缺陷〔約占電纜運(yùn)行故障總數(shù)的3%〕。排除外力破壞因素，電力電纜線路在投入運(yùn)行后的1-5年內(nèi)的這段時(shí)期容易發(fā)生電纜運(yùn)行故障，其故障的主要原因是電纜及附件產(chǎn)品質(zhì)量問題和電纜敷設(shè)安裝質(zhì)量問題；電力電纜線路在投入運(yùn)行后的5-25年內(nèi)，電纜本體和附件根本進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)期，此時(shí)，電力電纜線路運(yùn)行故障率較低，運(yùn)行故障的主要原因是電纜本體樹枝狀老化擊穿和附件由于呼吸效應(yīng)進(jìn)潮而沿面放電；運(yùn)行年限大于25年后，電纜本體的樹枝狀老化現(xiàn)象嚴(yán)重、介質(zhì)材料電-熱老化以及附件材料老化加劇，水樹轉(zhuǎn)變成為電樹枝導(dǎo)致電力電纜運(yùn)行故障率大幅上升[13]。在對(duì)全國(guó)主要城市126家電力電纜運(yùn)行維護(hù)單位10kV以上的電力電纜〔總長(zhǎng)度91000km〕在1997至2001年期間運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)和故障原因分析發(fā)現(xiàn)，10～220kV電力電纜的平均運(yùn)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〕，但相對(duì)經(jīng)濟(jì)興旺國(guó)家仍高出約10倍[14]。城市干線通常采用110kV及以上的超高壓電壓等級(jí)，由于受重視程度高，加之超高壓電纜的工藝控制要求嚴(yán)格，電纜本體防水設(shè)計(jì)，水樹問題得到根本控制，故運(yùn)行故障的頻率遠(yuǎn)小于較低電壓等級(jí)的電纜，但仍然超過興旺國(guó)家數(shù)倍。電力管理部門除了通過加強(qiáng)工程設(shè)施管理，遏制電纜外力破壞，完善采購(gòu)和施工工程管理外，也在積極開發(fā)在線設(shè)備管理方法。目前，可用的方法或工具見表一。由于電纜平安問題具有跨越地理范圍大，故障偶發(fā)性強(qiáng)，災(zāi)難損失大的特點(diǎn)，火警和滅火系統(tǒng)是故障惡化后觸發(fā)的，往往重大損失已經(jīng)不可防止，而且滅火系統(tǒng)本身本錢很高，其功能上和經(jīng)濟(jì)上的有效性尚待驗(yàn)證。電力管理部門一直把預(yù)防性維護(hù)放在首要位置，特別是鼓勵(lì)開展能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)控的自動(dòng)化設(shè)備，目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)和定位早期故障/異常；在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和定位故障/異常，以防止惡化。由于分布式光纖維測(cè)溫傳感器DTS具有杰出的特性，是目前唯一的電纜全長(zhǎng)度實(shí)時(shí)檢測(cè)器，因此DTS產(chǎn)品化后在該領(lǐng)域得到迅速的應(yīng)用。在2005年以前，國(guó)內(nèi)幾乎沒有使用DTS的案例，在2005年，約有四個(gè)電纜工程采用DTS，到2006年，在北京，杭州，廈門等地已經(jīng)有十?dāng)?shù)個(gè)方案已經(jīng)和正在設(shè)計(jì)采用DTS電纜監(jiān)控方法。國(guó)外的情況和國(guó)內(nèi)的情況類似，但總體提前三到四年左右；在歐洲，日本，韓國(guó)等，已經(jīng)使用的案例超過八十個(gè)。目前DTS的應(yīng)用主要局限在火警探測(cè)/顯在溫度報(bào)警方面，尚未開掘其檢測(cè)數(shù)據(jù)豐富，精度高的特點(diǎn)，CSM就是在DTS技術(shù)的根底上，開展了其在電纜監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。類似于改造X光機(jī)成為可生成高級(jí)圖象的CT機(jī)，CSM利用強(qiáng)大的分析工具，處理DTS的海量數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)潛在異常點(diǎn)。表一：在線設(shè)備管理方法屬性方法類別方法時(shí)程實(shí)用性驗(yàn)收試驗(yàn)交流耐壓0.1Hz超低頻、kHz振蕩波以及工頻或諧振電壓試驗(yàn)驗(yàn)收可靠，成熟；由于破壞性，適用于竣工/維修驗(yàn)收，或其他一些情況預(yù)防性維護(hù)局放測(cè)試脈沖電流法、DGA法、超聲波法、RIV法、光測(cè)法、射頻檢測(cè)法和化學(xué)方法故障/可疑目前，該類技術(shù)尚在開展中；由于局放信號(hào)微弱，對(duì)測(cè)試環(huán)境和過程的要求較高，通常只使用在故障和可疑點(diǎn)的探測(cè)；溫度監(jiān)測(cè)總線式溫度檢測(cè)儀實(shí)時(shí)可沿1千米范圍內(nèi)布置不超過128個(gè)布置在電纜接頭或其他重要的位置上的溫度檢測(cè)模塊DTS分布式光纖維測(cè)溫實(shí)時(shí)可檢測(cè)10千米范圍內(nèi)連續(xù)溫度分布；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是理想的電纜系統(tǒng)溫度檢測(cè)方法紅外熱像儀實(shí)時(shí)/巡檢較為成熟；可監(jiān)測(cè)重點(diǎn)的局部范圍；可成為人工巡檢工具環(huán)境監(jiān)控井水位控制實(shí)時(shí)/巡檢除人工檢查外，可采用遠(yuǎn)程液位儀檢測(cè)水位，并可自動(dòng)控制本地排水泵通風(fēng)冷卻系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)通過比擬隧道和大氣溫度，自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)換氣，也可手動(dòng)遠(yuǎn)程啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；也可用于排除隧道內(nèi)有害/可燃?xì)怏w人工巡視人工巡視定期巡檢主要對(duì)電纜外觀，環(huán)境狀態(tài)/設(shè)備的檢查；如接頭性狀，井水位，泵/風(fēng)機(jī)，周圍情況等防火設(shè)計(jì)建筑防火隔離/間距設(shè)計(jì)-應(yīng)考慮緊急通風(fēng)自動(dòng)在隧道方案中應(yīng)考慮，特別在已經(jīng)設(shè)計(jì)有通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的情況下電纜防火電纜阻燃層-在隧道方案中必要火警探測(cè)煙感離子式煙感實(shí)時(shí)可靠的傳統(tǒng)方法溫感纜式溫度開關(guān)實(shí)時(shí)感溫纜沿電纜敷設(shè)，溫度超過某一固定值時(shí)，在該位置上感測(cè)纜短路，發(fā)出信號(hào)，較可靠。不能顯示溫度值滅火滅火設(shè)備干粉/超細(xì)干粉自動(dòng)可靠，無破壞性，效率高、速度快細(xì)水霧自動(dòng)較可靠；但對(duì)電氣設(shè)備有一定破壞性電纜載流量計(jì)算隨著負(fù)荷需求的快速增長(zhǎng)，隧道/溝道內(nèi)電纜敷設(shè)回路數(shù)量也變多；城市的地下環(huán)境中可能存在各種人工熱源和其他不確定性影響，確定電纜的有效載流量的工作變得愈來愈重要，但同時(shí)也使得傳統(tǒng)的計(jì)算方法變得更復(fù)雜和不可靠。傳統(tǒng)的IEC60287提供100%穩(wěn)態(tài)載流量的方法對(duì)環(huán)境狀態(tài)作出簡(jiǎn)單，均勻的假設(shè)，其暫態(tài)方法也對(duì)日負(fù)荷曲線作出一致性假設(shè)，因此，其計(jì)算結(jié)果始終和許多不確定性相關(guān)。出于這些擔(dān)憂，目前電力部門控制電纜的實(shí)際使用負(fù)荷通常不超過計(jì)算額定值的70%；這意味著資源利用缺乏。在另一方面，在夏季用電頂峰或維修需要在某一回路上加載較大電流時(shí)，由于缺乏足夠信息，管理人員往往面臨在不確定條件下作決定的困境。這是另一個(gè)需要解決的問題。由于DTS可以提供電纜全長(zhǎng)的溫度分布，為動(dòng)態(tài)計(jì)算載流量提供了運(yùn)行級(jí)的計(jì)算根底，根據(jù)電纜的發(fā)熱和傳熱模型，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算出線芯溫度或電流裕量成為可能，可輔助調(diào)度員作出可靠的調(diào)度決策。LS電纜公司首先根據(jù)IEC熱路模型[11][17]，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)；CSM那么在此根底上，采用了完全無近似的電纜熱模型的偏微分方程的數(shù)值解法，適用于各種結(jié)構(gòu)的電纜和光纖敷設(shè)方法，計(jì)算準(zhǔn)確可靠?？梢娫贑SM中DTS提供了電纜平安監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)載流量計(jì)算兩個(gè)功能的物質(zhì)保證。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的地位電力系統(tǒng)自動(dòng)化特別是電力調(diào)度自動(dòng)化程度正在不斷完善，但當(dāng)增設(shè)DTS、火警監(jiān)控或排風(fēng)自動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，相互之間以及和核心的調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)處于什么關(guān)系，怎樣通訊？如處理不當(dāng)，可能造成自動(dòng)化系統(tǒng)孤島現(xiàn)象，直接引發(fā)管理復(fù)雜，整體可靠程度反而下降的問題。有關(guān)的國(guó)際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)電力系統(tǒng)的電力品質(zhì)參數(shù)檢測(cè)、傳輸和控制，并未對(duì)上述這類系統(tǒng)作出具體的標(biāo)準(zhǔn)，這樣事實(shí)上成認(rèn)在具體設(shè)備監(jiān)控和管理方面應(yīng)具有靈活性。CSM將這類系統(tǒng)歸納為設(shè)備平安和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)〔簡(jiǎn)稱為設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)〕，表二比擬了它和自動(dòng)電力調(diào)度自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)它們的業(yè)務(wù)邏輯具有明顯的差異，后者是電力系統(tǒng)運(yùn)行的核心，前者為后者提供支持和保障；設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是要求具有更強(qiáng)的檢測(cè)功能，檢測(cè)量包括很多非電信號(hào)，并具有很強(qiáng)的分析診斷功能。工程電力調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)備平安監(jiān)控系統(tǒng)分工面向生產(chǎn)運(yùn)行面向設(shè)備保障任務(wù)供電負(fù)荷平衡，繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控，預(yù)防性維護(hù)檢測(cè)/控制電網(wǎng)品質(zhì)參數(shù)設(shè)備/環(huán)境狀態(tài)參數(shù)驅(qū)動(dòng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備環(huán)境控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)IEC60870-5；IEC61970IEC未作具體規(guī)定表二，電力調(diào)度系統(tǒng)和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的比擬圖一，CSM和現(xiàn)有系統(tǒng)的關(guān)系圖一，CSM和現(xiàn)有系統(tǒng)的關(guān)系CSM在電力調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)的平行位置，整合了目前所有的設(shè)備監(jiān)控功能，為此提供了一個(gè)基于工業(yè)自動(dòng)化的平臺(tái)：SIEMENS的工業(yè)自控和網(wǎng)絡(luò)方案，它可以涵蓋所有工業(yè)檢測(cè)和控制手段。為了不影響各自的業(yè)務(wù)，并保證可靠性和平安性，CSM和電力調(diào)度系統(tǒng)之間保持較弱的耦合關(guān)系，CSM的總結(jié)性計(jì)算結(jié)果，報(bào)警信號(hào)等以調(diào)度系統(tǒng)的通訊標(biāo)準(zhǔn)向調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送。在物理架構(gòu)上，CSM自成體系，獨(dú)立運(yùn)行，和調(diào)度系統(tǒng)成為對(duì)等系統(tǒng)；在邏輯關(guān)系上，CSM可以視為電力調(diào)度系統(tǒng)的一個(gè)SCADA子系統(tǒng)。見圖一。CSM的DTS技術(shù)DTS的工作原理光纖測(cè)溫的機(jī)理是依據(jù)后向拉曼(Raman)散射效應(yīng)。激光脈沖與光纖分子相互作用,發(fā)生散射，散射有多種，如瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和喇曼(Raman)散射等。其中喇曼散射是由于光纖分子的熱振動(dòng)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，稱斯托克斯(Stokes)光，和一個(gè)比光源波長(zhǎng)短的光，稱為反斯托克斯(Anti-Stokes)光。光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強(qiáng)發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對(duì)指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量。見圖二：圖二，DTS工作原理結(jié)合高品質(zhì)的脈沖光源和高速的信號(hào)采集與處理技術(shù)，就可以得到沿著光纖所有點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度值。用一個(gè)10ns延遲的激光脈沖，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)最大30km的光纖空間分辨率1m的溫度測(cè)量，也就是相當(dāng)于每個(gè)光通道上30,000個(gè)測(cè)量點(diǎn)?；谏厦娴脑恚植际焦饫w測(cè)溫技術(shù)特別適合于各種隧道的火災(zāi)和重要電纜的監(jiān)測(cè)：和傳統(tǒng)總線溫度檢測(cè)系統(tǒng)相比，DTS系統(tǒng)具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；可以連續(xù)的得到沿著測(cè)溫光纜幾千米的溫度，誤報(bào)和漏報(bào)率大大降低?？闺姶鸥蓴_，在高電磁環(huán)境中可以正常的工作。光纖由石英材料制造，不受任何外界電磁環(huán)境的干擾，并且本征平安。靈敏度高，測(cè)量精度高。壽命長(zhǎng)，本錢低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。光纖的材料為石英玻璃，其具有不腐蝕、耐火、耐水及壽命長(zhǎng)的特性，通?？梢苑?0年。綜合考慮傳感器的自身本錢以及以后的維護(hù)費(fèi)用，使用光纖傳感器可以大大降低整個(gè)工程的最終經(jīng)營(yíng)本錢。DTS系統(tǒng)由一臺(tái)低功耗的主機(jī)和無源的探測(cè)光纜構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)無動(dòng)態(tài)設(shè)備，電磁惰性，本質(zhì)無電磁干擾，因此具有很高的可靠性和適用性。Sentinel-DTS產(chǎn)品介紹英國(guó)Sensornet公司的Sentinel-DTS分布式光纖溫度系統(tǒng)是目前國(guó)際上最為先進(jìn)的DTS系統(tǒng)。Sentinel系列DTS代表著目前國(guó)際上的最高水平，無論在溫度分辨率、空間分辨率、測(cè)量距離，還是測(cè)量時(shí)間上都高于其他公司的產(chǎn)品，目前共包括6款產(chǎn)品，用戶可以針對(duì)自己的用途，選擇相應(yīng)的型號(hào)。其中DTS-Halo是一個(gè)低價(jià)值的性價(jià)比非常高的DTS系統(tǒng)；DTS-XR的測(cè)量距離到達(dá)了30km，但是空間分辨率和溫度分辨率都沒有下降，適合超長(zhǎng)距離隧道和地鐵隧道的火災(zāi)監(jiān)測(cè)與海底電纜的溫度在線監(jiān)測(cè)。此外Sentinel-DTS可以同時(shí)適應(yīng)于50/125μμm兩種多模光纖，Sensornet也可以提供基于單模光纖的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，可以廣泛用于那些單模光纖已經(jīng)安裝的場(chǎng)所。特點(diǎn)：整條光纖既傳輸信號(hào)又感應(yīng)被測(cè)量測(cè)試距離遠(yuǎn)：可達(dá)30km空間分辨率高：從10cm到1m℃內(nèi)置PC友好的用戶界面特殊設(shè)計(jì)的傳感光纜多種溫度報(bào)警方式嵌入的網(wǎng)絡(luò)接口和調(diào)制解調(diào)器具體型號(hào)如下：型號(hào)DTS-LiteDTS-SRDTS-MRDTS-LRDTS-XR(1)DTS-XR(2)光纖類型多模50/125μm多模50/125μm多模50/125μm多模50/125μm多模50/125μm單模9/125μm測(cè)量距離4581020km,3030km空間分辨率211m1m22m溫度分辨率<0.1oC0.01oCoCoC0.05oC<0.1oC測(cè)量時(shí)間15s10s10s10s10s10s通道數(shù)2,41,2,4和81,2,4和81,2,4和81,2,4和81,2,4和8探測(cè)光纜1〕Sensor-LSZH探測(cè)光纜是一個(gè)內(nèi)部50/125μm的多模光纖，用于連接高性能的Sentinel-DTS。Sensor-LSZH作為一個(gè)線型探測(cè)器，光纜本身就是傳感器，并且由于分布式的特性不會(huì)漏測(cè)任何點(diǎn)。外部為高性能的低煙無鹵素?zé)崴苄筒牧?，?nèi)部為不銹鋼管。此種光纜更加柔軟，便于安裝。同時(shí)也具有很好的熱傳導(dǎo)特性和抗腐蝕特性。光纖GI50/125多模光纖，外涂炳烯酸酯，

衰減＜2.7dB/Km@850nm,

帶寬>400MHz·km重量16kg/km不銹鋼管直徑(2-6mm可以任意定制)不銹鋼壁厚外部直徑4mm材料零鹵，低煙熱塑材料抗拉強(qiáng)度750N線性碾壓力30kg/cm引起~的變形溫度范圍-80~650oC(取決于光纖)標(biāo)準(zhǔn)IEC60332-3C2〕Sensor-T探測(cè)光纜是一個(gè)內(nèi)部50/125μm的多模光纖，外部為多層熱塑型材料。此種光纜更加柔軟，便于安裝。同時(shí)也具有很好的熱傳導(dǎo)特性和抗腐蝕特性。此外該光纜不帶有任何金屬結(jié)構(gòu)，完全無源，非常適合高壓電纜的溫度監(jiān)測(cè)。外護(hù)套芳綸紗外護(hù)套芳綸紗帶涂層的紅色和綠色光纖填充凝膠的松管?2,0mm光纜類型纖芯數(shù)2光纜重量20Kg/km光纜直徑mm最小彎曲半徑無拉力負(fù)載有拉力負(fù)載60mm80mm最大允許拉力長(zhǎng)期短期400N800N最大碾壓阻力400N/cm沖擊阻力20n重復(fù)彎曲度〔100N〕500n溫度范圍運(yùn)行/存儲(chǔ)溫度-40~+85安裝溫度-5~+50短期溫度-50~+150探測(cè)光纜的安裝對(duì)于高壓電纜〔一般只110KV及以上的〕的實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測(cè)，需要對(duì)每一個(gè)電纜敷設(shè)探測(cè)光纜，包括兩種方法：a〕光纜在電纜內(nèi)部，在電力電纜生產(chǎn)過程中，已經(jīng)將光纜做在電纜中，這種方法可以得到更加準(zhǔn)確的電纜溫度。電纜安裝好以后，主需將相應(yīng)位置的光纜熔接好。b〕光纜在電纜的外部，在電纜鋪設(shè)完畢后，在電纜外外表鋪設(shè)探測(cè)光纜，每隔或1m通過扎帶將其固定在電纜外外表，以保證探測(cè)光纜與電纜完全接觸。光纜在內(nèi)部?jī)?yōu)點(diǎn)：更接近電纜芯優(yōu)點(diǎn)：更接近電纜芯適合于排管缺點(diǎn)：連接困難光纜損耗大光纜在外部?jī)?yōu)點(diǎn)：安裝簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)：安裝簡(jiǎn)單接點(diǎn)少可以后安裝，可替換缺點(diǎn)：距離電纜芯更遠(yuǎn)需要復(fù)雜的模型電纜溝槽中，光纜在外部安裝圖。C〕對(duì)于三葉型電纜，只需將探測(cè)光纜安裝如下列圖所示的電纜連接處即可，并每隔或1m通過扎帶將其固定。探測(cè)光纜探測(cè)光纜DTS的應(yīng)用和需求長(zhǎng)期以來，高壓電纜的在線平安檢測(cè)的手段比擬缺乏，DTS一經(jīng)出現(xiàn)，立即成為該領(lǐng)域中比擬理想的方法。國(guó)外已有大量的應(yīng)用，目前DTS已經(jīng)在日本、韓國(guó)及歐洲多國(guó)等得到了成熟應(yīng)用，DTS技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用在近幾年才剛剛開始起步，目前在北京、貴州、福建等地區(qū)已有DTS的電纜監(jiān)控應(yīng)用，用戶反響良好，但是目前DTS系統(tǒng)可提供的功能局限于火警和顯在溫度異常報(bào)警，而電力電纜的專業(yè)用戶需要獲得比擬完整的解決方案，包括以下兩個(gè)內(nèi)容，一是實(shí)時(shí)分析DTS分布式數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)潛在的異常點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警，二是動(dòng)態(tài)地計(jì)算電纜許用電流，以更有效地利用電纜輸送能力，電纜的能力約束條件是線芯〔導(dǎo)體〕溫度不允許超過90/85℃，而DTS只能測(cè)量到電纜外表或絕緣層外的溫度，因此需要熱力學(xué)模型推導(dǎo)出線芯溫度；這項(xiàng)功能可以輔助負(fù)荷調(diào)度決策，適用于夏季峰值負(fù)荷的平安營(yíng)運(yùn)和日常調(diào)度安排。CSM根據(jù)以上的用戶需求，利用數(shù)學(xué)和電纜領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和軟件技術(shù)，在DTS上增加專業(yè)上位軟件，具有DTS數(shù)據(jù)分析，處理和展示功能，以全面滿足電纜平安監(jiān)測(cè)用戶的需求。實(shí)現(xiàn)了功能如下：多時(shí)間尺度實(shí)時(shí)掃描DTS的海量數(shù)據(jù)，搜索和發(fā)現(xiàn)潛在的早期熱征故障點(diǎn)。在線負(fù)荷平安監(jiān)測(cè)。可進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)荷平安水平監(jiān)測(cè)，當(dāng)前許用負(fù)載，運(yùn)行模型等計(jì)算。成為電力調(diào)度，峰值保證，提高電纜資產(chǎn)的利用率方面的有利工具。目前尚未見成熟的為DTS在電纜檢測(cè)方面開發(fā)的專業(yè)應(yīng)用方法。由于此項(xiàng)技術(shù)開發(fā)需要建立涉及多專業(yè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，技術(shù)難度較高，僅有少數(shù)公司局部地開發(fā)了有關(guān)的技術(shù)，采用IEC熱路模型的數(shù)值算法，可以計(jì)算當(dāng)前線芯溫度和電纜四十八小時(shí)內(nèi)的動(dòng)態(tài)許用電流。CSM中DTS技術(shù)特點(diǎn)多時(shí)間尺度掃描模型在市場(chǎng)上現(xiàn)有的各種DTS產(chǎn)品中，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜溫度的在線監(jiān)測(cè)和報(bào)警，但是存在功能弱，不能滿足電纜平安監(jiān)控的高要求的問題；其功能局限在火警和顯著溫度變化等所謂顯在溫度異常的監(jiān)測(cè)功能；CSM充分考慮了用戶需求和電纜熱故障機(jī)理，建立了一種稱之為DTS動(dòng)態(tài)掃描的模型和配套的異常判斷和報(bào)警機(jī)制，以發(fā)現(xiàn)電纜中具有異常的微弱的熱現(xiàn)象的點(diǎn)。這些微弱的異常，可能是電纜故障的早期信號(hào)，如能發(fā)現(xiàn)和定位，可極大的提高電網(wǎng)的預(yù)防性維護(hù)水平，做到故障預(yù)警，而不是象常規(guī)的火警探測(cè)系統(tǒng)或DTS顯式應(yīng)用，其報(bào)警為破壞已經(jīng)發(fā)生的事故報(bào)警。但由于早期故障信號(hào)能量小，容易被工作載荷的大尺度的波動(dòng)覆蓋，并且隱藏在數(shù)以千計(jì)的檢測(cè)點(diǎn)中，人工讀數(shù)或其他常規(guī)的方法是難以發(fā)現(xiàn)的；電纜的故障的開展機(jī)理見圖三；圖三，電纜故障的開展機(jī)理CSM的DTS動(dòng)態(tài)掃描模型，是根據(jù)故障機(jī)理，專門為發(fā)現(xiàn)該類早期異常點(diǎn)而開發(fā)的。特點(diǎn)主要為：采用了多時(shí)間尺度的獨(dú)立的掃描空間：由于電纜故障的熱異常的周期從幾個(gè)小時(shí)到幾周，要更早和更確定地發(fā)現(xiàn)它們，多時(shí)間尺度是必須的；在內(nèi)存上保持有各時(shí)間尺度DTS溫度數(shù)據(jù)，在新讀數(shù)的驅(qū)動(dòng)下，在多個(gè)時(shí)間尺度上同時(shí)刷新和掃描；異常點(diǎn)定義和發(fā)現(xiàn)；DTS無針對(duì)電纜異常點(diǎn)的定義，也無空間掃描的機(jī)制。目前DTS的異常判據(jù)是：各點(diǎn)dT/dt>Cr〔溫升速度大于閾值〕；當(dāng)Cr調(diào)整得比擬低時(shí)，電纜整體的正常溫度波動(dòng)〔比方日載荷波動(dòng)〕會(huì)觸發(fā)誤報(bào)警，所以無法發(fā)現(xiàn)較弱的溫度異常。事實(shí)上，電纜內(nèi)部的異常點(diǎn)是空間上的溫度異常點(diǎn)，具有幾何尺度特征，并分為靜態(tài)異常和動(dòng)態(tài)異常兩種；通過本模型的基于空間的掃描機(jī)制，可以發(fā)現(xiàn)那些隱藏在電纜整體正常溫度波動(dòng)的微弱溫度變化，而不易產(chǎn)生誤報(bào)警；為每個(gè)點(diǎn)建立行為特征記錄；在實(shí)踐中，電纜各點(diǎn)不可防止地受外界干擾，產(chǎn)生溫度波動(dòng)；記錄其溫度變化統(tǒng)計(jì)量，可以使系統(tǒng)了解該點(diǎn)的行為特征，以防止誤報(bào)警；建立靈敏而聰明的機(jī)制，必須包括這樣的數(shù)據(jù)記錄和智能判斷能力。報(bào)警分級(jí)機(jī)制：報(bào)警分三個(gè)級(jí)別：注意/預(yù)警/報(bào)警；可以建立異常/報(bào)警函數(shù)和日志數(shù)據(jù)庫(kù)。動(dòng)態(tài)載流量模型DTS測(cè)溫光纜附著在電纜外表或屏蔽層外側(cè)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)是所在位置的溫度；而用戶需要得到電纜線芯的溫度。電纜的載流量的關(guān)鍵限制條件是：XLPE絕緣材料的理化特性決定其只可工作在90或85攝氏度下，電纜線芯的工作溫度也被限制在90或85度；準(zhǔn)確知道線芯溫度，可以極大地方便電力部門進(jìn)行負(fù)荷調(diào)度決策。在100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)條件下，電纜外表溫度可以立即推算出線芯溫度，但在應(yīng)用場(chǎng)合，負(fù)載情況很復(fù)雜，而熱量由線芯傳導(dǎo)到外表的時(shí)滯比擬長(zhǎng)，因此無法使用靜態(tài)方法推斷實(shí)際電纜的導(dǎo)體溫度。本模型提供了一種動(dòng)態(tài)計(jì)算方法。其特征為：完全采用ICE60287和配套的傳熱偏微分方程的數(shù)值解法，可實(shí)時(shí)計(jì)算出由導(dǎo)體至電纜外表的溫度分布〔結(jié)點(diǎn)不小于25個(gè)〕，在任何時(shí)間步長(zhǎng)上計(jì)算都保持穩(wěn)定；模型為時(shí)變，極坐標(biāo)，溫度擴(kuò)散系數(shù)間斷的偏微分方程，數(shù)值算法要求為：差分，網(wǎng)格數(shù)〔從導(dǎo)體到電纜外表〕不少于25，時(shí)間步長(zhǎng)不確定，為保證計(jì)算的穩(wěn)定性采用隱式算法，可處理三種邊界條件等；結(jié)合上述模型和ICE60287，建立完整的電纜熱模型；并且采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法，分析DTS溫度和電流/熱量的關(guān)系，估計(jì)出周邊環(huán)境溫度和熱容貯備；為解上述高階隱式方程，和系統(tǒng)辨識(shí)方程，模型配置有矩陣計(jì)算工具；包括了電纜負(fù)荷/檢測(cè)溫度的系統(tǒng)模型辨識(shí)，可實(shí)時(shí)計(jì)算出電纜周邊溫度〔代表值〕，并依此推斷出短期內(nèi)許用電流裕量；包括了負(fù)載統(tǒng)計(jì)特性的計(jì)算，并依此可作出中長(zhǎng)周期的運(yùn)行模擬和負(fù)載預(yù)警；用戶可以自由給定未來負(fù)荷，模型將立即進(jìn)行仿真模擬，并給出溫度的估計(jì)；這項(xiàng)功能在電力調(diào)度，夏季峰值運(yùn)行保障上有重要的實(shí)用價(jià)值；本模型具有良好的通用性，可以適用于各種環(huán)境：電纜隧道，電纜排管，直埋，混合方式等，只須通過首次設(shè)定就可；對(duì)通用性的實(shí)現(xiàn)，是通過模型適應(yīng)多邊界條件計(jì)算方法和系統(tǒng)辨識(shí)的自適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)的；本模型已經(jīng)得到第三方的試驗(yàn)論證有關(guān)的流程CSM控制主程序是在MS.NET平臺(tái)上開發(fā)的完全面向?qū)ο蟮腤INDOW應(yīng)用程序。在主窗體線程之外，系統(tǒng)以固定的間隔分配CPU時(shí)間刷新后臺(tái)的電纜對(duì)象狀態(tài)〔實(shí)時(shí)線程〕，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性。系統(tǒng)流程見圖四。圖四，CSM系統(tǒng)流程CSM的數(shù)據(jù)接口負(fù)責(zé)和下層子系統(tǒng)的通訊和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)載入；系統(tǒng)以固定的節(jié)拍啟動(dòng)該模塊線程，掃描子系統(tǒng)狀態(tài)并接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步觸發(fā)對(duì)象狀態(tài)的刷新過程。該模塊完成數(shù)據(jù)邏輯轉(zhuǎn)換，使其指向具體的電纜對(duì)象。該模塊是唯一一個(gè)根據(jù)具體工程或不同的子系統(tǒng)編寫的。統(tǒng)計(jì)預(yù)處理模塊對(duì)讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理，確認(rèn)數(shù)據(jù)的完整性和一致性，并得到DTS分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性〔溫度瓶頸值〕發(fā)送給DTS模型。而且為完成DCR的模擬運(yùn)行和熱負(fù)荷預(yù)警，必須掌握負(fù)荷統(tǒng)計(jì)特性，這一過程也是在這里完成的。參數(shù)設(shè)定模塊用于用戶參數(shù)的輸入〔如電纜型號(hào)，敷設(shè)條件，環(huán)境條件等〕；通常這一過程在電纜對(duì)象狀態(tài)建立之初完成；用戶為進(jìn)行模擬運(yùn)行，也會(huì)在此給定參數(shù)。仿真發(fā)生模塊基于負(fù)荷統(tǒng)計(jì)特性和用戶給定參數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)模擬的負(fù)荷序列和假定環(huán)境狀態(tài)。DTS數(shù)據(jù)經(jīng)快速統(tǒng)計(jì)預(yù)處理后，就進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描以發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)。動(dòng)態(tài)掃描模型基于電纜故障的時(shí)間尺度和空間尺度的特性，比對(duì)新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶設(shè)定的報(bào)警值，作出平安狀態(tài)評(píng)估/產(chǎn)生報(bào)警或提示等；DCR動(dòng)態(tài)載流量模型在用戶給定必要的參數(shù)后初始化電纜的熱物理狀態(tài)；輸入DTS瓶頸值/電纜電流/環(huán)境參數(shù)等可實(shí)時(shí)更新該狀態(tài)，并辨識(shí)環(huán)境溫度對(duì)電纜載荷的響應(yīng)。輸出為實(shí)時(shí)的電纜內(nèi)部溫度場(chǎng)分布和周邊環(huán)境參考溫度和當(dāng)前電流裕量，并在給定的未來載荷的條件下，作出電纜狀態(tài)的預(yù)測(cè)，到達(dá)模擬運(yùn)行的效果；基于上述兩個(gè)核心功能，可支持主要的四個(gè)最終用戶的功能：火情監(jiān)測(cè)/異常監(jiān)測(cè)/動(dòng)態(tài)載流量/運(yùn)行模擬；由于四個(gè)功能屬性差異較大，都須輸入性質(zhì)不同的給定值/閾值，因此制成單獨(dú)的功能模塊，彼此之間不耦合?；鹎楸O(jiān)測(cè)/異常監(jiān)測(cè)輸出可通過數(shù)據(jù)接口向輔助子系統(tǒng)給出報(bào)警輸出，實(shí)現(xiàn)需要的遠(yuǎn)程報(bào)警或執(zhí)行；本地的報(bào)警輸出/執(zhí)行主要用于實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音/短消息報(bào)警；至此，系統(tǒng)可以一方面執(zhí)行實(shí)時(shí)線程刷新狀態(tài)，評(píng)估平安狀態(tài)或產(chǎn)生報(bào)警，同時(shí)主窗體線程響應(yīng)用戶事件，進(jìn)行狀態(tài)顯示，信息查詢，模擬運(yùn)行等；用戶圖形化界面在目前的基于DTS的通用軟件中，多處采用數(shù)據(jù)表格的方式來展現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，不能夠直觀地展示監(jiān)控結(jié)果，會(huì)嚴(yán)重影響使用效果和用戶決策效率。CSM的MSChart風(fēng)格的圖形控件，見圖五，專門用于DTS海量數(shù)據(jù)的顯示和分析，可以實(shí)現(xiàn)以下的功能：DTS分布式數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新；刷新策略保證防止不必要的CPU占用和比擬快的響應(yīng)；事件/重要統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的屏幕標(biāo)注；給用戶快捷的指示；響應(yīng)鼠標(biāo)事件局部放大DTS分布式數(shù)據(jù)，用戶可以最正確比例查看電纜局部的溫度分布和統(tǒng)計(jì)值；在同一圖上展現(xiàn)電纜對(duì)象的多維狀態(tài)數(shù)據(jù)曲線；圖五用戶圖形界面例如SIEMENS設(shè)備監(jiān)控平臺(tái)現(xiàn)有的DTS的電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)把DTS作為一個(gè)孤立的系統(tǒng)，獨(dú)立于其他監(jiān)控設(shè)施工作。實(shí)際工作中，電纜的平安監(jiān)測(cè)還可以包括其他傳感器，如隧道水位，關(guān)鍵區(qū)域視頻監(jiān)測(cè)，局部放電偵聽等；用戶可能希望系統(tǒng)能自動(dòng)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的某些設(shè)備，如照明，通風(fēng)，排水，消防設(shè)備等。只有包括這些傳感器輸入和執(zhí)行輸出，才可形成一套面向區(qū)域平安責(zé)任的的電力輸配電領(lǐng)域的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。SIEMENS提供了整合所有這些功能的工業(yè)控制平臺(tái)，包括可以相互融合PROFIBUS系列的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)、PROFINET的工業(yè)以太網(wǎng)和SINUT遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，SIMATIC控制解決方案，以及多種工業(yè)傳感器，電機(jī)控制/變頻器，照明控制等。這些技術(shù)是業(yè)內(nèi)高度可靠性和先進(jìn)性的代表，可以迅速搭建滿足各種用戶需求的可伸縮的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。CSM通訊平臺(tái)默認(rèn)采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)和PROFINET工業(yè)總線，使用完全防電磁干擾的光通訊媒體或必要時(shí)采用無線通訊方法。PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET是用于工業(yè)自動(dòng)化革新和開放的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，可將現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備一直連接到管理層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)范圍內(nèi)的通訊，并支持現(xiàn)場(chǎng)到調(diào)度中心的工程和組態(tài)，直到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)均采用IT標(biāo)準(zhǔn)，形成一網(wǎng)到底的通訊模式。PROFIBUS等現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線很容易集成，而無需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)。在實(shí)時(shí)通訊方面，使用TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行參數(shù)化，組態(tài)和診斷。用于傳輸有用/過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊在同一條總線上進(jìn)行?；诠I(yè)以太網(wǎng)的開放式標(biāo)準(zhǔn)可以滿足工業(yè)環(huán)境中的所有相關(guān)要求。在WEB集成方面，PROFINET組件的數(shù)據(jù)以HTML或XML格式表示。自動(dòng)化級(jí)的信息可通過瀏覽器在異地訪問，還可以大大簡(jiǎn)化和調(diào)度系統(tǒng)的通訊過程。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一〔IEC61158.3、JB/T10308.3-2001〕，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷開展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商所生產(chǎn)的設(shè)備不需要對(duì)接口進(jìn)行特別的處理和轉(zhuǎn)換就可以通信。12M的通信速率和可靠的通信質(zhì)量(海明距離=4)，強(qiáng)大的通信功能，支持基于總線的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和符合IEC61508的總線平安通信技術(shù)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(最多支持126個(gè)總線站，網(wǎng)絡(luò)規(guī)格可達(dá)90公里)。PROFIBUS協(xié)議包括三個(gè)主要局部：PROFIBUSDP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信。CSM的常規(guī)監(jiān)控任務(wù)(非DTS和非火災(zāi)系統(tǒng))均采用該類總線實(shí)現(xiàn)。PROFIBUSPA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊。主要應(yīng)用于防爆或無本地電源檢測(cè)場(chǎng)合。PROFIBUSFMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過程數(shù)據(jù)交換。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成主要有由以下三個(gè)局部：PROFIBUS主站(一類主站，必需：SIMATICPLC、支持主站功能的通訊處理器、IE/PB鏈路模塊、ET200S/ET200X的主站模塊等)，PROFIBUS從站〔ET200系列分布式I/O、支持DP接口的傳動(dòng)裝置、支持從站功能的通訊處理器、其它支持DP接口的輸入、輸出或智能設(shè)備等〕，PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)部件等。用PROFIBUS連接的系統(tǒng)由主站和從站組成，主站能控制總線，當(dāng)主站獲得總線控制權(quán)后，可以主動(dòng)發(fā)送信息。從站通常為傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和變送器。它們可以接受信號(hào)并給予響應(yīng)，但沒有控制總線的權(quán)力。PROFIBUS還支持多主/多從的模式，在該模式下，主站之間按令牌方式傳遞總線控制權(quán)。SIMATICPLCCSM默認(rèn)采用SIMATICPLC3152-DP為常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控模塊。可以非常好地滿足和適用各種自動(dòng)化任務(wù)。它具有簡(jiǎn)單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活。當(dāng)任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展。具有中等規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)運(yùn)算具有較高的處理能力。它是PROFIBUSDP的站點(diǎn)，可用于大規(guī)模和分布式的I/O。數(shù)字量通道輸入輸出各16384個(gè)，模擬量通道輸入輸出各1024個(gè)，浮點(diǎn)運(yùn)算小于3微秒。CSM中設(shè)計(jì)程序掃描周期小于200毫秒。在CSM中SIMATICPLC和ET200分布I/O通過PROFIBUSDP構(gòu)成一個(gè)或假設(shè)干總線控制系統(tǒng)〔FCS〕，形成CSM的輔助子系統(tǒng)，專門負(fù)責(zé)處理類似排水、通風(fēng)等常規(guī)環(huán)境控制任務(wù)，形成多DTS功能的重要補(bǔ)充。常規(guī)〔非DTS〕監(jiān)控任務(wù)CSM采用SIEMENS的PROFINE工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)控任務(wù)，包括DTS溫度監(jiān)測(cè)和非DTS的常規(guī)監(jiān)控，如水位監(jiān)控，通風(fēng)控制，照明控制，紅外熱像監(jiān)視，消防設(shè)備聯(lián)動(dòng)等，使控制中心人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有充分的監(jiān)視和控制，提供了現(xiàn)場(chǎng)無人職守的物質(zhì)保障。水位監(jiān)控CSM集成對(duì)隧道，溝道或其他電纜地下設(shè)施的水位監(jiān)視和控制。這是通過上述PLC輔助子系統(tǒng)完成的。CSM默認(rèn)使用SIEMENS的SITRANSProbeLU非接觸式超聲波液位傳感器為檢測(cè)部件，WILDON電動(dòng)隔膜泵為排水設(shè)備。SITRANSProbeLU是二線制一體化超聲波液位計(jì)，測(cè)量?jī)?chǔ)罐和簡(jiǎn)單過程容器中液體的液位、體積和流量，同時(shí)也可用于明渠。SITRANSProbeLU量程為6m或12m。使用自動(dòng)虛假回波抑制技術(shù)可防止固定的障礙物的影響，提高聲/噪比，使精度到達(dá)量程的0.15%或6mm，ProbeLU提供無比的可靠性。其包括經(jīng)過無數(shù)現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)證的聲智能信號(hào)處理技術(shù)，結(jié)合新的回波處理特性和最新的微處理器和通訊技術(shù)。ProbeLU的傳感器為ETFE或PVDF材質(zhì)，可適合化學(xué)腐蝕。ProbeLU內(nèi)置的溫度傳感器可以對(duì)不同的溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。連續(xù)液位測(cè)量，最大量程12m安裝方便，啟動(dòng)簡(jiǎn)單帶HART通訊ETFE或PVDF傳感器抗化學(xué)腐蝕專利的聲智能信號(hào)處理很高的信/噪比自動(dòng)虛假回波抑制技術(shù)防止固定的障礙物的影響CSM提供SIMATIC本地控制器，形成水位本地控制回路；在CSM監(jiān)控站，實(shí)時(shí)顯示水位和泵工作狀態(tài)，可手動(dòng)啟停排水泵。水位過高，泵故障都會(huì)生成報(bào)警信號(hào)。通風(fēng)控制通風(fēng)控制也是CSM通過輔助子系統(tǒng)完成的。排風(fēng)系統(tǒng)主要面臨三項(xiàng)任務(wù)：當(dāng)電纜隧道溫度過高時(shí)〔如大于40C〕，應(yīng)換風(fēng)冷卻；定期換風(fēng)，以防止隧道內(nèi)有害氣體的積累；在出現(xiàn)火警時(shí)，按照預(yù)案停啟通風(fēng)。CSM通過檢測(cè)隧道空氣溫度，結(jié)合用戶邏輯，可以完全實(shí)現(xiàn)上述功能的自動(dòng)化。還可以通過檢測(cè)大氣溫度，智能地決定通風(fēng)冷卻的最正確方案，如在夏季夜間或較低溫度的天氣時(shí)預(yù)先通風(fēng)降溫。類似水位監(jiān)測(cè)，CSM跟蹤和顯示風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，當(dāng)其故障時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)。CSM系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CSM是跨越單元級(jí)至控制級(jí)的SCADA子系統(tǒng)，為用戶面向預(yù)防性維護(hù)的電纜平安監(jiān)控解決方案。CSM采用西門子控制平臺(tái)，是集傳感器技術(shù)，自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通訊技術(shù)及測(cè)量技術(shù)與一體的先進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)，它可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、傳輸和分布式管理。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)層次組成：場(chǎng)儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括各種溫度、水位、電氣信號(hào)等檢測(cè)變送器和各種如電機(jī)驅(qū)動(dòng)，開關(guān)等執(zhí)行器；DTS是該層核心設(shè)備。DTS雖然物理規(guī)模較大，其屬于現(xiàn)場(chǎng)單元。站控系統(tǒng)：可以通過直接I/O方式或現(xiàn)場(chǎng)總線與具備這種總線的智能儀表、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接兩種方式與現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制設(shè)備連接，兩種方式均可實(shí)時(shí)采集所需要的各參數(shù)。可以按照用戶的要求增加，實(shí)現(xiàn)其他信號(hào)的輸入輸出；通訊控制層：由通訊主機(jī)和通訊終端機(jī)組成，起著連接站控系統(tǒng)和調(diào)度管理層的作用，可選用多種通訊信道和通訊協(xié)議，具有糾錯(cuò)、加密功能：輪巡、搶發(fā)、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。在現(xiàn)場(chǎng)層CSM采用了西門子PROFIBUS-DP/PA，PROFINET遠(yuǎn)程方案，在其以上層次使用標(biāo)準(zhǔn)的和基于XML的通訊格式。管理層：位于調(diào)度控制中心，是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為運(yùn)行平臺(tái)的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，通過通訊主機(jī)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)連接，一方面接收來自站控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，另一方面可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)在本層還可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定系統(tǒng)的通訊方式，主要完成管線〔網(wǎng)〕監(jiān)控、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、分析決策等功能。CSM的調(diào)度管理層為CSM2006系統(tǒng)軟件，包括了IEC60287電纜負(fù)荷分析器和異常判斷模型，和報(bào)警/控制輸出和事件記錄等功能，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜全面的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析決策?；陔娏ιa(chǎn)和輸送管理對(duì)平安性和可靠性的苛求，本方案按照如下原那么構(gòu)建：平安性；完全遵循有關(guān)的IEC標(biāo)準(zhǔn)和其他平安要求?？煽啃?；包括軟硬件選型和運(yùn)用的方法確定；模塊化；各模塊功能明確，界面和層次清楚，具備互換性。合理控制各模塊復(fù)雜性；可擴(kuò)充性，低維護(hù)/免維護(hù)設(shè)計(jì)。完整性；是一個(gè)完整可以獨(dú)立工作的SCADA系統(tǒng)，它與原有系統(tǒng)有良好接口，合理分工，并在整體構(gòu)架上保持一致；系統(tǒng)功能采用通用的SIEMENS工業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)，形成完整的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，可按完全用戶需求配置監(jiān)控任務(wù)。CSM選用世界高端的SENSORNET的SENITELDTS主機(jī)；采用符合IEC60287和IEC853的計(jì)算方法和偏微分方程的數(shù)值解法，建立每回路電纜建立負(fù)載模型；實(shí)時(shí)計(jì)算電纜截面溫度場(chǎng)和電流裕量和進(jìn)行用戶運(yùn)行模擬。電纜截面溫度場(chǎng)模型結(jié)點(diǎn)不小于25個(gè)，計(jì)算精度+/-2度，凈單位計(jì)算周期不大于350毫秒。模擬時(shí)間跨度不小于未來28天；建立了DTS數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)掃描模型；模型分三個(gè)時(shí)間尺度實(shí)時(shí)掃描DTS檢測(cè)值，既滿足顯在故障的快速響應(yīng)，有具備發(fā)現(xiàn)潛在的早期故障點(diǎn)的條件，同時(shí)具備實(shí)時(shí)性和預(yù)防性維護(hù)的條件。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理，過濾掉電纜負(fù)載周期性變化〔如日負(fù)載曲線〕和系統(tǒng)噪音對(duì)電纜溫度的影響，可以發(fā)現(xiàn)變化很小的溫度異常點(diǎn)。對(duì)顯在快速變化響應(yīng)時(shí)間〔從讀入到響應(yīng)〕不大于100毫秒/千米；在SENITEL的DTS主機(jī)平臺(tái)上，可發(fā)現(xiàn)0.3度/天的溫度異常遷移;提供適應(yīng)現(xiàn)有城網(wǎng)中心站的工作容量;最多可處理16個(gè)DTS光纜通道,32個(gè)回路,總長(zhǎng)160公里測(cè)溫光纜;在滿容量下純系統(tǒng)滯后不大于5秒;提供三級(jí)報(bào)警機(jī)制，注意/預(yù)警/報(bào)警；全面圖形化用戶界面；使用便捷；目前絕大局部DTS光纖測(cè)溫系統(tǒng)采用通用的DTS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，LS的R-TAS是目前極少〔局部地〕具有電纜專業(yè)監(jiān)控功能的應(yīng)用系統(tǒng)。CSM與它們的功能比照方下：工程CSMLS的R-TAS通用DTS系統(tǒng)火警報(bào)警有有有顯著溫度異常報(bào)警有有有潛在〔弱〕溫度異常點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制有無無報(bào)警分級(jí)機(jī)制有無無動(dòng)態(tài)載流量-計(jì)算電纜溫度場(chǎng)，短期電流裕量,<48hr有有無動(dòng)態(tài)載流量-運(yùn)行模擬仿真有無無用戶圖形界面完善不完善不完善兼容標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制系統(tǒng)有無無多電纜回路為對(duì)象的用戶視圖有無無按用戶環(huán)境快速定制可以不可以不可以包含常規(guī)〔非DTS〕監(jiān)控任務(wù)內(nèi)置無無系統(tǒng)例如圖六給出了一個(gè)CSM的實(shí)例，其關(guān)鍵參數(shù)如下：測(cè)溫主機(jī)：SENTINELDTS/SR，測(cè)距5.0千米；全局測(cè)溫精度：+/-1C對(duì)應(yīng)周期不大于30秒；全局空間分辨率：1米對(duì)應(yīng)周期不大于30秒；全局火警響應(yīng)時(shí)間：不超過30秒；主要功能描述如下：以圖表顯示和比照所有重要數(shù)據(jù)；以圖表實(shí)時(shí)顯示各電纜全長(zhǎng)每一點(diǎn)外表溫度；以圖表實(shí)時(shí)顯示各電纜在三個(gè)時(shí)間尺度下，指示每一點(diǎn)溫度變化和異常情況；以圖表實(shí)時(shí)顯示各電纜峰值外表/線芯/環(huán)境溫度和電流變化曲線；計(jì)算當(dāng)前電纜負(fù)載和環(huán)境熱物理的狀態(tài)，并推算未來電纜外表/線芯溫度變化情況；按用戶設(shè)定的負(fù)載對(duì)未來不小于28天內(nèi)進(jìn)行模擬仿真計(jì)算；判斷電纜熱載荷〔外表/導(dǎo)體溫度及其變化率〕正常與否，并報(bào)警/預(yù)警/指示；支持多種報(bào)警方式，可按用戶要求短消息報(bào)警；支持現(xiàn)場(chǎng)總線和對(duì)各種設(shè)備的完全控制，可按用戶的要求增加現(xiàn)場(chǎng)總線和遠(yuǎn)程I/O以連接傳感器和對(duì)通風(fēng)/排水設(shè)備的控制輸出；圖六，CSM實(shí)例系統(tǒng)圖附錄1：CSM參數(shù)表類別工程描述整體標(biāo)準(zhǔn)符合有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定；計(jì)算方法均采用IEC60287和IEC關(guān)于動(dòng)態(tài)載流量參考方法；IEC60870-5標(biāo)準(zhǔn)系列，國(guó)家電力通訊規(guī)約；冗余測(cè)溫子系統(tǒng)30%可用冗余,擴(kuò)展的光路開關(guān)或光纜長(zhǎng)度可使用該冗余；輔助其他子系統(tǒng)和全局系統(tǒng)冗多余不小于50%；使用環(huán)境主站為室內(nèi)型，溫度0-35度，濕度不大于90%；電源220V+/-10%，50Hz測(cè)溫光纜型號(hào)CSM-OC3NLT；125/50多模3芯松套隧道用附著固定PP松扣，間距6米工作溫度-20℃–熱特性導(dǎo)熱時(shí)間常數(shù)約15秒現(xiàn)場(chǎng)總線總體提供1024個(gè)模擬量和16000個(gè)開關(guān)量標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出總線CPU西門子PLC315-2DP；媒體20M光纖遠(yuǎn)程I/OET200M系列/光轉(zhuǎn)換模塊DTS主機(jī)型號(hào)SENTINELHalo/SR/MR/LR/XR測(cè)溫距離0.0千米檢測(cè)精度+/-1℃空間分辨率1-2米〔在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)掃描周期下〕掃描周期標(biāo)準(zhǔn)周期10-30秒/光通道；光路切換開關(guān)1X4；IL系統(tǒng)主機(jī)平臺(tái)HP380Server，WIN-XP，19寸液晶顯示器核心模塊版本CSM2006R實(shí)時(shí)性主系統(tǒng)掃描周期1秒，滿載滯后不大于5秒火警功能火警A模式；整體響應(yīng)時(shí)間不大于30秒異常掃描功能包括；同時(shí)在三個(gè)時(shí)間尺度上掃描溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；動(dòng)態(tài)載流量功能包括；計(jì)算導(dǎo)體溫度，電流裕量等；數(shù)據(jù)保存分布溫度數(shù)據(jù)保存節(jié)拍15分鐘；載荷數(shù)據(jù)節(jié)拍1分鐘，可保存不少于5年的歷史數(shù)據(jù)外部通訊IEC60970，PROFINET報(bào)警分注意/預(yù)警/警報(bào)三個(gè)等級(jí)；用戶可更改報(bào)警閾值附錄2：SENSERNETDTS應(yīng)用業(yè)績(jī)國(guó)內(nèi)局部南京城建集團(tuán)隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)電纜隧道監(jiān)測(cè)，2.4km。安裝方法：隧道/電纜隧道頂部懸掛吊裝；清華同方德黑蘭地鐵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),總長(zhǎng)44km，2臺(tái)DTS-XR。安裝方法：地鐵隧道頂部安裝；南方電網(wǎng)貴州某變電站電纜/電纜管溝監(jiān)測(cè)，6.9km。安裝方法：沿電纜和電力管溝直線敷設(shè)光纜；北京電力公司東北郊變電站220kv電纜溫度監(jiān)測(cè)，總長(zhǎng)20km，1臺(tái)DTS-XR。安裝方法：沿電纜外表安裝和電纜隧道頂部吊裝。北京電力公司黃寺變電站等220kv電纜溫度監(jiān)測(cè)，總長(zhǎng)150km，4臺(tái)DTS-XR。 安裝方法：沿電纜外表安裝；重慶電纜長(zhǎng)220kv電纜溫度測(cè)量，1臺(tái)DTS-Halo；深圳灣大橋電纜隧道溫度監(jiān)測(cè)和火災(zāi)報(bào)警，總長(zhǎng)4km，1臺(tái)DTS-Halo。安裝方法：沿電纜隧道頂部安裝；廣東新粵交通，7.2km。安裝方法：公路隧道頂部安裝；天津港皮帶長(zhǎng)廊軸溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),4km。安裝方法：通過定制夾具固定在每個(gè)托輥軸上；三峽大學(xué)科研，DTS-SR科研，混凝土埋入；勝利油田油井測(cè)溫，4km；遼河油田油井測(cè)溫，1km，DTS-LR,高溫達(dá)300C安裝方法：沿油井垂直向下敷設(shè)；南水北調(diào)工程混凝土溫度監(jiān)測(cè)，500m；山東大學(xué)科研，DTS-SR；南京大學(xué)凍土溫度監(jiān)測(cè)。------國(guó)外局部澳大利亞Olex電纜隧道監(jiān)測(cè)，4.5km+0.8km。安裝方法：光纜已經(jīng)制作在電纜內(nèi)部；法國(guó)EDF電纜溫度監(jiān)測(cè),2.5km。安裝方法：電纜外外表；英國(guó)Energis電纜的溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)，320km。安裝方法：光纜已經(jīng)制作在電纜內(nèi)部；意大利Pr