CN204007705U - 一种光纤光栅变压器在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤光栅变压器在线监测系统，监测系统包括至少一个监测单元、通讯端口和监测电脑；所述通讯端口分别与监测电脑和至少一个监测单元连接；每个监测单元包括光开关动作装置和通过光纤连接的光纤光栅解调仪、至少一个传感单元；每个传感单元包括依次连接形成闭环结构的光纤光栅传感串、1×1光开关和1×2光纤分束器。该系统具有高可靠性、高扩展性、断纤后传感器自动寻址、自动化程度高等特点，同时实现了远程监控光纤光栅传感串状态的功能。

Description

一种光纤光栅变压器在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种电力变压器在线监测技术，具体讲涉及一种光纤光栅变压器在线监测系统。

背景技术

电力系统中的重要设备电力变压器机械振动、绕组温度、铁芯温度和油温等的高低直接反映了变压器的绝缘性和老化率，进而影响电力系统的安全运行。正常情况下，热点温度的常用基准值为98℃。老化率表征了老化与温度之间的关系，表示在基准温度上每上升6℃老化率增加一倍，每下降6℃寿命可延长一倍。热点温度如果超过允许值，不仅会影响变压器的使用寿命，还会造成变压器的安全运行相关事故。因此，需实时监测变压器内部的温度，以此预警并采取有效的措施，有效减少相应的事故，并能有效延长变压器使用寿命，保障电网安全稳定运行。

监测变压器主要用电类传感和红外监测绕组温度。这些电类传感器如热电偶、电阻温度计等，容易受到电磁干扰，测量准确性不高。而非接触的红外测温虽然灵敏度和准确度高，但却容易受到背景环境和电磁场的干扰，不仅需要人工定期现场检测，而且无法达到准确实时的在线监测要求。因为红外测温仪只能测量变压器表面的温度，不能正确反映变压器内部温度场分布情况，与变压器内部真实温度误差较大。

最近几年应用在电力系统中的光纤传感系统监测方法，具有光纤传感器本身具有防爆、绝缘、抗电磁干扰、质量轻、体积小、耐腐蚀、防水、集传感与传输于一体，长期稳定性好、传感准确度和灵敏度极高，易于多点分布测量，并可单线多路复用，构成传感网络和阵列，便于波分时分复用及分布式传感，易于实现远距离在线监测等优势。其中光纤光栅传感主要用于点式传感监测，而且光纤光栅传感监测范围广，可以监测温度、压力压强、应力应变、加速度、倾角、振动等。

但是，光纤传感也有不可避免的缺陷，传感光纤是直径类如头发丝般的玻璃丝，难于避免断纤。并且，变压器中恶劣的应用环境及复杂工况，给光纤传感系统提出了可靠性提出了苛刻要求。不仅如此此，电网中布置的各类传感监测系统一般是相互独立难于集成的，如荧光光纤传感监测系统、分布式光纤传感监测系统、电磁类传感监测系统等，这些独立的系统无法实现统一监控管理，给电网技术人员进行维护带来极大的不便。

目前，用于变压器光纤光栅传感系统的现有技术主要是传感监测单元，而对于光纤光栅传感系统与电网通信的适应性、传感网络的可靠性、传感监测的扩展性融合性诸方面需要大大提高。例如CN 101949744 B号的名为“基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统”的专利披露了一种将光纤光栅应用于变压器监测的基本模型的技术方案。专利申请公布号为CN101917230 B、名为“大容量的可自愈光纤传感网络”的专利文件公开了一种理论性的普适传感网络的技术方案，因此需要提供一种适应性强、使用方便、应用范围广的变压器在线监测系统。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种光纤光栅变压器在线监测系统，本实用新型面向变压器智能监测的具体应用，该系统与电网中其它传感监测系统有良好的融合性，并且较其它传感系统有更高的可靠性和扩展性。

本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：

本实用新型提供一种光纤光栅变压器在线监测系统，所述监测系统包括监测单元、通讯端口和监测电脑；其改进之处在于，所述通讯端口分别与监测电脑和监测单元连接；监测单元包括光开关动作装置和通过光纤连接的光纤光栅解调仪、传感单元；传感单元包括依次连接形成闭环结构的光纤光栅传感串、1×1光开关和1×2光纤分束器。

进一步地，所述光纤光栅传感串的两端分别与光纤分束器的一端的一个分支和光开关的一端连接；光开关的另一端与光纤分束器的一端的另一个分支连接；光纤分束器第三端与所述光纤光栅解调仪连接；所述光开关动作装置一端与光纤光栅解调仪连接，另一端跟光开关构成联动机构；所述通讯端口将数据输送给监测电脑。

进一步地，所述光纤光栅传感串由首尾串联的光纤光栅传感器组成，所述光纤光栅传感器为双端输入输出的光纤光栅传感器。

进一步地，所述双端输入输出的光纤光栅传感器包括应力应变传感器、压力压强传感器和加速度传感器。

进一步地，所述1×2光纤分束器的分光比为50:50。

进一步地，所述监测单元为光纤光栅传感监测单元、荧光光纤传感技术监测单元、分布式光纤传感技术监测单元或电磁类传感技术监测单元。

进一步地，所述光纤光栅解调仪是基于F-P原理的静态解调仪或是基于M-Z原理的动态解调仪。

与现有技术比，本实用新型达到的有益效果是：

1、针对变压器状态监测的光纤传感系统的可靠性和各种光纤传感监测和电磁传感监测系统的融合性较差的问题，提出了一种可靠性更高和可扩展性更好的光纤传感监测系统，用于监测变压器的健康状况，乃至其他变电设备的健康状况。

2、一种光纤光栅变压器在线监测系统的高可靠性是针对光纤光栅监测单元。其高可靠性能主要体现在：①当某个传感单元发生一次断纤时，光纤光栅解调仪会下达命令闭合光开关，从而失联光纤光栅传感器重新接入同一台解调仪的同一通道工作，能够实现传感器自动寻址。②当某个传感单元发生多次断纤时，光纤光栅解调仪下达命令闭合光开关，使得传感串两端仍连接的传感器继续工作，中间部分传感器丧失功能。两种断纤工作情况见图4所示。③断纤后，光纤光栅解调仪会警示断纤情况及位置，方便今后变压器大修时进行监测系统的维护。

3、一种光纤光栅变压器在线监测系统的易扩展性能主要是在系统功能和系统规模两方面来实现的：1)系统功能方面，①在传感单元的传感器可以是各种物理量的光纤光栅传感器；②在传感单元传感器数量未饱和情况下，可以增加光纤光栅加速度、压力压强等不同物理量的传感器用于变压器、乃至变电站健康状况监测；③由于采用了兼容性很强的通讯端口和监测电脑，从而很好地实现了不同传感技术的监测单元的融合性，便于采用非光纤传感监测(如电磁类等)单元弥补光纤传感监测单元无法实现的功能。2)系统规模方面，采用了通讯端口，可以任意增加若干整套监测单元，从而进一步提高了变压器或变电站监测的升级改造能力。

本实用新型具有如下优点：

(1)具有光纤传感的防爆、绝缘、抗电磁干扰、质量轻、体积小、耐腐蚀、防水、集传感与传输于一体，长期稳定性好、传感准确度和灵敏度极高，易于多点分布测量，并可单线多路复用，构成传感网络和阵列，便于波分时分复用及分布式传感，易于实现远距离在线监测。

(2)所述传感系统具有断纤后自动恢复功能和传感串健康状况警示功能，增强了传感监测系统的可靠性。

(3)所述传感系统中的通讯端口留有若干开放接口，可以扩展各种光纤传感监测单元以及非光纤传感监测单元。

(4)该系统对每个传感单元进行监测及控制，提高了系统的自动化程度和传感单元状态认知度，便于失联传感器自动寻址。

附图说明

图1是本实用新型提供的光纤光栅变压器在线监测系统结构图；其中：1-监测电脑；2-通讯端口；3-光纤光栅解调仪；4-1×2光纤分束器；5-1×1光开关；6-光纤光栅传感器；7-光开关动作装置；8-光纤光栅传感串；9-传感单元；10-监测单元；

图2是本实用新型提供的监测系统的单个监测单元示意图；

图3是本实用新型提供的光纤光栅变压器在线监测系统的工作逻辑示意图；

图4是本实用新型提供的光纤光栅变压器在线监测系统断纤情况逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实用新型提供的光纤光栅变压器在线监测系统结构图如图1所示，该系统包括监测电脑1、通讯端口2和若干个监测单元10，每个监测单元10包括光开关动作装置7和通过光纤连接的光纤光栅解调仪3以及若干个传感单元9，每个传感单元9包括光纤光栅传感串8、1×1光开关5和1×2光纤分束器4，光纤光栅传感串8是用于变压器顶层油温、底层油温、铁芯温度、母线排温度、绕组温度和振动等监测的光纤光栅传感器6首尾串联在一起的完整一串。光纤光栅传感器6为双端输入输出的光纤光栅传感器。双端输入输出的光纤光栅传感器6包括应力应变传感器、压力压强传感器和加速度传感器。1×2光纤分束器4的分光比为50:50。光纤光栅解调仪3是基于F-P原理的静态解调仪，若监测动态信号则采用基于M-Z原理的动态解调仪。

该系统的单个监测单元结构如图2所示，光纤光栅传感串8的一端a与光纤分束器4的一端的一个分支c连接；光纤光栅传感串8的另一端b与光开关5的一端e连接；光开关5的另一端f与光纤分束器4的一端的另一个分支d连接；光纤分束器另一端g与光纤光栅解调仪3连接；光纤光栅解调仪3的信号输送给监测电脑1；光开关动作装置7一端与2光纤光栅解调仪3连接，另一端跟光开关5构成联动机构；通讯端口2将数据输送给监测电脑1，光纤光栅解调仪若有断纤命令则直接下达给光开关动作装置7，光开关动作装置7接受命令后可闭合光开关5。

高扩展性是指，监测单元可以是所有种类的传感技术，如荧光光纤监测传感技术单元、分布式光纤传感技术监测单元、电磁类传感技术监测单元等。

高可靠性是针对于光纤光栅传感监测单元的。在断纤情况下，所述光开关闭合，失去信号的光纤光栅传感器重新接入同一台光纤光栅解调仪同一通道中，不用重新输入失联光纤光栅传感器信息，光纤光栅解调仪自动寻找出光纤光栅传感器，即便于光纤光栅传感器寻址。

所述系统的光纤光栅传感串8：由首尾串联的光纤光栅传感器6组成，所述光纤光栅传感器6用于监测光纤光栅变压器顶层油温、底层油温、铁芯温度、母线排温度、绕组温度和振动；所述光纤光栅传感器为双端输入输出的光纤光栅传感器。

所述系统的光纤光栅传感器：具有高可靠性，为双端输入输出的光纤光栅传感器，包括应力应变传感器、压力压强传感器和加速度传感器。

所述的1×2光纤分束器4的分光比为50:50。

所述监测单元可以是光纤光栅传感监测单元，也可以是荧光光纤传感技术监测单元、分布式光纤传感技术监测单元和电磁类传感技术监测单元。

所述系统的光纤光栅解调仪3：具有①传感器数据初步分析；②通讯功能；③断纤判断；④定位报警；⑤命令下达，断纤时直接对相应光开关下达命令，驱动光开关动作装置闭合光开关等功能。并实时显示相应断纤传感单元的健康状况，包括正常、一次断纤和部分损坏，用于光纤光栅变压器大修时进行传感单元的维修与维护。所述光纤光栅解调仪3是基于F-P原理的静态解调仪，若监测动态信号则采用基于M-Z原理的动态解调仪。

所述系统的通讯端口2：①具有双向通讯功能；②具有常用的多种型号、功能的多个通讯口，便于与不同厂家不同端口的仪器设备相连；③具有扩展功能，可以随意扩展其它端口。

本实用新型还提供一种光纤光栅变压器在线监测系统的监测方法，监测方法包括监测系统正常情况下的监测过程和断纤情况下的工作过程。

正常情况如图3所示：光纤光栅变压器在线监测系统的高可靠性要求传感器是双端输入输出的光纤光栅传感器6。正常情况下，光开关4处于断开状态。光纤光栅解调仪3将宽带光源信号经过光纤分束器4传输到光纤光栅传感串8，传感单元9的各光纤光栅传感器6将变压器相应位置的温度等信号通过光纤分束器4返回光纤光栅解调仪3进行初步处理，光纤光栅解调仪3将传感器信息输送到通讯端口2，并传输到监测电脑1，输送到电网通信光缆，最终将现场变压器状态信息展示在主监控电脑上。

断纤情况如图4所示，当传感单元9的光纤光栅传感串8发生一次断纤情况时，光纤光栅传感串8返回到光纤光栅解调仪3的传感器信息就会有缺失，一次断纤位置之后的若干个光纤光栅传感器6信息丢失，光纤光栅解调仪3会智能分析数据情况，并在这种情况下做出断纤的判断，并下达命令给光开关动作装置7，光开关动作装置7接受命令并启动，闭合光开关，此时一次断纤造成丧失功能的若干个传感器重新接入同一台光纤光栅解调仪3同一通道中，不用重新输入失联传感器信息，光纤光栅解调仪3会自动寻找出传感器，亦即便于传感器寻址。光纤光栅解调仪3会自动记忆并显示各传感单元9是否发生过断纤的健康状况(如正常，一次断纤，部分损坏)，方便今后光纤光栅变压器大修时进行传感单元的维修；如若发生多次断纤，中间部分光纤光栅传感器将无法自动恢复，两端光纤光栅传感器可以正常工作。

鉴于上述工作原理，基于光纤光栅传感和通讯端口的系统，实现了传感单元和监测单元两级的扩展性能和融合性能的提高。具体体现在：

(1)本实用新型的“光开关—光开关驱动装置—光纤光栅解调仪”系统结构提高了传感单元的可靠性；“通讯端口—监测电脑”实现了该系统的高扩展功能。系统的可靠性是针对于光纤光栅传感监测单元的；扩展性是指，监测单元可以是所有种类的传感技术，如荧光光纤监测单元、分布式光纤监测单元、电磁类传感监测单元等。

(2)基于光纤光栅传感技术，其传感原理依据公式▽λ_B＝0.78λ_Bε_a+6.67×10^-6λ_B▽T，即光纤光栅中心反射波长λ_B与其受到的外界的温度T和应变ε_a有关。因此，光纤光栅可以用于制作多种参量的传感器，从而实现变电站多参量智能监测技术。光纤光栅解调仪采用目前解调技术中性能稳定、基于F-P原理的静态解调仪，如需监测动态信号则采用精度高、基于M-Z原理的动态解调仪。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种光纤光栅变压器在线监测系统，所述监测系统包括监测单元、通讯端口和监测电脑；其特征在于，所述通讯端口分别与监测电脑和监测单元连接；监测单元包括光开关动作装置和通过光纤连接的光纤光栅解调仪、传感单元；传感单元包括依次连接形成闭环结构的光纤光栅传感串、1×1光开关和1×2光纤分束器。

2.如权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感串的两端分别与光纤分束器的一端的一个分支和光开关的一端连接；光开关的另一端与光纤分束器的一端的另一个分支连接；光纤分束器第三端与所述光纤光栅解调仪连接；所述光开关动作装置一端与光纤光栅解调仪连接，另一端跟光开关构成联动机构；所述通讯端口将数据输送给监测电脑。

3.如权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感串由首尾串联的光纤光栅传感器组成，所述光纤光栅传感器为双端输入输出的光纤光栅传感器。

4.如权利要求3所述的在线监测系统，其特征在于，所述双端输入输出的光纤光栅传感器包括应力应变传感器、压力压强传感器和加速度传感器。

5.如权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于，所述1×2光纤分束器的分光比为50:50。

6.如权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于，所述监测单元为光纤光栅传感监测单元、荧光光纤传感技术监测单元、分布式光纤传感技术监测单元或电磁类传感技术监测单元。

7.如权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅解调仪是基于F-P原理的静态解调仪或是基于M-Z原理的动态解调仪。