基于分布式光纤测温装置的储能站温度监测系统设计

0引言
 

随着能源产业的持续进步，储能设施在电力系统中的作用愈发显著。然而，储能设施内部的温度分布及其变化对运行效率和设备安全具有决定性影响，甚至可能引发火灾事故，导致重大人员伤亡和经济损失。因此，对储能设施进行精确和实时的温度监控显得尤为关键。传统的温度监控手段通常存在测量精度不足、响应速度迟缓等问题，难以满足现代储能设施对温度监控的严格要求。分布式光纤传感技术凭借其高精度、实时性、长距离、良好的绝缘性能以及强大的抗电磁干扰能力等优势，为储能设施的安全运行和能效提升提供了创新的解决路径。

1分布式光纤测温技术基本原理

分布式光纤温度传感技术主要分为两大类：基于光纤光栅的准分布式温度传感技术和基于光纤散射效应的分布式温度传感技术。前者利用光纤布拉格光栅反射波长随环境温度变化的特性，结合时分复用、空分复用和波分复用技术，在单一光学系统内集成多个光纤光栅节点。通过测量每个光栅节点返回的波长信息，实现对环境温度的准分布式测量。而后者则依赖于光纤后向布里渊散射光或拉曼散射光的光学特性，这些特性会随着环境温度的变化而变化，从而实现对光纤沿线温度的分布式测量。两种分布式光纤测温系统的性能对比详见图1。

图 1 典型光纤分布式测温系统性能对比

光纤光栅传感器采用点式测量技术，需要特定的封装方式，这导致其成本较高。尽管通过波分复用等技术可以使用大量传感器实现近似分布式测量，但这种方法仍然无法实现连续空间的分布式温度测量，因此难以有效测量温度梯度。这一局限性制约了其在储能站温度监测领域的应用。另一方面，基于光纤布里渊散射的分布式温度测量技术虽然具有高分辨率的优点，但其测量结果的准确性受到应变与温度交叉敏感问题的严重影响。

基于光纤拉曼散射的分布式温度测量技术因其不存在应变与温度的交叉敏感问题，能够实现长距离测量并保持高精度，已在分布式温度测量领域得到广泛应用。该技术主要运用光纤的光时域反射（OTDR）技术以及后向拉曼散射温度效应，即通过OTDR技术进行定位，同时利用光纤的拉曼散射效应进行温度测量。光纤拉曼散射包括受温度影响的反斯托克斯光信号和不受温度影响的斯托克斯光信号。以斯托克斯光信号作为参考，可以从反斯托克斯光信号中提取出温度信息。基于光纤拉曼散射的分布式温度测量系统的基本结构如图2所示。

图2基于光纤拉曼散射的分布式测温系统基本结构

①传感光纤

传感光纤作为温度敏感介质，能够对入射光产生拉曼散射光信号，这些信号包括反斯托克斯光和斯托克斯光。其核心技术参数涵盖了传感光纤的长度、直径以及灵敏度等关键指标。传感光纤的长度直接决定了温度测量的范围，而其直径和灵敏度则对测量的准确性和响应速度产生影响。通常情况下，传感光纤的长度介于10至50公里之间，可根据具体需求进行定制。此外，通过光开关的使用，可以实现多路传感光纤的扩展，从而进一步扩大温度传感的空间范围。

②脉冲激光器、波分复用器

脉冲激光器作为系统的光源，负责产生稳定且高质量的光信号，并通过光纤进行传输。然而，在传输过程中，温度的变化会导致散射光发生改变。激光器输出的光信号品质，直接关系到温度测量的精确度以及整个系统的稳定性。波分复用器的核心作用在于分离拉曼散射光信号中的斯托克斯和反斯托克斯光，这一功能对于增强系统容量和提升系统灵活性至关重要，特别是在需要同时对多个不同位置进行温度监测的场合。

③光电探测器

光电探测器的主要作用是将拉曼散射中的斯托克斯和反斯托克斯光信号分别转换成电流或电压信号，这通常需要配备两个探测器。鉴于拉曼散射信号极为微弱，光电探测器必须具备高灵敏度、迅速的响应速度以及低噪声特性，以确保能够精确捕捉这些微弱的光信号，并有效地将其转换为电信号。

④数据采集模块。

该模块负责对2个光电探测器的输出电信号进行采集。

⑤信号处理单元。

该单元的主要职责是接收来自数据采集模块的电信号，并通过放大、滤波、解调等一系列处理步骤，提取出其中的温度信息。其技术参数涵盖了信号处理速度、噪声水平以及动态范围等关键指标，这些参数共同决定了系统检测微弱信号的能力以及其抗干扰性能。

⑥系统控制与软件。

系统通过同步触发控制，协调各模块的运作，而软件则负责实现温度数据的实时显示、存储及分析等功能。

利用光纤拉曼散射技术的分布式温度测量技术具备以下特点：首先，其测温精度高，满足了对温度监测的高精度需求；其次，它具备强大的实时监测能力，能够连续且实时地追踪温度变化，提供连续的温度数据；第三，由于光纤的衰减较小，该技术能够实现长距离的分布式温度测量，确保了大范围空间温度监测的可行性；最后，光纤分布式测量还展现出极强的环境适应性和抗干扰能力，能够在复杂的工业环境和恶劣的电磁环境中稳定运行，提供稳定的温度监测服务。因此，基于光纤拉曼散射的分布式温度测量技术，凭借其高精度、实时监测和长距离传输的特性，为储能站温度监测提供了一种创新的解决方案。它为储能站的安全运行提供了及时且可靠的监测数据支持，同时为电力系统的安全运行和能效提升提供了坚实的保障。

2基于分布式光纤测温装置的储能站温度监测系统设计

2.1储能站温度监测需求分析

2.1.1储能站特性与测温需求

储能站由于存储和释放大量能量，可能会产生显著的温度梯度。因此，选择恰当的测温点至关重要，以确保关键区域的温度能够被精确监控。鉴于储能站的安全性极为关键，测温系统必须具备极高的可靠性和稳定性，以便能够及时发出潜在温度异常的预警。

2.1.2传感光纤的优化布置

电池组构成了储能站的核心，其温度的波动直接关系到储能站的安全性。因此，光纤传感器必须紧密地附着在电池组的表面，以确保能够精确地捕捉到电池的温度数据。除了电池组本身，储能站的环境温度也应受到监控，这有助于全面了解储能站的热环境状况，并预测潜在的温度波动趋势。

2.1.3光源与检测光路的适应性

鉴于储能站的规模可能相当庞大，导致光纤的长度也随之增长，因此必须选用适合于长距离传感的光源及检测光路，以保障信号的稳定性和精确度。

在储能站内部，各种电磁干扰可能是一个问题。因此，光源和检测光路必须具备抗电磁干扰的特性，以确保测温数据的可靠性。

2.1.4雪崩光电检测器APD的性能要求

鉴于储能站内部温度的微妙变化，APD必须具备高度的灵敏度，以便检测到这些细微的温度波动。对于潜在的突发性温度异常，APD应迅速作出反应，确保系统能够即时提供温度反馈。

2.1.5数据采集与处理单元的适应性

储能站的温度监测数据量可能极为庞大，因此数据采集与处理单元必须具备高效的数据处理能力，以确保数据的实时性和准确性。鉴于温度数据对于储能站的安全至关重要，数据采集与处理单元还应具备数据备份和恢复功能，以保障数据的安全性。

2.1.6软件的智能化与定制化

软件应具备智能分析能力,能够自动识别温度异常模式,提前预警可能的安全隐患。

2.1.7系统带宽

系统带宽对系统的空间分辨率、温度分辨率以及测量时间具有显著影响。若系统带宽较低，虽然能够提升温度分辨率并缩短测量时间，但同时会降低空间分辨率，从而妨碍精确的温度响应实现。相反，较高的带宽虽然可以避免空间分辨率的下降，却会降低温度分辨率并延长测量时间，同时增加系统成本。因此，系统带宽是一个必须仔细考量的关键技术指标。

综合上述分析，针对储能站的特定需求和特性，构建一个基于分布式光纤测温技术的温度监测系统，必须深入考虑以下关键要素：储能站的独特属性、传感光纤的合适布局、光源与检测路径的匹配度、雪崩光电二极管(APD)的参数优化、数据采集与处理单元的兼容性、软件的智能化定制、系统带宽，以及系统的可扩展性与未来升级潜力。这些因素的周全考量将确保温度监测系统的精确性、稳定性、实时性和可靠性，从而为储能站的安全运行提供坚实的保障。

2.2分布式光纤测温装置主机设计

分布式光纤测温装置设计原理如图3所示。

图3展示了分布式光纤测温装置主机的设计原理。计算机处理器作为同步控制器，生成特定重复频率的电信号脉冲，进而调制光源以产生激光脉冲。同时，处理器向高速信号采集电路发送同步脉冲，确保数据采集卡能够同步开始数据采集工作。

本设计选用的激光器光源具备1550.12nm的典型工作波长，并能输出0.1至30瓦的可调峰值光功率。光脉冲通过拉曼波分复用器后进入传感光纤，本方案中使用的是62.5/125μm规格的多模光纤。在光脉冲传播过程中，与光纤介质中的分子相互作用，产生后向拉曼散射光。其中，反斯托克斯光的强度受到光纤所处环境温度的影响：环境温度升高时，散射光的强度增强；反之，环境温度降低时，散射光的强度减弱。返回至光纤起始端的后向拉曼散射光，通过波分复用器内的滤光片进行分离，斯托克斯光与反斯托克斯光分别被送入双通道光电探测器模块进行光电转换，并将电平信号放大至数据采集卡的有效采集范围内。高速数据采集卡以250MHz的采样频率对散射信号进行采集，实现0.4米的空间分辨率。采集到的数据随后被存储至指定的存储器中。一旦温度信息采集完毕，计算机系统将引导脉冲光源发射下一个光脉冲，重复上述过程。根据系统设定的累加次数，存储单元中的数据将经历多次累加平均处理。

2.3储能站温度监测系统设计

传感光纤以"S"型布局嵌入储能站的电池阵列，全面覆盖每个电池的表面，如图4所示。

分布式光纤测温系统的主机通过以太网通信接口将监测数据上传至集中监控计算机。计算机运行的程序负责解调温度信息，实时展示并存储光纤沿线的温度测量曲线，从而实现对储能电池运行状态的有效监控。

 

图 4 基于分布式光纤测温的储能站温度监测系统

4安科瑞分布式光纤测温系统

4.1概述

安科瑞的分布式光纤测温系统融合了光电信号检测与计算机技术，具备实时监测功能，测温精度高，测量距离长，并能精确定位。该系统采用光纤作为传感器和传输介质，具有抗电磁干扰、本征防雷、无电检测和本质安全等显著优点。它适用于各种复杂和危险的环境，能够广泛应用于多个领域，有效预防潜在的风险。

4.2需求分析

电阻：当电流通过导体时，会产生焦耳热，导致导体温度升高。电阻越大，电流越大，温升越明显。电力电缆、母线槽等输送电能的设备，都会受到这种影响。

化学反应：当物质之间发生化学反应时，会产生或吸收热量，导致物质温度变化。化学反应的类型、速率、条件等，都会影响温度的变化。油气管道等输送可燃物质的设备，都会受到这种影响。

摩擦：当物体之间发生相对运动时，会产生摩擦力，导致物体表面温度升高。摩擦力越大，运动速度越快，温升越明显。输煤管道等输送固体物料的设备，都会受到这种影响。

4.3分布式光纤测温原理

激光器发射出高功率的光脉冲，当这些光脉冲在光纤中传播时会发生散射。携带温度信息的拉曼散射光随后会返回到光路耦合器。光路耦合器不仅能够将光脉冲直接引导至传感光纤，还能将这些散射回来的、波长与发射光不同的拉曼散射光耦合至分光器。分光器由两个具有不同中心波长的光滤波器构成，它们分别用于提取斯托克斯光和反斯托克斯光。这两路光信号在被接收机接收后，会经历光电转换和放大处理，接着由数据采集单元进行高速采样并转换成数字信号。最终，通过进一步的信号处理，这些数据被用于计算温度。

4.4应用场景

4.5分布式光纤测温系统的功能

报警功能：包括定温报警、区域温差报警、温升过快报警、断纤报警以及装置异常等多种报警机制。

可视化显示功能：能够展示全程分区图、温度分布曲线，并实时更新重点监测点的温度随时间变化曲线。

查询功能：支持历史数据的检索与展示；用户可在系统图上直接查询设备信息、运行参数、统计信息等详细资料。

分析功能：提供历史趋势的可视化显示，并对未来趋势进行评估，为检修工作提供参考信息。

4.6分布式光纤测温系统的优点

实时监控：系统对指定区域的温度实施全天候（7×24小时）的实时监控，迅速识别并精确定位异常温度点，实现早期预警。

分布式监测：采用分布式测温技术，系统能够提供连续的动态监测信号，实时捕捉被监测物体上每隔1米（或5厘米）各点的温度变化。

技术先进：光纤既作为信号传输介质，也用于温度探测，实现了通信与传感的一体化。通过选用不同的外护套材料，系统能够适应各种环境条件。

测量精确：系统具备高精度的温度测量能力，精度可达±0.05℃，同时定位精度最高可达0.05米。

操作灵活：系统功能的设定通过主机上的应用软件完成，支持设置多级温度报警阈值，并可根据不同环境进行调整。每个报警分区可独立编程，并可根据用户需求定制。

扩展能力：系统支持对多路光纤的同时测量，用户可根据实际需求选择不同路数的设备，选项包括4、8、12、16路等。

兼容性强：系统兼容以太网口和RS485接口，向终端用户提供分区、温度及报警信息。

耐用性：在不受外力破坏的情况下，铠装感温电缆的使用寿命可长达25年。

用户友好：系统提供直观的可视化界面，界面设计简洁明了，不会增加客户的管理成本。

本质安全：系统具备本质安全特性，包括防爆、抗强电磁干扰、防雷击等。

4.7分布式光纤测温应用示例

5.结语

本文探讨了基于分布式光纤测温技术的储能站温度监测系统设计。从需求分析开始，研究了硬件选择、系统集成等关键技术，并提出了针对储能站的具体技术细节和注意事项。设计旨在构建高效、稳定、实时的温度监测系统，保障储能站安全运行。随着储能技术的进步和应用场景的拓展，系统需持续更新。未来，系统有望在技术升级、智能化与自动化、系统集成与扩展等方面实现进一步发展与应用。

参考文献

【1】范吉泰.基于分布式光纤测温装置的储能站温度监测系统设计

【2】安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版.

审核编辑 黄宇