基于分布式光纖測溫裝置的儲能站溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

0引言

隨著能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進步，儲能設(shè)施在電力系統(tǒng)中的作用愈發(fā)顯著。然而，儲能設(shè)施內(nèi)部的溫度分布及其變化對運行效率和設(shè)備安全具有決定性影響，甚至可能引發(fā)火災(zāi)事故，導(dǎo)致重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，對儲能設(shè)施進行精確和實時的溫度監(jiān)控顯得尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)控手段通常存在測量精度不足、響應(yīng)速度遲緩等問題，難以滿足現(xiàn)代儲能設(shè)施對溫度監(jiān)控的嚴格要求。分布式光纖傳感技術(shù)憑借其高精度、實時性、長距離、良好的絕緣性能以及強大的抗電磁干擾能力等優(yōu)勢，為儲能設(shè)施的安全運行和能效提升提供了創(chuàng)新的解決路徑。

1分布式光纖測溫技術(shù)基本原理

分布式光纖溫度傳感技術(shù)主要分為兩大類：基于光纖光柵的準分布式溫度傳感技術(shù)和基于光纖散射效應(yīng)的分布式溫度傳感技術(shù)。前者利用光纖布拉格光柵反射波長隨環(huán)境溫度變化的特性，結(jié)合時分復(fù)用、空分復(fù)用和波分復(fù)用技術(shù)，在單一光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)集成多個光纖光柵節(jié)點。通過測量每個光柵節(jié)點返回的波長信息，實現(xiàn)對環(huán)境溫度的準分布式測量。而后者則依賴于光纖后向布里淵散射光或拉曼散射光的光學(xué)特性，這些特性會隨著環(huán)境溫度的變化而變化，從而實現(xiàn)對光纖沿線溫度的分布式測量。兩種分布式光纖測溫系統(tǒng)的性能對比詳見圖1。

圖 1 典型光纖分布式測溫系統(tǒng)性能對比

光纖光柵傳感器采用點式測量技術(shù)，需要特定的封裝方式，這導(dǎo)致其成本較高。盡管通過波分復(fù)用等技術(shù)可以使用大量傳感器實現(xiàn)近似分布式測量，但這種方法仍然無法實現(xiàn)連續(xù)空間的分布式溫度測量，因此難以有效測量溫度梯度。這一局限性制約了其在儲能站溫度監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。另一方面，基于光纖布里淵散射的分布式溫度測量技術(shù)雖然具有高分辨率的優(yōu)點，但其測量結(jié)果的準確性受到應(yīng)變與溫度交叉敏感問題的嚴重影響。

基于光纖拉曼散射的分布式溫度測量技術(shù)因其不存在應(yīng)變與溫度的交叉敏感問題，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離測量并保持高精度，已在分布式溫度測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)主要運用光纖的光時域反射（OTDR）技術(shù)以及后向拉曼散射溫度效應(yīng)，即通過OTDR技術(shù)進行定位，同時利用光纖的拉曼散射效應(yīng)進行溫度測量。光纖拉曼散射包括受溫度影響的反斯托克斯光信號和不受溫度影響的斯托克斯光信號。以斯托克斯光信號作為參考，可以從反斯托克斯光信號中提取出溫度信息。基于光纖拉曼散射的分布式溫度測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2基于光纖拉曼散射的分布式測溫系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

①傳感光纖

傳感光纖作為溫度敏感介質(zhì)，能夠?qū)θ肷涔猱a(chǎn)生拉曼散射光信號，這些信號包括反斯托克斯光和斯托克斯光。其核心技術(shù)參數(shù)涵蓋了傳感光纖的長度、直徑以及靈敏度等關(guān)鍵指標。傳感光纖的長度直接決定了溫度測量的范圍，而其直徑和靈敏度則對測量的準確性和響應(yīng)速度產(chǎn)生影響。通常情況下，傳感光纖的長度介于10至50公里之間，可根據(jù)具體需求進行定制。此外，通過光開關(guān)的使用，可以實現(xiàn)多路傳感光纖的擴展，從而進一步擴大溫度傳感的空間范圍。

②脈沖激光器、波分復(fù)用器

脈沖激光器作為系統(tǒng)的光源，負責(zé)產(chǎn)生穩(wěn)定且高質(zhì)量的光信號，并通過光纖進行傳輸。然而，在傳輸過程中，溫度的變化會導(dǎo)致散射光發(fā)生改變。激光器輸出的光信號品質(zhì)，直接關(guān)系到溫度測量的精確度以及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。波分復(fù)用器的核心作用在于分離拉曼散射光信號中的斯托克斯和反斯托克斯光，這一功能對于增強系統(tǒng)容量和提升系統(tǒng)靈活性至關(guān)重要，特別是在需要同時對多個不同位置進行溫度監(jiān)測的場合。

③光電探測器

光電探測器的主要作用是將拉曼散射中的斯托克斯和反斯托克斯光信號分別轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號，這通常需要配備兩個探測器。鑒于拉曼散射信號極為微弱，光電探測器必須具備高靈敏度、迅速的響應(yīng)速度以及低噪聲特性，以確保能夠精確捕捉這些微弱的光信號，并有效地將其轉(zhuǎn)換為電信號。

④數(shù)據(jù)采集模塊。

該模塊負責(zé)對2個光電探測器的輸出電信號進行采集。

⑤信號處理單元。

該單元的主要職責(zé)是接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的電信號，并通過放大、濾波、解調(diào)等一系列處理步驟，提取出其中的溫度信息。其技術(shù)參數(shù)涵蓋了信號處理速度、噪聲水平以及動態(tài)范圍等關(guān)鍵指標，這些參數(shù)共同決定了系統(tǒng)檢測微弱信號的能力以及其抗干擾性能。

⑥系統(tǒng)控制與軟件。

系統(tǒng)通過同步觸發(fā)控制，協(xié)調(diào)各模塊的運作，而軟件則負責(zé)實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲及分析等功能。

利用光纖拉曼散射技術(shù)的分布式溫度測量技術(shù)具備以下特點：首先，其測溫精度高，滿足了對溫度監(jiān)測的高精度需求；其次，它具備強大的實時監(jiān)測能力，能夠連續(xù)且實時地追蹤溫度變化，提供連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)；第三，由于光纖的衰減較小，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的分布式溫度測量，確保了大范圍空間溫度監(jiān)測的可行性；最后，光纖分布式測量還展現(xiàn)出極強的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境和惡劣的電磁環(huán)境中穩(wěn)定運行，提供穩(wěn)定的溫度監(jiān)測服務(wù)。因此，基于光纖拉曼散射的分布式溫度測量技術(shù)，憑借其高精度、實時監(jiān)測和長距離傳輸?shù)奶匦?，為儲能站溫度監(jiān)測提供了一種創(chuàng)新的解決方案。它為儲能站的安全運行提供了及時且可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)支持，同時為電力系統(tǒng)的安全運行和能效提升提供了堅實的保障。

2基于分布式光纖測溫裝置的儲能站溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1儲能站溫度監(jiān)測需求分析

2.1.1儲能站特性與測溫需求

儲能站由于存儲和釋放大量能量，可能會產(chǎn)生顯著的溫度梯度。因此，選擇恰當(dāng)?shù)臏y溫點至關(guān)重要，以確保關(guān)鍵區(qū)域的溫度能夠被精確監(jiān)控。鑒于儲能站的安全性極為關(guān)鍵，測溫系統(tǒng)必須具備極高的可靠性和穩(wěn)定性，以便能夠及時發(fā)出潛在溫度異常的預(yù)警。

2.1.2傳感光纖的優(yōu)化布置

電池組構(gòu)成了儲能站的核心，其溫度的波動直接關(guān)系到儲能站的安全性。因此，光纖傳感器必須緊密地附著在電池組的表面，以確保能夠精確地捕捉到電池的溫度數(shù)據(jù)。除了電池組本身，儲能站的環(huán)境溫度也應(yīng)受到監(jiān)控，這有助于全面了解儲能站的熱環(huán)境狀況，并預(yù)測潛在的溫度波動趨勢。

2.1.3光源與檢測光路的適應(yīng)性

鑒于儲能站的規(guī)?？赡芟喈?dāng)龐大，導(dǎo)致光纖的長度也隨之增長，因此必須選用適合于長距離傳感的光源及檢測光路，以保障信號的穩(wěn)定性和精確度。

在儲能站內(nèi)部，各種電磁干擾可能是一個問題。因此，光源和檢測光路必須具備抗電磁干擾的特性，以確保測溫數(shù)據(jù)的可靠性。

2.1.4雪崩光電檢測器APD的性能要求

鑒于儲能站內(nèi)部溫度的微妙變化，APD必須具備高度的靈敏度，以便檢測到這些細微的溫度波動。對于潛在的突發(fā)性溫度異常，APD應(yīng)迅速作出反應(yīng)，確保系統(tǒng)能夠即時提供溫度反饋。

2.1.5數(shù)據(jù)采集與處理單元的適應(yīng)性

儲能站的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)量可能極為龐大，因此數(shù)據(jù)采集與處理單元必須具備高效的數(shù)據(jù)處理能力，以確保數(shù)據(jù)的實時性和準確性。鑒于溫度數(shù)據(jù)對于儲能站的安全至關(guān)重要，數(shù)據(jù)采集與處理單元還應(yīng)具備數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能，以保障數(shù)據(jù)的安全性。

2.1.6軟件的智能化與定制化

軟件應(yīng)具備智能分析能力,能夠自動識別溫度異常模式,提前預(yù)警可能的安全隱患。

2.1.7系統(tǒng)帶寬

系統(tǒng)帶寬對系統(tǒng)的空間分辨率、溫度分辨率以及測量時間具有顯著影響。若系統(tǒng)帶寬較低，雖然能夠提升溫度分辨率并縮短測量時間，但同時會降低空間分辨率，從而妨礙精確的溫度響應(yīng)實現(xiàn)。相反，較高的帶寬雖然可以避免空間分辨率的下降，卻會降低溫度分辨率并延長測量時間，同時增加系統(tǒng)成本。因此，系統(tǒng)帶寬是一個必須仔細考量的關(guān)鍵技術(shù)指標。

綜合上述分析，針對儲能站的特定需求和特性，構(gòu)建一個基于分布式光纖測溫技術(shù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，必須深入考慮以下關(guān)鍵要素：儲能站的獨特屬性、傳感光纖的合適布局、光源與檢測路徑的匹配度、雪崩光電二極管(APD)的參數(shù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)采集與處理單元的兼容性、軟件的智能化定制、系統(tǒng)帶寬，以及系統(tǒng)的可擴展性與未來升級潛力。這些因素的周全考量將確保溫度監(jiān)測系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性、實時性和可靠性，從而為儲能站的安全運行提供堅實的保障。

2.2分布式光纖測溫裝置主機設(shè)計

分布式光纖測溫裝置設(shè)計原理如圖3所示。

圖3展示了分布式光纖測溫裝置主機的設(shè)計原理。計算機處理器作為同步控制器，生成特定重復(fù)頻率的電信號脈沖，進而調(diào)制光源以產(chǎn)生激光脈沖。同時，處理器向高速信號采集電路發(fā)送同步脈沖，確保數(shù)據(jù)采集卡能夠同步開始數(shù)據(jù)采集工作。

本設(shè)計選用的激光器光源具備1550.12nm的典型工作波長，并能輸出0.1至30瓦的可調(diào)峰值光功率。光脈沖通過拉曼波分復(fù)用器后進入傳感光纖，本方案中使用的是62.5/125μm規(guī)格的多模光纖。在光脈沖傳播過程中，與光纖介質(zhì)中的分子相互作用，產(chǎn)生后向拉曼散射光。其中，反斯托克斯光的強度受到光纖所處環(huán)境溫度的影響：環(huán)境溫度升高時，散射光的強度增強；反之，環(huán)境溫度降低時，散射光的強度減弱。返回至光纖起始端的后向拉曼散射光，通過波分復(fù)用器內(nèi)的濾光片進行分離，斯托克斯光與反斯托克斯光分別被送入雙通道光電探測器模塊進行光電轉(zhuǎn)換，并將電平信號放大至數(shù)據(jù)采集卡的有效采集范圍內(nèi)。高速數(shù)據(jù)采集卡以250MHz的采樣頻率對散射信號進行采集，實現(xiàn)0.4米的空間分辨率。采集到的數(shù)據(jù)隨后被存儲至指定的存儲器中。一旦溫度信息采集完畢，計算機系統(tǒng)將引導(dǎo)脈沖光源發(fā)射下一個光脈沖，重復(fù)上述過程。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的累加次數(shù)，存儲單元中的數(shù)據(jù)將經(jīng)歷多次累加平均處理。

2.3儲能站溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

傳感光纖以"S"型布局嵌入儲能站的電池陣列，全面覆蓋每個電池的表面，如圖4所示。

分布式光纖測溫系統(tǒng)的主機通過以太網(wǎng)通信接口將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至集中監(jiān)控計算機。計算機運行的程序負責(zé)解調(diào)溫度信息，實時展示并存儲光纖沿線的溫度測量曲線，從而實現(xiàn)對儲能電池運行狀態(tài)的有效監(jiān)控。

圖 4 基于分布式光纖測溫的儲能站溫度監(jiān)測系統(tǒng)

4安科瑞分布式光纖測溫系統(tǒng)

4.1概述

安科瑞的分布式光纖測溫系統(tǒng)融合了光電信號檢測與計算機技術(shù)，具備實時監(jiān)測功能，測溫精度高，測量距離長，并能精確定位。該系統(tǒng)采用光纖作為傳感器和傳輸介質(zhì)，具有抗電磁干擾、本征防雷、無電檢測和本質(zhì)安全等顯著優(yōu)點。它適用于各種復(fù)雜和危險的環(huán)境，能夠廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，有效預(yù)防潛在的風(fēng)險。

4.2需求分析

電阻：當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，會產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致導(dǎo)體溫度升高。電阻越大，電流越大，溫升越明顯。電力電纜、母線槽等輸送電能的設(shè)備，都會受到這種影響。

化學(xué)反應(yīng)：當(dāng)物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，會產(chǎn)生或吸收熱量，導(dǎo)致物質(zhì)溫度變化?；瘜W(xué)反應(yīng)的類型、速率、條件等，都會影響溫度的變化。油氣管道等輸送可燃物質(zhì)的設(shè)備，都會受到這種影響。

摩擦：當(dāng)物體之間發(fā)生相對運動時，會產(chǎn)生摩擦力，導(dǎo)致物體表面溫度升高。摩擦力越大，運動速度越快，溫升越明顯。輸煤管道等輸送固體物料的設(shè)備，都會受到這種影響。

4.3分布式光纖測溫原理

激光器發(fā)射出高功率的光脈沖，當(dāng)這些光脈沖在光纖中傳播時會發(fā)生散射。攜帶溫度信息的拉曼散射光隨后會返回到光路耦合器。光路耦合器不僅能夠?qū)⒐饷}沖直接引導(dǎo)至傳感光纖，還能將這些散射回來的、波長與發(fā)射光不同的拉曼散射光耦合至分光器。分光器由兩個具有不同中心波長的光濾波器構(gòu)成，它們分別用于提取斯托克斯光和反斯托克斯光。這兩路光信號在被接收機接收后，會經(jīng)歷光電轉(zhuǎn)換和放大處理，接著由數(shù)據(jù)采集單元進行高速采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。最終，通過進一步的信號處理，這些數(shù)據(jù)被用于計算溫度。

4.4應(yīng)用場景

4.5分布式光纖測溫系統(tǒng)的功能

報警功能：包括定溫報警、區(qū)域溫差報警、溫升過快報警、斷纖報警以及裝置異常等多種報警機制。

可視化顯示功能：能夠展示全程分區(qū)圖、溫度分布曲線，并實時更新重點監(jiān)測點的溫度隨時間變化曲線。

查詢功能：支持歷史數(shù)據(jù)的檢索與展示；用戶可在系統(tǒng)圖上直接查詢設(shè)備信息、運行參數(shù)、統(tǒng)計信息等詳細資料。

分析功能：提供歷史趨勢的可視化顯示，并對未來趨勢進行評估，為檢修工作提供參考信息。

4.6分布式光纖測溫系統(tǒng)的優(yōu)點

實時監(jiān)控：系統(tǒng)對指定區(qū)域的溫度實施全天候（7×24小時）的實時監(jiān)控，迅速識別并精確定位異常溫度點，實現(xiàn)早期預(yù)警。

分布式監(jiān)測：采用分布式測溫技術(shù)，系統(tǒng)能夠提供連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測信號，實時捕捉被監(jiān)測物體上每隔1米（或5厘米）各點的溫度變化。

技術(shù)先進：光纖既作為信號傳輸介質(zhì)，也用于溫度探測，實現(xiàn)了通信與傳感的一體化。通過選用不同的外護套材料，系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種環(huán)境條件。

測量精確：系統(tǒng)具備高精度的溫度測量能力，精度可達±0.05℃，同時定位精度最高可達0.05米。

操作靈活：系統(tǒng)功能的設(shè)定通過主機上的應(yīng)用軟件完成，支持設(shè)置多級溫度報警閾值，并可根據(jù)不同環(huán)境進行調(diào)整。每個報警分區(qū)可獨立編程，并可根據(jù)用戶需求定制。

擴展能力：系統(tǒng)支持對多路光纖的同時測量，用戶可根據(jù)實際需求選擇不同路數(shù)的設(shè)備，選項包括4、8、12、16路等。

兼容性強：系統(tǒng)兼容以太網(wǎng)口和RS485接口，向終端用戶提供分區(qū)、溫度及報警信息。

耐用性：在不受外力破壞的情況下，鎧裝感溫電纜的使用壽命可長達25年。

用戶友好：系統(tǒng)提供直觀的可視化界面，界面設(shè)計簡潔明了，不會增加客戶的管理成本。

本質(zhì)安全：系統(tǒng)具備本質(zhì)安全特性，包括防爆、抗強電磁干擾、防雷擊等。

4.7分布式光纖測溫應(yīng)用示例

5.結(jié)語

本文探討了基于分布式光纖測溫技術(shù)的儲能站溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。從需求分析開始，研究了硬件選擇、系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)，并提出了針對儲能站的具體技術(shù)細節(jié)和注意事項。設(shè)計旨在構(gòu)建高效、穩(wěn)定、實時的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，保障儲能站安全運行。隨著儲能技術(shù)的進步和應(yīng)用場景的拓展，系統(tǒng)需持續(xù)更新。未來，系統(tǒng)有望在技術(shù)升級、智能化與自動化、系統(tǒng)集成與擴展等方面實現(xiàn)進一步發(fā)展與應(yīng)用。

參考文獻

【1】范吉泰.基于分布式光纖測溫裝置的儲能站溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

【2】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計應(yīng)用手冊.2020.06版.

審核編輯 黃宇