基于多主体技术的光纤光栅变压器多参量智能监测系统的制作方法

本发明属于变压器监测技术领域，具体涉及一种基于多主体技术的光纤光栅传感器分布式变压器绕组热点温度、有载分接开关油室温度及变压器油位智能监测系统。

背景技术：
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电力作为国家的支柱能源和经济命脉，其安全稳定运行不仅关系到国家的经济发展，而且维系着国家安全。在电力系统中，电力变压器是电网中能量转换、传输的核心，是国民经济各行各业和千家万户能量来源的必经之路。如果一台大型电力变压器在系统运行时发生故障，则可能导致大面积停电，其检修期一般要半年以上，造成巨大的经济损失。同时随着特高压项目的起动建设，对变压器工作可靠性的要求愈来愈高。而在电力变压器的运行中，对其温度和油位的监测和控制，是维护电力变压器安全运行的基础和关键。变压器的寿命取决于绝缘寿命，而影响绝缘寿命的最主要因素是变压器运行时的绕组热点温度，若绕组最热点的温度过低，则变压器的能力就没有得到充分利用，降低了经济效益。热点温度如果超过允许限值，不仅会影响变压器使用寿命，还将对变压器安全运行造成威胁。同时，变压器中油温的变化直接影响变压器油的体积，使油位上升或下降。当油位过高时，会使变压器内部的压强变大，影响变压器的使用寿命；当油位过低时，将会影响变压器负荷能力，若油面继续降低于变压器大盖以下时，会使引线或铁芯暴露在空气中，可能造成内部闪络的危险。因此，在变压器运行中，需要实时在线监测电力变压器中绕组热点温度、有载分接开关油室温度及油位的变化，及时发现变压器中关键部位状态参量的变化并采取措施消除隐患使电力变压器健康运行而避免事故发生。

随着无人值守变电站的推行，使变压器远程温度和油位监测的需求日益增大。对变压器内部温度的直接检测不能采用常规的电传感器温度测量系统，目前常用的方法主要有热模拟测量法，间接计算法和直接测量法。对于热模拟法，运行绕组的温升过程与模拟不尽相同，误差较大；间接计算中常用的热模型法只能求解热点温度值，而不能得到热点的具体位置；直接测量法中最有影响力的分别是基于光纤瑞利散射、光纤布里渊散射、光纤喇曼散射的光时域反射测量系统，对于变压器内部温度的监测及定位误差较大，一般为几个摄氏度，定位误差为一米左右。对变压器储油柜油位的监测，目前常用的有红外测温法、电磁式油位计等，但是红外线测温易受环境、空间、温度的影响比较大，当气温与油温温差小、负荷低时，拍摄的油位线位置模糊，难以辨识；电磁式油位计方法，当变压器处于强磁场或者受到震动，磁耦合系统及指针传动系统易受到影响，从而影响储油柜油位测量的精确度；人工监测是借助于油面反射的荧光检查油位，其可靠性和误差是显而易见的。

近年来发展起来的光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating,FBG)是一种新型全光纤无源器件，与普通传输光纤完全兼容，不仅测量精度高、空间定位准确、能够克服高电压、大电流等恶劣电磁环境下电子类传感器应用所受到的限制，而且具有传感一体化、质量轻、体积小、柔韧性好、灵敏度高、耐腐蚀、不受电磁干扰、本质安全、易于组建传感器网络实现分布式测量等独特优点，这些优点不仅决定了光纤光栅传感器在电力系统温度和油位测量方面有着突出的优势，而且使它能做到真正的接触测量，从而使得测量结果能真正反应被测设备的真实工作状况，对所测设备能否继续安全稳定地运行具有直接的判断价值，使事故被消除在发生之前，使缺陷被消除在萌芽状态，对整个电网的安全运行起着重要的保障作用。如成立于2004年的山东微感光电子有限公司经过广泛的市场调研，采用先进的光纤光栅测温技术，和自主知识产权的光纤光栅解调技术，推出了可满足大型变压器设备测温要求的MSP-T6000系列光纤多点温度监测系统，从根本上解决了传统变压器测温设备的缺陷。2008年，重庆大学赵涛对基于光纤光栅温度传感器的变压器内部温度监测的原理和方法进行了研究。2008年，重庆大学张锐搭建了基于宁夏大坝电厂油浸式试验变压器的光纤光栅温度测量平台，对变压器在恒定负载以及变化负载情况下的绕组发热情况进行了研究。2010年，燕山大学李进对基于FPGA的分布式光纤光栅变压器绕组温度在线监测进行了研究。2011年，宁德师范学院的朱昌富等人提出了一种压力式光纤液位传感器的变压器绝缘油位监测系统，实现对变压器油位的无人实时在线监测。

近年来，随着电力工业向着高电压、大机组、大容量方向迅速发展，电力设备中的变压器亦随之向着复杂化、大尺度、多功能方向发展，电力变压器在运行中所发生的故障、失效机理复杂，故障隐蔽性强、类型和程度不易检测，因此，若能同步准确获取电力变压器中所受的绕组热点温度、有载分接开关油室温度、储油柜油位等表征电力变压器实时状态的多个关键物理参数特性，从而为实现对电力系统运行状态的有效监测提供可靠依据，这样，常规面向电力变压器的局部设备和单一参量的监测系统已经无法满足实际应用领域对精度、实时性、可靠性和稳定性的更高要求。

技术实现要素：
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为解决上述问题，本发明提出一种基于多主体技术的光纤光栅变压器多参数智能监测系统，实现电力变压器中多参量的同时在线监测，使得电力变压器安全、可靠工作，不仅促进光纤光栅智能监测技术在电力变压器、开关柜等大型电力系统设备中的应用，而且也为日趋智能化、复杂化的发电机、电动机研制中所涉及的复杂结构多物理参量集成监测提供借鉴。

本发明公开了一种基于多主体技术的光纤光栅传感器变压器多参量智能监测系统，包括对电力变压器运行状态进行数据采集的光纤感知层、接收所述光纤感知层采集的数据并对该数据进行分析处理的数据处理层、进行实时在线分析与监测的监测层、接收并协调监测结果的中央协作主体和显示变压器运行状态的用户接口层；该光纤感知层中包括若干用于对电力变压器的运行状态进行采集的光纤传感主体，所述光纤传感主体为光纤光栅传感器网络。

进一步的，光纤感知层中光纤传感主体包括绕组热点温度光纤传感主体、储油柜油位光纤传感主体和有载分接开关油室温度光纤传感主体。

本发明还公开了一种用于上述智能监测系统的光纤光栅油位计，包括弹簧管，所述弹簧管的一端为密封的自由端，其弹簧管的另一端与变压器油箱口相连通，所述弹簧管的自由端呈C字型结构，在该自由端C字型结构的最大应变处粘贴有光纤光栅传感器。

本发明将刻有光栅的光纤光栅传感器置于C型弹簧管的最大应变处，并使其与弹簧管内侧外壁法向中心轴线相重合，粘贴于C型弹簧管上的光纤光栅传感器预先施加一定的预应力，以保持光纤光栅传感器在监测过程中保持一定的拉应变，变压器油箱的不同位置可布置多个光纤光栅油位计，组成储油柜油位光纤传感主体，从而对变压器的油位进行精确监测。

本发明还公开了一种光纤光栅传感器网络拓扑结构，包括由若干光纤光栅传感器组成的若干路径，该相邻的路径之间通过光导开关进行切换。

本发明采用多个主体进行工作，使每个主体以特定的交流方式融入到一个系统后，信息将是共享的，信息处理中工作将不会重复，效率也随之提高，系统各部分之间的管理需求及监测网络也将有着统一的规划，信息的传输也将有条不紊，整个系统的功能将较为强大，能对大型监测对象做出完整准确的监测描述。

本发明提出将多主体技术引入到面向电力变压器的光纤光栅智能监测系统中，该系统将常规光纤光栅智能监测系统中信息采集、分析评估等功能，转化为担负不同任务并能够与其它主体进行通信的智能化主体类型。同时，依据各个智能化主体类型的功能依次划分为五层：

第一层为光纤感知层，负责感知电力变压器中绕组热点温度、分接开关油室温度变化、储油柜油位的状态变化，主要由绕组热点温度光纤传感主体、储油柜油位光纤传感主体、有载分接开关油室温度光纤传感主体组成；

第二层为数据处理层，负责对光纤感知层中各个主体所采集的传感器信号进行处理并存储，主要由绕组热点温度数据处理主体、储油柜油位数据处理主体、有载分接开关油室温度数据处理主体组成；

第三层为智能监测层，负责对数据处理层传输的反映电力变压器绕组、分接开关油室、储油柜运行状态进行评估，主要由绕组热点故障诊断主体、储油柜油位监测主体、有载分接开关油室故障诊断主体组成；

第四层为系统协作层，负责对绕组热点故障诊断主体、储油柜油位监测主体、有载分接开关油室故障诊断主体的诊断结果进行协作，以更高的精度对电力变压器运行状态进行综合评估；

第五层为用户接口主体，负责将变压器的运行状态和评估结果实时显示出来。

本系统与现有技术相比，运行速度快、监测精度高、可靠性和灵活性高，将为不同用途的电力设备在复杂环境下的安全预警、状态评估及维修提供依据，不仅延长了电力设备的使用寿命，并且促进了电力设备智能监测系统的进一步发展。本发明所提出的系统不仅可以被用于大型电力系统设备如电力变压器、开关柜等大型系统的设计和智能监测领域，而且也为日趋智能化、复杂化的发电机、电动机研制中所涉及的多参量集成智能监测提供借鉴。

附图说明

图1为多主体光纤光栅电力变压器智能监测系统模型图；

图2为光纤光栅油位计结构图；

图3为本实施例获取主体中所有光纤光栅传感器信号的Path1的路径图；

图4为本实施例获取主体中所有光纤光栅传感器信号的Path2的路径图；

图5为本实施例局部网络失效故障示意图；

图6为本实施例传感器解调路径示意图；

图7为本实施例局部网络失效故障示意图；

图8为本实施例传感器解调路径示意图。

具体实施方式

图1是本实施例所构建的多主体光纤光栅变压器智能监测系统模型图，在模型图中，首先将整个系统分解为多个易于实现的子系统，并将其转换为相应的智能主体，使原来由中央处理器实行的串行处理光纤智能监测系统，变为一种并行的分布式监测系统。

首先，光纤感知层内的绕组热点温度光纤传感主体、储油柜油位光纤传感主体、有载分接开关油室温度光纤传感主体分别对电力变压器的相关物理参量数据进行采集，采集后的数据传输至数据处理层，由数据处理层对获取的相应数据进行分析处理，处理后的数据传输至智能监测层，由智能监测层依据所获得的传感器信息采用人工智能识别算法分别对绕组热点温度、储油柜油位、有载分接开关油室温度进行实时在线分析与监测，同时，由于智能监测层中的绕组故障诊断主体、储油柜油位监测主体、有载分接开关油室故障诊断主体只能得到关于电力变压器的局部监测结果，无法获得整个电力变压器的运行状况或者获得其运行状况的精确度比较低，因此，它们分别将自己的监测结果传输至中央协作主体，中央协作主体选择相应的协作算法如黑板协作、合同网协作等方式协调各个主体的监测结果，以较高的监测精度对变压器的运行状态进行综合评估，并将评估结果传输至用户接口层进行实时显示。

本实施例所提出的多主体光纤光栅电力变压器智能监测系统模型图中，光纤感知层中用于对电力变压器的运行状态进行采集的光纤传感主体不仅仅局限于绕组热点温度、储油柜油位、有载分接开关油室温度，在实际监测系统设计中可以根据需要进行扩展，相应的，数据处理层及智能监测层根据光纤感知层中光纤传感主体的扩展进行功能扩展。同时，在模型图中光纤传感主体采用光纤光栅传感器实现，其它主体均采用软件实现，传输方式采用硬件和软件通讯方式实现。

图2为光纤光栅油位计结构图，包括弹簧管，弹簧管的一端为密封的自由端，其弹簧管的另一端与变压器油箱口相连通，该弹簧管的自由端呈C字型结构，在该自由端C字型结构的最大应变处粘贴有光纤光栅传感器。刻有光栅的光纤光栅传感器粘贴于C型弹簧管的最大应变处，并使其与弹簧管内侧外壁法向中心轴线相重合，粘贴于C型弹簧管上的光纤光栅传感器预先施加一定的预应力，以保持光纤光栅传感器在监测过程中保持一定的拉应变，变压器油箱的不同位置可布置多个光纤光栅油位计，组成储油柜油位光纤传感主体，从而对变压器的油位进行精确监测。

为了避免光纤光栅传感器串联拓扑结构中光纤传感器导致的可靠性降低问题，针对绕组热点温度光纤传感主体、储油柜油位光纤传感主体、有载分接开关温度油室光纤传感主体内布置的光纤光栅传感器，对每个主体内的光纤传感器采用不同的网络拓扑结构进行连接。这样，在主体内的某个传输或传感光纤损伤或断裂时，不但主体内部的传感器可进行信号的相互补偿，而且监测同一参量的主体之间的传感器信号也可进行相互补偿，从而提高整个监测系统的可靠性。针对采用光导开关及其切换技术对电力变压器中局部失效传感器进行修复的方法，以如图3所示的光导开关传感器网络拓扑结构为例加以说明。

当光纤感知层中的每个光纤光栅传感器正常时，采用如图3中Path1的路径能够获取主体中所有光纤光栅传感器信号，改变网络中光导开关的连接状态，如图4所示，可以采用Path2的路径为主体中光纤光栅传感器信号进行重新采集，即对于每个主体，可以通过光开关的切换实现主体中传感器信号的重新解调，从而提高了传感主体中传感器网络的可靠性。

当传感主体中某个或某些传输或传感光纤断裂，通过预先布设的光导开关能够为受影响的光纤光栅传感器重新寻找路径并实现传感器信号的自修复功能。

具体的，当光纤感知层发生如图5所示的局部网络失效故障时(图中×所示)，通过如图5所示的光开关连接状态，通过Path3路径获得光纤光栅传感器1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14的传感信号，为了获得传感器15,16的传感信号，控制光导开关SW1并使其动作，切换至如图6所示的连接状态，通过Path4路径可重新获得传感器15,16的传感信号，从而在某个传感主体发生故障的情况下仍然能实现传感器信号的全部解调。当光纤感知层主体内发生如图7所示的局部网络失效故障时，首先通过Path5路径获得光纤光栅传感器1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14的传感信号。其次，控制光开关SW1使其动作，切换至如图8所示的连接状态，通过Path6的路径重新获得传感器16的信号，最终光纤光栅传感器15的信号未得到修复，但相对于传统的网络拓扑结构，每个主体内光纤光栅传感器网络的可靠性已得到大幅度的提高。

本实施例提出的光纤感知层内的每个光纤传感器主体内的传感器可以依据监测对象的需要对传感器数量进行扩展，并不局限于图例所示的传感器数量。