2.青年基金(基础性、前瞻性及软课题类)-面向电力设备监测的多参量分布式光纤传感技术研究

中国电力科学研究院科技创新

基金项目

可行性研究报告（基础性、前瞻性及软课题类）

面向电力设备监测的多参量分布式光纤传项目名称：

感技术研究

申请单位：中国电力科学研究院信息与通信研究所

起止时间：2013年1月至2013 年12 月

项目负责人：吕立冬

联系电话：138********

电子邮箱：lvlidong@https://www.wendangku.net/doc/e18877000.html, 申请日期：2012 年7 月

一、立项背景

编写要求：小四仿宋_GB2312（下同）

1.需求分析

（说明：分析与项目研究内容相关的技术需求，包括现实的、潜在的、以及能够创造的需求等，需结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述。）

分布式光纤传感技术相对于其它传感技术具有测量范围广、传感信息点多、可定位以及低成本等显著优点。随着我国特高压骨干网的建设以及电力光纤到户的开展，与电网对应的电力光纤将在全国范围内形成一个致密的光网络，为智能电网的感知和信息通信提供重要的技术支撑。电力行业对分布式光纤传感器有着广泛的需求，如水电站大坝应力监测、火电站蒸汽炉温度和烟囱应力监测、输电线温度、应力和舞动监测、变压器温度监测以及变电站防入侵监测等。此外，风力发电机叶片、电力杆塔、电力光纤到户情况以及配电线路及设备等监测也迫切地需要分布式光纤传感技术或其与其它技术的结合以实现多参量宽范围监测。

在电力传感领域，许多场合是高电压强磁场的，这使得电传感或无线传感变得困难。当前电力光纤几乎与电力电缆结伴而行，因此，直接利用电力光纤来实现对电力设备的多参量分布式监测显得格外经济高效。对电力设施而言，实际需要感知的参量一般是多样的，如对输电线的监测通常需要感知其温度、应力、舞动以及线路故障等。此外，随着电力光纤到户的发展，它需要在施工中检测到户情况、在运营中实时在线监测线路的健康状况。因此，在推进智能电网建设的大环境下，有必要根据电力设施监测的现实需求，研究合适的面向多参量监测的分布式光纤传感技术。

2.目的和意义

（说明：阐述项目成果对中国电科院科研发展的作用，以及如何发挥作用。）

本项目研究的目的是深化研究与电力设施监测需求相结合的多参量分布式光纤传感技术。研究取得的原创性成果将会对智能电网感知层相应技术的发展提供前瞻性的基础平台，为公司项目申报做预研，同时指导相应检测实验，最终促成相应产品开发和相关标准的制定。

二、可行性分析

编写要求：小四仿宋_GB2312（下同）

1.国内外研究水平的现状和发展趋势

(1)国外研究水平的现状和发展趋势

（说明：介绍国外研究机构或者公司对本项目的研究情况，包括采用的主要理论和方法、

项目进展情况以及成果等。附至少10篇国外论文的参考文献目录。）

光纤具有低损耗、宽带宽、抗电磁干扰、耐腐蚀等显著特点，它非常适合作极端恶劣环境的传感介质。光纤传感器在水电站大坝、火电站蒸汽炉、电力

杆塔、输电线、变压器、电力开关柜、刀闸开关等电力设施中已经得到广泛应

用，在电力行业光纤传感器的应用范围还在逐步扩大。目前，分布式光纤传感

技术主要应用于高压电缆、变压器以及重要电力设施安防监测。1999年K.Yoon

等人将分布式光纤温度传感系统应用于新加坡400KV和230KV高压电缆传输

网络的温度监测中[1]。2004年S.Jones等人报道了将拉曼分布式光纤温度传感

器用于330KV的跨网输电线监测，他们使用多模的梯度折射率光纤获得了

28Km的监测距离[2]。同年，J.Downes等报道了分布式光纤温度传感器在架空

电缆、地埋电缆以及配电线监测中的应用[3]，其温度分辨率为1℃，空间分辨

率为1m，但测量范围只有10km。2006年G.Yilmaz等报道了拉曼光时域反射

技术在150KV高压电缆温度监测中的应用研究[4]，成功实现对10Km长度范围内电网温度的高分辨率监测。2010年A.Signorini等人使用梯度折射率光纤作为传感介质，将基于拉曼光时域反射系统的温度传感距离提升到了40Km[5]。基于拉曼散射效应的分布式光纤温度传感器之所以在电力设施监测中较为流行是因为它的测量参量在监测过程中只对温度敏感，从而，有效避免了其他环境因数对测量精度的影响。而基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术测量参量同时对温度和应力敏感，从而使二者的分离面临难题，但在实际的工程测量中通过对比的方法可以消除温度和应力交叉敏感问题对测量结果的影响。2005年D.Inaudi等人报道了基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术在高压电缆温度或应力监测中的应用研究[6]，结果表明该技术在电缆监测中同样拥有重要的潜力。实际上，基于布里渊散射效应的光纤传感技术，在国外主要研究点在于建筑结构的健康监测，在电力电缆方面的应用报道较少，但这种技术发展较为成熟，而且已有商用的设备上市，如安腾公司的AQ8603。上述的传感技术虽然在电力设施监测中有一定应用，但它们测量覆盖的范围有限，而且测量参量单一。为此，人们开始把目标转向多参量监测的分布式光纤传感技术。早期关于多参量分布式测量的方案主要靠系统的融合，使系统具有多种功能。而真正从传感机理上同时解决多参量监测问题的当属相干光时域反射仪（COTDR）。相干光时域反射仪利用光时域反射技术和相干探测方法使分布式测量的距离大大提升，它能对电力设施温度、应力、振动、外界干扰、故障等进行监测，而且它对温度或应力监测的分辨率可以比拉曼光时域反射仪（ROTDR）和布里渊光时域反射仪（BOTDR）高两个数量级。相干光时域反射仪中，激光器线宽变得足够窄时，它就可以用于相位探测。2005年J. Juarez

等人报道了相干光时域反射仪在扰动监测方面的应用研究[7]。同年，他们还报道了其在分布式振动监测的结果[8]，实验结果表明该技术对外界振动的监测具有极高的灵敏度。2011年Y.Lu等人报道了相干光时域反射技术方案用于振动监测的效果[9]，其对振动频率的监测范围扩展到数千赫兹。2009年，Y.Koyamada等人报道了利用相干光时域反射技术在分布式温度监测中的应用，实验获得的空间分辨率为1m、温度分辨率为0.01℃，它比利用布里渊效应得到的温度分辨率提升了两个数量级[1o]。2010年，Y.Iitsuka等人在Y.Koyamada的理论基础上通过引入双向掺铒光纤放大方法，将测量的距离延伸至了31km[11]。2011年，H.Iida等人在传统的相干光时域反射系统方案基础上引入频分复用调制技术用于对通信光缆进行健康监测，实验获得监测距离超过250Km[12]。综上所述，相干光时域反射仪可同时监测温度、应力、振动、扰动以及线路故障等，因此，我们可以预见其在电力设施监测方面具有极大的应用潜力。未来的分布式光纤传感技术的发展趋势是从单一参量测量向多参量测量演进、从单一传感技术走向多种技术融合、从分散的传感节点推进到传感网络。

参考文献：

[1] K. Yoon, and D. Teo, “Controlling and monitoring Singapore’s underground grid,”IEEE Computer Applications in Power, pp. 23-29, 1999.

[2] S. Jones, G. Bucea, and A. McAlpine, “Condition monitoring system for transgrid 330KV power cable,” International Conference on Power System Technology, Singapore, pp. 1282-1287, 2004.

[3] J. Downs, C. FIEF, and H. Leung, “Distributed temperature sensing worldwide power circuit monitoring applications,”International Conference on Power System Technology, vol. 2, pp. 1804-1809, 2004.

[4] G. Yilmaz, and S. Karlik, “A distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables,” Sensors and Actuator A, vol. 125, pp. 148-155, 2006.

[5] A. Signorini, S. Faralli, M. Soto, G. Sacchi, F. Baronti, etc, “40km long-range Raman-based

distributed temperature sensor with meter-scale spatial resolution,”Optical Fiber Conference, OWL2, pp. 1-3, 2010.

[6] D. Inaudi, and B. Glisic, “Development of distributed strain and temperature sensing cables,”

17th International Conference on Optical Fiber Sensors, Bruges, pp. 1-4, 2005.

[7] J. Juarez, E. Maier, K. Choi, and H. Taylor, “Distributed fiber optical intrusion sensor

system,” Journal of Lightwave Technology, vol. 3, no. 6, pp. 2081-2089, 2005.

[8] J. Juarez, and H. Taylor, “Polarization in a phase-sensitive optical time domain reflectometer

intrusion-sensor system,” Optics Letters, vol. 30, no.24, pp. 3284-3286, 2005.

[9] Y. Lu, T. Zhu, L. Chen, and X. Bao, “Distributed vibration based on coherent detection of

phase-OTDR,” Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no. 22, pp.3243-3249, 2010.

[10] Y. koyomada, M. imahama, K. Kubota, and K. Hogar, “Fiber optical distributed strain and

temperature sensing with very high measurand and resolution over long range using coherent OTDR,” Journal of Lightwave Technology, vol. 27, no. 9, pp.1142-1146, 2009.

[11] Y. Iitsuka, K. Kubota, and Y. Koyamada, “31-km distributed temperature measurement with

very high resolution using coherent-OTDR enhanced with bidirectional EDFA,”

OptoeElectronics and Communications Conference (OECC), pp. 330-331, 2010.

[12] H. Iida, Y. Koshikiya, F. Ito, and K. Tanaka, “High sensitivity coherent optical time domain

reflectometry employing frequency-division multiplexing,”Journal of Lightwave Technology, vol. 30. No. 8, pp. 1121-1126, 2012.

(2)国内研究水平的现状和发展趋势

（说明：介绍国内其他研究单位对本项目的研究情况，包括采用的主要理论和方法、项目进展情况以及成果等。附至少10篇核心期刊的参考文献目录。）

国内关于分布式光纤传感技术在电力设施监测方面的应用研究起步较晚，监测方案也主要选择布里渊光时域反射仪和拉曼光时域反射仪。2004年天津大学陈军等人报道了分布式温度传感技术在高压电缆监测中的应用[1]，其内容主要是介绍拉曼光时域反射仪原理。2008年，刘继刚报道了分布式光纤温度传感器在1000MW超临界机组的应用[2]。同年，刘秀琦等人介绍了分布式光纤温度测量系统在电力系统中的应用[3]，其研究内容主要集中在电力电缆温度测量。

2009年，华北电力大学李星蓉等人报道了基于布里渊散射效应的分布式光纤传感系统在电力电缆温度和应变监测中的应用[4]，但该报道也仅仅停留在理论分

析层面。2012年滕玲等人报道了布里渊光时域分析技术在特种光缆应变监测的研究[5]，但这种技术在实际的测量应用中还未走向成熟，这主要是因为它采用双端输入的方式从而导致系统不灵活。上述的研究报道大多照搬国外的研究思路，理论和实验研究本身并无突破。另外，关于相干光时域反射仪和布里渊光时域反射仪的应用研究，南京大学光通信工程研究中心最近几年已取得较大进展[6-11]，在理论和技术层面上为多参量分布式光纤传感器的研究奠定了重要基础。

参考文献：

[1]陈军，李永丽，“应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新技术”，电力系统及其自动化学报，vol.7，no.3，pp.47-50,2005.

[2]刘继刚，“光纤分布式感温监测系统在1000MW超超临界机组的应用”，华电技术，vol.30，no.4，pp.32-34,2008.

[3]李星蓉，李永倩，“基于布里渊散射的分布式光纤传感系统的应用”电力系统通信，vol.30，no.206，pp.62-65,2009.

[4]李秀琦，侯恩祖，苏贵波，“分布式光纤测温系统在电力系统中的应用”，电力科学与工程，pp.37-40,2008.

[5]滕玲，赵凌，赵宏波，王鹏等，“基于BOTDA的电力特种光纤应变研究”，光通信研究，vol.38，no.3，pp.39-41,2012.

[6]Lidong Lu, Yuejiang Song, Fan Zhu and Xuping Zhang, “Dual frequency probe based coherent optical time domain reflectometry,” Optics Communications, 285, pp.2492-2495, 2012 [7]Lidong Lu, Yuejiang Song, Fan Zhu, and Xuping Zhang, “Performance limit of multi-frequency probe based coherent optical time domain reflectometry caused by nonlinear effects,” Chinese Optics Letters, 10(4): 040604, 2012

[8] Lidong Lu, Yuejiang Song, Xuping Zhang, and Fan Zhu, “Frequency division multiplexing OTDR with fast signal processing,” O ptics and Laser Technology, 44, pp. 2206-2209, 2012. [9]Yuejiang Song, Lidong Lu, and Xuping Zhang, “A novel multi-frequency coherent OTDR for fast fading noise reduction,” Optical Fiber Communication Conference, OTu1C.4:1-3, 2012.

[10]Lidong Lu, Yue jiang Song, Fan Zhu, and Xuping Zhang, “Coherent optical time domain

reflectometry using three frequency multiplexing probe,” Optics and Lasers in Engineer, accepted for publication.

[11] Xuping Zhang, Yuejiang Song, and Lidong Lu, “Time division m ultiplexing OTDR by

directly intermediate frequency synthesizing,” 22nd Int. Conf. on Optical Fiber Sensors, accepted for publication.

2.项目承担单位的研究基础

(1)项目承担单位研究水平的现状

（说明：描述中国电科院以及项目承担单位对本项目的研究基础，包括与本项目研究内容紧密相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩等。）

中国电科院信息与通信研究所在电力光通信等诸多方面具有深厚的理论基础和丰富的实践经验。项目承担单位成功开发出了国内领先的基于光时域反射技术的故障定位与预警系统，并在多个省市公司投入使用。项目承担单位在信息采集、数据处理、计算机通信等方面具有扎实的知识团队以支持本项目的深入研究。

(2)项目承担单位的人力资源

1)项目负责人

（说明：介绍项目负责人的情况，包括姓名、单位、职称、职务、与本项目相关的科

研经历、以及在本项目中的任务等。）

吕立冬，中国电科院信息与通信研究所，网络技术研究室成员。项目负责人

2009年9月至2012年6月于南京大学光通信工程研究中心从事分布式光

纤传感技术研究，并获得工学博士学位。项目负责人参加过国家973项目子

课题的新型分布式光纤传感技术研究以及诸多国家自然科学基金项目，以第

一作者发表了SCI期刊论文4篇，以及重要国际会议论文两篇，并申请了

发明专利两项。项目负责人将在本项目研究中承担新型多参量分布式光纤传感系统的理论研究和系统设计。

近期研究成果：

1.Lidong Lu, Yuejiang Song, Fan Zhu and Xuping Zhang, “Dual frequency probe based

coherent optical time domain reflectometry,” Optics Communications, 285, pp.2492-2495, 2012

2.Lidong Lu, Y uejiang Song, Fan Zhu, and Xuping Zhang, “Performan ce limit of

multi-frequency probe based coherent optical time domain reflectometry caused by nonlinear effects,” Chinese Optics Letters, 10(4): 040604, 2012

3. Lidong Lu, Yuejiang Song, Xuping Zhang, and Fan Zhu, “Frequency division

multiplexing OTDR with fast signal processing,” Optics and Laser Technology, 44, pp.

2206-2209, 2012.

4. Yuejiang Song, Lidong Lu, and Xuping Zhang, “A novel multi-frequency coherent OTDR

for fast fading noise reduction,” Optical Fiber Conference, OTu1C.4:1-3, 2012.

5. Lidong Lu, Yuejiang Song, Fan Zhu, and Xuping Zhang, “Coherent optical time domain

reflectometry using three frequency mu ltiplexing probe,” Optics and Lasers in Engineer, accepted for publication.

6. Xuping Zhang, Yuejiang Song, and Lidong Lu, “Time divisi on multiplexing OTDR by

directly intermediate frequency synthesizing,” 22nd Int. Conf. on Optical Fiber Sensors, accepted for ublication.

7. 张旭苹，吕立冬，宋跃江，多频探测光时分复用相干光时域反射仪方法和装置，发

明专利申请号：2011103599213

8. 宋跃江，吕立冬，张旭苹，多频探测光相干光时域反射仪方法和装置，发明专利申

请号：201210003827.9

2)核心研究人员

（说明：介绍技术骨干的情况，包括姓名、单位、职称、职务、以及在本项目中承担的主要工作等。原则上不超过5个人。）

李炳林，中国电科院信息与通信研究所，研究员级高工，在本项目中做需求分析。

杜科，中国电科院信息与通信研究所，工程师，在本项目中做系统规划。

黄莉，中国电科院信息与通信研究所，工程师，在本项目中做程序设计。

3)其他研究人员

（说明：列表介绍其他项目承担人员的简要情况。）

(3)项目承担单位的硬件环境

（说明：描述与本项目有关的工作业绩、已具备的实验条件、尚缺少的实验条件和拟解决

的途径等。）

项目承担单位拥有电力特种光缆实验室，可在一定程度上支持本项目的部分实验内容。另外，项目承担单位已经与南京大学光通信工程研究中心建立起

友好合作关系，在技术上双方能很好地交流合作。项目中的缺少的实验硬件可

以向南京大学光通信工程研究中心租用，如光谱仪、频谱仪、脉冲信号发生器、

光电探测器、光功率计、窄线宽激光器、掺铒光纤放大器等。

三、项目研究内容

编写要求：小四仿宋_GB2312（下同）

1.研究内容

（说明：分专题或按内容序号详细描述项目的研究内容。）

1）温度、应力、扰动、振动等感知关键技术研究。

2）相干相位解调技术。

3）高速数字信号处理技术。

4）多参量感知方案的融合技术。

2.各研究内容之间的关联性分析

（说明：分析上述各专题或内容单元之间的必要性以及关联性。如果各专题或内容单元之间没有关联性，此处略。）

温度、应力、扰动、振动等感知关键技术研究解决信息传感理论问题，将传感参量转换成光学参量的改变，从而为系统方案的选择提供指导。相干探测中，相位信息通常包含了重要的感知信息如温度、应变、振动等，因此，需要根据传感参量合理选择相位解调技术。多参量传感通常包含大量的信息，也即它对应大量的采集数据，于是，快速高效地处理采集的数据对系统的性能具有重要影响。由于，多参量分布式光纤传感方案的选择可能是多样，不同的传感方案可以在一定程度上融合，如将时域反射技术与光纤光栅传感技术融合，将基于布里渊散射效应的传感技术与相干光时域反射技术融合等，从而实现多参量分布式测量的目的。

3.项目研究的关键点、难点以及创新点

（说明：逐条分析项目研究的关键点、难点以及创新点，不要重复描述。）

本项目研究的关键点是将多个传感参量从传感信号中分离出来，因为实际的测量中温度、应力和振动等信息可能同时存在且共同影响同一光学参量，如相位或振幅。

本项目研究的难点是选择合理的光纤布置方法，主动回避多参量交叉敏感问题，或选择数据参照模型来分离出各个传感信息。

本项目的创新点是将相干探测技术、相位提取技术、相关信息识别方法和不同的传感方案相结合，从电力设施传感的实际需求出发研究适合多参量监测的分布式

光纤传感技术。

4.研究方法

（说明：展开描述项目研究采取的理论方法、技术路线等。）

将电力设施温度、应力、振动、扰动等问题转换成光纤传感中光学参量的变化，通过适当的信息解调方式提取出所需的监测参数。通过建立分布式光纤传感的理论模型，利用程序设计语言如MATLAB来仿真监测的结果并进行实验论证。

四、项目研究计划

编写要求：小四仿宋_GB2312（下同）

1.研究计划

（说明：用甘特图详细描述项目的研究计划，包括时间、责任人、研究内容等。）

2.关键环节

（说明：描述具有重要意义的关键环节。）

利用分布式光纤传感技术可以同时感知多个环境参量，但是这些参量之间通常对应同一个光学参数，如相位等，因此，本项目研究的关键环节是选择合适的分布式光纤传感方式，建立正确的计算机仿真模型，获得恰当的传感信号解调方式。

五、预期目标和成果形式

编写要求：小四仿宋_GB2312（下同）

1.预期目标

（说明：阐明项目研究预期达到的目标，包括预期解决的问题、达到的水平等。）

获得多参量分布式光纤传感技术在电力设施监测中的理论模型和系统设计方案。

2.成果形式

（说明：用表格叙述研究成果的内容和形式，包括理论研究报告、设计制造技术图纸和报告、论文、专利等，提供具有可检查性的数据（例如质量指标、技术参数等）。）

六、项目经费预算

1.预算表

单位：万元

2.预算说明

编写要求：小四仿宋_GB2312（下同）

（说明：对经费预算表中的各个科目，提供详细的预算说明，包括取费依据、计算公式等。填写附件的科目应通过市场询价来确定经费预算，应完整填写附件所有内容。）

附件1：仪器、设备购置预算明细表（单价5万元以上）

单位：万元

附件2 ：仪器、设备试制预算明细表（单价5万元以上）

单位：万元