【摘要】OPPC（光纤复合相线）是建设统一坚强智能电网的理想传输介质之一。这种将光纤单元复合在相线中的光缆可以充分利用电力系统自身的线路资源，不需要另外架设通信线路就可以解决电网的自动化、调度、保护等问题，具有传输电能、通信及对导线的运行温度进行在线监测的多重功能。采用此技术可以掌握导线的温度变化，及时调整导线传输容量，对线路的安全运行和充分利用线路的承载能力都有非常重大的意义。本文阐述了对架空线路运行温度实时监测的意义，介绍了电缆测温领域中的光纤测温新技术和光纤通信领域中的OPPC新技术，提出了利用多模光纤OPPC技术全程实时高精度监测线路导线温度以及全断面检测等新技术。
【关键词】OPPC；架空线路；多模光纤测温；全断面检测
1.前言
进入21世纪以来，随着世界经济的发展，能源需求量持续增长，环境保护问题日益严峻，调整和优化能源结构，实现可持续发展成为人类社会普遍关注的焦点，更成为电力工业实现转型发展的核心驱动力。在此背景下，智能电网成为全球电力工业应对未挑战的共同选择。智能电网是将先进的传感量测技术、信息通信技术、分析决策技术和自动控制技术与能源电力技术以及电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。其智能化主要体现在可观测、可控制、实时分析和决策，自适应和自愈这四个方面。解决能源安全与环保问题，应对气候变化是我国发展智能电网的核心驱动力。输电网智能化设计是智能电网发展的重点。输电线路作为电力输送的物理通道，地域分布广泛、运行条件复杂、易受自然环境影响和外力破坏、巡检维护工作量大。采用先进的状态监测技术手段及时获取输电线路的运行状态和环境信息显得越来越重要和迫切。随着首都经济社会的不断发展，长距离架空输电线路多架设于市郊、山区等偏僻地段，由于线路运行环境偏僻、恶劣，加之线路路径较长，这就给线路运行维护工作带来了巨大的困难。目前，输电线路的巡检工作仍旧采用传统的人力沿线巡视方法，有些线路架设地根本不具备通车条件，靠检修人的步行巡视大大降低了工作效率，且不易发现故障点，线路运行环境的险恶对人身安全也产生了巨大的威胁，这已经与当今社会以人为本的理念相背离。采用OPPC实现架空线路的测温及通信技术，实现对架空输电线路导线温度的监测及通信功能，对输电导线的运行状态和环境信息进行实时监测和控制，如成功挂网运行，运行人员在监控室就可实时掌握线路的运行情况，对故障点掌握清晰准确，大大提高了检修效率，对线路运行维护具有革命性的意义。采用此技术可以掌握导线的温度变化，及时调整导线传输容量，对线路的安全运行和充分利用线路的承载能力都有非常重大的意义。
2.架空线路测温的意义
2.1 对架空线路实时在线测温有利于实时掌握线路的安全运行状态
架空线路的安全运行状态主要是取决于导线的弧垂，而弧垂与导线的运行温度密切相关，因此，通过对导线温度的监测，我们就能够掌握导线的运行状态。一般说来，金属材料会随着温度变化而出现热胀冷缩的现象，反应在架空线路的情况就是：温度升高，导线膨胀，线路弧垂就会增大，对地距离近，发生接地等故障的概率就高，甚至不能满足对地安全距离要求；反之，温度减低，导线收缩，应力增大，线路弧垂就会减小，保证了导线的对地安全距离要求。因此，对架空线路实时在线测温有利于实时掌握线路的安全运行状态。
2.2 对架空线路实时在线测温有利于实时控制线路电流
导线运行温度受多方面因素影响，除受到外部环境温度、日照强度、风速、辐射系数、吸热系数等气象条件影响外，还受到导线的实际输送电流影响。由于受到环境气象和实时电流等多重因素的影响，导线运行温度时刻在变化，单靠测量环境气象条件或单靠测量导线的电流来推测导线的运行温度和运行工况是不准确的，甚至是不可能的。因此，需要采用某种方式对架空线路进行在线测温，从而可以指导调度部门在不同的季节、时令、线路负荷情况，根据导线温度的变化实时增加或减少线路负荷。
2.3 对架空线路实时在线测温有利于夏季大负荷期间提高线路输送容量
在线路实际设计和建设过程中，为了保证线路能够适应各种运行工况，导线设计制造的通流容量一般都会留有一定的裕度，而调度部门由于不能掌握导线实际运行温度，只能按照线路导线设计容量值运行，不敢在设计容量值基础上，适当提高线路输送容量。夏季大负荷期间，当线路中的实际电流接近设计极限值时，调度运行部门就会采取限负荷措施，而不会根据导线的实际运行情况，适当提高导线输送容量来避免限负荷情况的发生。如果我们实现了对架空线路的测温，为调度运行部门实时提供导线的运行温度，调度部门就可以根据导线的运行温度、线路负荷情况，适当提高导线输送容量。2007年北京市电力公司开展电缆光纤测温工作，根据统计数据显示，电缆线路实时在线测温，电缆线路的通容量提高了20%～25%。如果对架空线路实现了在线测温，架空线路的通容量会提高多少呢？又会为我们创造多少经济效益呢？
2.4 对架空线路实时在线测温为冬季在线融冰、融雪创造了条件
目前，融冰融雪措施主要有两种途径，一是在相关站点放置融冰融雪负载，通过临时提高导线电流，提高导线温度，从而达到融冰融雪的目的；二是在导线上缠上发热体，通过发热体发热来融冰融雪。这两种思路的有一个要解决的共性问题，就是需要实时掌握导线表面的运行温度，以避免融冰融雪过度而熔断导线或者电流太小冰雪不能融化的问题出现。因此，对架空线路实时在线测温，为实时控制导线温度、导线电流提供了参考数据，从而，为融冰融雪创造了条件。
3.架空线路测温技术应用情况
目前，由于架空线路测温方式有很多种，如红外扫描、电偶等。但采用这些设备进行导线测温都存在一定的弊端。运用红外扫描就是将红外扫描设备搬移至架空线路下方，瞄准导线进行测试，这种测试方式，存在着测试方式有限，只能对人为指定的点进行测试，不能对全线路进行监测的弊端；存在着测试时，需要专业技术人员进行测试，而不是自动的、无人的、实时测试的弊端；存在着需要为测试设备提供不间断电源，受电源限制，测试的区域有限的弊端。电偶测试，可以沿线测试，但由于电偶本身需要电源，存在着无法进行无源测试，无法将测试的数据远距离输送到调度端的弊端，存在着有源元件维护困难的问题。因材红外扫描和电偶在实际生产过程中没有得到广泛推广应用，这些测温方式仅适合于实验式测温，不适合在工业自动化控制、生产中广泛应用。那么。要想在工业化生产中能够广泛推广，就必须做到对架空线路进行长距离、实时、在线测温，做到能将测温数据远距离、实时上传到调度端，同时感温元件又是无源的、免维护的。光纤测温不失为一个好的办法。
4.光纤测温技术介绍
4.1 光纤测温的原理
简单的说，光纤测温技术就是利用光纤既能作为传感元件，同时又能作为通信元件的特性，将光纤附着在待监测物体上，将物体温度实时上传给站端的技术。
目前光纤测温主要有两种方法，一种方法是利用拉曼反射，另一种方法是利用光纤刻录特殊的光栅对温度敏感性进行测温，两种方法工作原理如下：
拉曼反射原理；拉曼反射是指激光器向被测光纤发射光脉冲，该光脉冲通过光纤时由于光纤存在折射率的微观不均匀性，以及光纤微观特性的变化，有一部分光会偏离原来的传播向空间散射，在光纤中形成后向散射光和前向散射光。其中，后向散射光向后传播至光纤的始端，经定向耦合器送至光电检测系统。由于每一个向后传播的散射光对应光纤总线上的一个测点，散射光的延时即反应在光纤总线上的位置。后向反射光的强度与光纤中反射点的温度有一定的相关关系，反射点的温度（该点光纤的环境温度）越高，反射光的强度也越大。也就是说，后向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象，通过测量出背向反射光的强度和延时，就可以计算出反射点的温度和位置，这就是利用光纤的拉曼反射测量温度的基本原理。
光栅光纤测温原理；用激光刻录成的光栅光纤是利用光纤材料的光敏性，通过特殊的加工方式，使纤芯内形成空间相位光栅，局部形成一个窄带的反射镜面，对特定波长的光形成反射。当光纤的温度发生变化时，光栅的周期会随着光纤的热胀冷缩发生变化，该变化会改变反射波长，通过测量反射光的波长变化，便可测量出光栅所处位置的光纤感应温度。同样，通过测量反射光的延迟，可得知光栅的位置。这就是利用光栅光纤测温的原理。
4.2 两种光纤测温方式的比较
由于两种测量方法的原理不同，对设备的要求也完全不同。
拉曼反射测温方式，由于是利用光纤本身的散射来感应温度变化，而且散射的信号非常弱，要求设备发射光源功率大，接收端灵敏度高。拉曼反射测温方式的优点是可以使用普通多模光纤，测温点数没有限制（可达到1米1个测温点-可以理解为连续测量）。其劣势在于对光源功率和测量设备要求很高，随测试距离增加设备成本增加。理论测量距离在可达30公里。
通过光纤刻录成的光栅光纤，测温方式由于是特制有针对性的光纤，反射信号强，对设备的发射功率和接收灵敏度要求都低于拉曼反射测温方式。光栅光纤测温的优点是测量距离远，测量距离可以在100公里以上。其劣势在于必须使用特殊的通过光纤刻录成的光栅光纤，测量的点数有限制。
4.3 光纤测温系统的组成
光纤测温系统主要由测温光缆、控制器构成。其中，导线/测温光缆沿架空线路敷设在导线上，用于感应导线沿线温度；光纤温度测量控制器放置于变电站，用于测量导线沿线不同位置的温度。
同时利用单根光缆实现温度监测和信号传输，综合利用光纤拉曼散射效应（Raman scattering）和光时域反射测量技术（Optical Time-Domain Reflectometry，简称OTDR）来获取空间温度分布信息的测温系统，称为分布式光纤测温（DTS）系统。
利用光纤光栅网络分析仪、工业监控计算机、系统软件组成的实时监测测温系统，称为光栅光纤测温系统。
4.4 光纤测温功能特点
光纤测温具有如下几方面的特点：
(1)实时性
光纤测温系统对导线的测温是实时的，根据测试距离、测量精度、空间分辨率等要求确定测量时间。例如：在15公里长、测量温度分辨率为±1℃时，测量时间一般能达到150秒。在设备测量能力一定的情况下，降低温度分辨率等非关键指标，我们可以进一步缩短导线测温时间，提高测温实时性，达到十几秒。
(2)精度高
在测试距离为10公里的范围内，系统测量的空间分辨率为1.5米，温度精度好于±1℃。
在设备能力一定的情况下，如果降低空间分辨率等非关键性指标，我们可以延长导线温度测试距离到十几公里，甚至二十几公里，从而进一步满足实际线路需求，降低单位公里的线路测温成本。
(3)数字化
测温系统的输出是数字信号，可以直接通过电力系统的光纤通信网、计算机网络上传到调度端，从而实现对导线运行温度的远程监控。
(4)无源性
测温光纤是一种无源测温材料，在光纤测温系统中，光纤既是感温元件又是通信介质，其外形结构、安装位置不影响线路的电气安全和机械强度，由于在感温和通信过程中，光纤不需要电源，从而光纤测温技术不影响现有线路的正常运行和检修维护模式。
4.5 光纤测温技术应用情况
2006年，北京市电力公司首次在220千伏高压电缆外部敷设测温光纤，开始采用对高压电缆温度进行实时监测，实现了对电缆温度的实时监测、故障定位、故障预警等功能，极大地提高了公司电缆网的运行管理水平，基本实现了电缆网的状态检修。之后，北京市电力公司在北京城区各220千伏站安装了测温主机近50台，实现了对200多公里长电缆线路的运行温度在线监测。正是由于光纤测温技术具有测试距离远、空间分辨率高、温度分辨率高、免维护等特点，光纤电缆在线测温技术在北京市电力公司电网中广泛应用。
5.架空线路光纤测温技术应用
光纤测温技术在电缆测温方面的应用是将测温光纤缠绕在电力电缆外部，放置测温光纤比较容易实现，那么如何将测温光纤敷设在架空导线上呢？有两种方式：一是将光纤缠绕在导线上，另一种是将光纤穿在导线内部。将光纤缠绕在导线上存在几点不足：一是受风速等外部环境影响，温度测量不准确；二是光纤较导线长度长，测试空间范围不准确，同时缩短了测试距离；三是光缆与导线之间的紧密固定比较困难。如果能将光纤穿在导线内部，我们就将有效地规避上述问题。那么，怎样将光纤穿在导线内部呢？可以利用OPPC技术，在此技术基础上进一步改进即可实现。
6.OPPC技术的解释
OPPC的英文全称为Optical Phase Conductor，中文意思为光纤复合相线。OPPC首先是作为导线，实现电流的输送，其次是作为通信光缆，实现光纤通信。该技术是将传统输电相导线中的一根或多跟钢丝替换为不锈钢管光单元，使刚管光单元与（铝包）钢线、铝（合金）线共同绞合形成OPPC，实现输电和光纤通信的双重功能（如图1所示）。
7.OPPC技术应用情况
随着光纤通信的快速发展，电力系统利用带有架空地线的线路架设OPGW（英文全称为：Optical Ground Wire中文意思为光纤复合地线）。但是，对于35千伏及以下输电线路，由于该类输电线路一般不架设地线，且其杆塔不高，又该如何架设光缆呢？20世纪80年代，国际上一些国家着手OPPC技术，即在不能架设OPGW和ADSS（英文全称为All-Dielectric Self-Supporting Cable中文意思为全介质自承式光缆）的线路上，利用导线复合光纤（OPPC）架设光缆，实现了电力系统的光纤通信。目前，欧洲已在150kV、420kV的线路中架设，OPPC的应用已有20多年的历史。国内，在贵州-都匀（电压等级：35千伏，导线型号：OPPC-12B1-120/25，线路长12公里）、海南省-琼山红旗-三门坡（电压等级：35千伏；导线型号：OPPC-12B1-150/25，线路长19公里）等线路已有应用。
8.利用OPPC技术实现架空线路在线实时全程测温
OPPC技术是在相导线中穿入通信光纤实现光纤通信，如果我们在OPPC技术基础上，将通信光纤撤除改为测温光纤，是否能够实现架空线路的在线测温呢？答案是可行的。直接套用OPPC技术不可行，我们还需要将光纤测温技术与输电线路的特性结合起来，进行技术改进。
1）光栅测温系统由于必须使用特殊的光纤光栅，测量的点数有限，不能够进行导线连续测温。所以要想实现对架空线路持续不间断的测温，也就是全程测温，就得考虑使用分布式光纤测温系统（DTS）。
分布式光纤测温装置测温距离有限，对220千伏及以上电压等级的长线路测量，需要研究一个合适的系统方案。
目前，利用拉曼反射原理的现有测温装置测温距离最长约30公里，对于架空线路来说，尤其是500千伏以上的架空线路，该测试距离比较短，不能满足长距离线路的温度监测。但是，我们可以采用背靠背的测试方式延长监测范围（如图2所示）。
若A站-B站，B站-C站，C站-D站，距离均为60公里，那么在站点A分别测试AE线30公里，在站点B分别测试BE线30公里和BF线30公里，在站点C分别测试CF线30公里和CG线30公里，以此类推，从而实现了光纤测温装置能够监测A站-B站，B站-C站，C站-D站之间的各60公里长线路。因此，利用光纤测温技术对几十公里长的线路进行测温成为可能。
2）需要采用光电分离的接续金具
OPPC光纤复合相线的接续需要在运行的导线中将光纤单元分离出来，其采用光纤接续和光电分离技术，对接续的技术、绝缘水平有严格的要求。同OPGW光缆一样，OPPC光纤复合相线是按定长生产，其光纤接续工作只能在耐张塔上采用接头盒接续，约3公里~5公里就需接续一次。OPPC接头盒可分为中间型和终端型2种：中间接头盒采用“导电式非绝缘接纤盒”，终端接头盒采用“高压隔离绝缘接纤盒”。
OPPC的中间接头盒和终端接头盒除了要具备一般接头盒必备的特点外（防水防潮、有合理的固定光缆方式、合适的盘纤结构等），还必须在保证光纤传输性能的前提下不影响输电线路的正常运行。在OPPC中，由于电流和光纤传输信号是在同一根线缆中传输，所以光信号要求连接到零电位水平才能安全可靠地隔离电压，保证线路安全运行。
OPPC的中间接头盒按照其在杆塔上的安装形式一般采用固定支撑式和悬挂式两种结构，盒内结构与光纤接续方法与OPGW或ADSS基本类似，采取一次熔接完成。安装方式一般有2种：即非固定式和固定支撑式。OPPC终端接头盒规格较多，总结起来主要有两种接续方式，即一次接续型和二次接续型。一次接续型接头盒在接续时只需一次完成，接续时间短，同时降低了接头损耗。但由于终端接头盒中间部分的绝缘子是空心的，导引光缆穿过终端盒后必须注油密封，否则会影响绝缘效果，这就需要接续人员在现场（杆塔上）完成注油、密封等工作，给施工造成一定难度；二次接续型终端接头盒的缺点是接续分两次完成，会增加接续时间和损耗（虽然这种损耗很小），但其在厂家制造接头盒时就已经把跳线光纤穿过终端盒并注油密封，省去了施工人员在现场接续的时间，便捷了施工。两种接续方式在线路设计时均能满足工程需要。
在线路中间进行光缆接续时，由于光信号不受电磁信号的干扰，可以不对其进行光电隔离，但在OPPC进入变电站时需将缆线的高电压与光通信信号进行有效的隔离，避免将高电压引入通信机房，对通信设备及人员安全造成伤害。
3）其他需要解决的细节问题
利用OPPC技术进行光纤测温，还需要解决导线内光纤冗余长度与测温设备测试精度配合问题，还需要解决出现OPPC导线断线等事故时，光纤接续与导线接续的问题、测温设备的测试时间和测试精度的关系处理等实际应用过程中的细节问题。
9.利用OPPC技术实现架空线路在线实时全程通信
利用OPPC技术将架空线路导线的温度信息实时传送到了变电站，之后是否能够实现数据的上级传送呢？答案是可以预期的。图3是我们的一个方案构想。
光纤测温系统是由测温OPPC光缆、测温主机、工控机和系统软件组成。
电源侧变电站测温主机通过光开关接收测温光缆的检测信号，通过对检测信号的分析处理，获得光缆上的温度数据和对应的空间距离，然后将这些测温数据送到测温工控机，通过TCP/IP网络协议，将测温主机与区调计算机局域网相连，使测温数据和报警信息除在本地存储、显示外，最终可通过网络上传到区调。
10.全断面检测方案的设想
利用OPPC技术实现了架空线路的实时全程测温，那么它所采集到的温度是否精确呢？到目前为止，国内外均没有可靠数据来检测。目前电力系统输电线路外部数据采集装置很多，如导线温度监测、环境微气象监测、杆塔倾斜监测、应力监测等，但其目前每个测试点数据均按单路公网传回，不仅占用资源过多，同时也会受到公网信号覆盖范围的控制，而且公网通信带宽无法控制、运行成本很高等，也有部分线路采用自建无线传递基站，自行传递，但这样长距离传输建设成本比较高。如何解决这个难题呢？我们提出以下方案设想：
采用近距无线自适应集群通信与远距离集中通讯相结合的新技术方案。利用接触式测温系统经近距无线传输自动汇总到通信管理单元汇集，并经GPRS传到GPRS接受机，在经过转接设备及通道传送至后台机显示。接触式测温系统由多个接触式测温探头和温度转换、近距无线传输、GPRS远程通信部件构成。
选择三基耐张塔部署接触式测温系统，并采取了全断面（三相导线）测温方案，既在OPPC导线及同一对应位置的另外两相导线上进行同步监测温度及电流，在需要监测的输电线路导线指定位置安装接触式导线测温单元，在其附近指定的OPPC金具上接触式金具测温单元。接触式测温单元负责实时采集导线的表面温度，并经过装置自带的小功率无线通讯将数据上传至通信转发单元。通信转发单元通过GPRS与主站系统通讯（预留经OPPC光纤导线远传接口），将测温数据传输到主站接收系统汇总。主站接受系统通过通信管理机与指定系统进行通信，提供全线各测点的实时测温数据。
所有线路侧测温及通信装置均自带线路电流感应取电及可靠电池系统，终端结构设计采用防水及自然散热设计，在任何情况下均不能损伤导线，确保线路运行安全。在线路无电流期间，应具备节电测温通讯模式。应在无电流状态具备45天的测温及节电方式通讯功能。
接触式测温适合作为OPPC光纤全程测温方式进行测温辅助参照，能有效协助后台校正测温距离、校正温度有效值的转换参数。
为了方便安装调试、运行检查、功能演示及成果示范，要求接触式测温厂家提供塔下收集测温信息的手持机，以便现场人员与后台人员同时观察示范现场的温度等信息，同时，GPRS线路出现临时联络不畅时，进行现场巡线抄数。
图4是方案部署示意图。
11.结论
在当前建设智能电网的大背景下，对电网内各元器件的监测是实现电网智能化的前提，目前，我们逐渐或者是已经实现了对变电站内设备的在线监测，而对架空线路的在线监测却还是空白，这是由于架空线路分布范围广，若采用有源监测，就会增加现状线路的维护难度，增加线路维护成本，影响现有线路正常运行和检修维护模式。由于具备无源性、实时性、高可靠性等特点，且光纤测温不影响现有线路的正常运行和检修维护模式，利用OPPC技术实现架空线路实时在线测温是可行的。随着光纤测温设备的升级换代，测温能力不断提高，导线连接金具的改进，光纤技术的发展，应用光纤对导线测温的技术必将会得到广泛应用。
参考文献
[1]何家健,范桂欣,朱占巍.光纤分布式温度监测系统在电缆温度监测中应用的探讨[J].北京电力技术.
[2]宋牟平,汤伟中,周文.拉曼型分布式光纤温度传感器温度分辨率的理论分析[J].
