112
Система температурного
контроля кабельных
линий СТК TOPAZ
ОСНОВНЫЕ
ПРИНЦИПЫ
РАБОТЫ
СИСТЕМ
ТЕМПЕРАТУРНОГО
КОНТРОЛЯ
(
СТК
)
Принцип
работы
оптоволоконного
датчика
Физические
воздействия
на
оптоволокно
(
такие
как
температура
,
давление
и
сила
натяжения
)
локально
изменяют
характеристики
пропуска
-
ния
света
и
,
как
следствие
,
приводят
к
измене
-
нию
характеристик
сигнала
обратного
отраже
-
ния
.
В
основе
измерительных
систем
на
основе
оптоволоконных
датчиков
используется
срав
-
нение
спектров
и
интенсивностей
исходного
лазерного
излучения
и
излучения
,
рассеянного
в
обратном
направлении
,
после
прохождения
по
оптоволокну
.
Обратное
световое
рассеяние
при
температурном
воздействии
Оптические
волокна
изготовлены
из
легиро
-
ванного
кварцевого
стекла
.
Кварцевое
стекло
представляет
собой
разновидность
двуоки
-
си
кремния
(SiO
2
)
с
аморфной
твердотельной
структурой
.
Температурные
воздействия
иници
-
ируют
вибрации
в
молекулярной
решетке
.
Ког
-
да
свет
попадает
на
термически
возбужденные
молекулы
,
происходит
взаимодействие
между
световыми
частицами
(
фотонами
)
и
электрона
-
ми
.
Таким
образом
,
в
оптическом
волокне
проис
-
ходит
световое
рассеяние
,
так
же
известное
,
как
рамановское
рассеяние
(
рисунок
1).
Обратное
световое
рассеяние
состоит
из
не
-
скольких
спектральных
составляющих
:
–
рэлеевское
рассеяние
с
длиной
волны
,
ана
-
логичной
используемой
в
лазерном
источ
-
нике
;
Частота
оптического
излучения
Инт
енсивность
Входное
излучение
с
частотой
0
Рэлеевское
рассеяние
с
частотой
0
Бриллюэновское
рассеяние
с
частотой
0
±
= ~n · 10
ГГц
= ~n · 10
ТГц
Рамановское
рассеяние
с
частотой
0
–
Рамановское
рассеяние
с
частотой
0
+
Рис
. 1.
Световое
рассеяние
в
оптическом
волокне
о
б
о
р
у
д
о
в
а
н
и
е
оборудование
–
стоксовы
компоненты
рамановского
рассея
-
ния
с
длиной
волны
большей
,
чем
у
исполь
-
зуемого
лазерного
источника
,
при
которых
испускаются
фотоны
;
–
антистоксовы
компоненты
рамановского
рас
-
сеяния
с
меньшей
длиной
волны
,
по
сравне
-
нию
с
рэлеевским
рассеянием
,
при
которых
фотоны
поглощаются
.
Интенсивность
рассеяния
так
называемого
антистоксова
диапазона
зависит
от
темпера
-
туры
,
в
то
время
как
стоксов
диапазон
от
тем
-
пературы
практически
не
зависит
.
Локальная
температура
оптического
волокна
выводится
из
отношения
антистоксовой
и
стоксовой
интен
-
сивностей
света
.
Бриллюэновские
линии
,
которые
более
ин
-
тенсивные
,
чем
стоксовы
,
но
имеют
меньший
спектральный
сдвиг
.
Этот
спектральный
сдвиг
вызван
акустическими
колебаниями
кристалли
-
ческой
решетки
волокна
и
несет
в
себе
инфор
-
мацию
о
механических
напряжениях
и
темпера
-
турах
,
воздействующих
на
волокно
.
Воздействие
механических
напряжений
и
температур
приво
-
дит
к
изменению
положения
бриллюэновской
линии
на
оси
частоты
оптического
излучения
.
Датчики
температуры
на
основе
рамановских
линий
Самым
современным
оборудованием
в
си
-
стеме
мониторинга
распределения
температу
-
ры
является
распределенный
оптоволоконный
датчик
температуры
на
основе
рамановских
линий
.
Принципом
работы
датчика
является
то
,
что
интенсивность
стоксовой
рамановской
ком
-
поненты
рассеянного
излучения
практически
не
зависит
от
температуры
,
а
интенсивность
антистоксовой
линии
сильно
связана
с
темпе
-
ратурой
.
Это
позволяет
,
определяя
отношение
интенсивности
антистоксовой
линии
и
стоксо
-
вой
линии
,
определять
значение
температу
-
ры
.
Данный
подход
позволяет
избавиться
от
погрешности
,
связанной
с
возможными
флук
-
туациями
мощности
зондирующего
лазерного
импульса
.
Системы
этого
типа
могут
работать
на
расстояниях
в
несколько
километров
.
Про
-
странственное
разрешение
может
достигать
0,5
м
.
Технология
DTS
на
базе
рамановского
рас
-
сеяния
позволяет
использовать
стандартный
волоконно
-
оптический
кабель
длиной
до
15
км
в
качестве
распределенного
датчика
темпера
-
туры
.
ТМ
113
ПРЕДПОСЫЛКИ
ДЛЯ
РАЗРАБОТКИ
СИСТЕМЫ
ТЕМПЕРАТУРНОГО
КОНТРОЛЯ
TOPAZ
Система
автоматизации
питающего
центра
(
АСУ
ТП
ПС
)
представляет
собой
большую
распреде
-
ленную
многоуровневую
информационную
сис
-
тему
,
обрабатывающую
десятки
тысяч
сигналов
от
различных
подсистем
:
ССПИ
,
РЗА
,
РАС
,
ПКЭ
,
ЧР
и
т
.
д
.
Обязательными
условиями
эффективной
экс
-
плуатации
систем
АСУ
ТП
являются
:
–
комплексная
диагностика
состояния
силового
оборудования
;
–
стандартизованный
подход
к
построению
АСУ
ТП
и
смежных
подсистем
;
–
применение
только
открытых
протоколов
пере
-
дачи
данных
;
–
единые
требования
к
классификации
,
кодиро
-
ванию
и
представлению
информации
;
–
самодиагностика
всех
элементов
системы
.
Как
показал
анализ
ситуации
с
распростра
-
ненными
на
рынке
системами
температурного
контроля
,
степень
их
интеграции
в
АСУ
ТП
даже
ниже
,
чем
АИИС
КУЭ
.
Но
в
случае
с
АИИС
КУЭ
это
обосновано
организационными
причинами
,
в
слу
-
чае
с
СТК
никакого
обоснования
нет
.
При
том
,
что
система
термоконтроля
,
фактически
,
представ
-
ляет
собой
виртуальный
датчик
температуры
на
каждом
погонном
метре
высоковольтного
кабеля
,
в
АСУ
ТП
по
стандартному
протоколу
обычно
пере
-
дается
лишь
36
ма
-
лоинформативных
интегральных
па
-
раметров
,
хотя
,
при
питании
ПС
от
2-
х
КЛ
и
характерной
длине
КЛ
8
км
,
для
трех
фаз
полезную
информа
-
цию
представляют
48 000
измерений
температуры
с
ин
-
тервалом
в
1
минуту
.
По
36-
ти
интеграль
-
ным
параметрам
не
-
возможно
выполнять
расчетные
задачи
(
например
,
прогно
-
зирование
допусти
-
мой
нагрузки
на
КЛ
),
осуществлять
ото
-
бражение
резуль
-
татов
измерений
на
картах
и
схемах
,
от
-
слеживать
динамику
процессов
.
Распро
-
страненные
на
рын
-
ке
системы
темпе
-
ратурного
контроля
имеют
возможность
анализа
и
отобра
-
жения
только
сред
-
ствами
закрытого
ПО
,
поставляемого
Система
СТК
TOPAZ
Наименование
параметра
Значение
Режим
работы
непрерывный
Диапазон
измерений
по
тем
-
пературе
от
–200 °
С
до
+ 650 °
С
Температурное
разрешение
0,1 °
С
Диапазон
измерений
по
длине
кабеля
,
км
0,5; 2; 4: 8; 12; 15
Шаг
измерений
по
длине
1
м
Тип
волокна
многомодовое
,
50/125
или
62,5/125
мкм
Длина
волны
лазера
975
нм
или
1550
нм
Номинальное
напряжение
питания
24
В
(
постоянный
ток
)
или
220
В
(
переменный
ток
)
Максимальный
потреб
ляемый
ток
не
более
300
мА
Потребляемая
мощность
не
более
30
Вт
Время
одного
измерения
3
с
на
4
км
,
от
12
с
на
15
км
Время
установления
показа
-
ний
(
выходного
сигнала
)
не
более
10 c
Предел
допускаемой
основ
-
ной
погрешности
измерения
температуры
:
–
в
эксплуатации
–
после
калибровки
не
более
±0,5 °
С
не
более
±0,1 °
С
Точность
определения
места
обрыва
волоконно
-
оптическо
-
го
кабеля
не
более
1
м
Количество
каналов
1, 2, 4, 8
или
16
Класс
лазерной
безопасности
1
М
согласно
ГОСТ
IEC
60825-1-2013
Класс
защиты
от
поражения
электрическим
током
не
ниже
II
производителем
систем
и
имеющего
технические
ограничения
по
архитектуре
системы
— 1
АРМ
,
1
сервер
БД
и
т
.
п
.
Для
полноценной
интеграции
в
АСУ
ТП
необ
-
ходима
передача
всех
измерений
температуры
по
стандартным
протоколам
связи
и
выполнение
задач
анализа
и
графического
отображения
сред
-
ствами
АСУ
ТП
.
При
этом
стоит
отметить
,
что
далеко
не
все
существующие
АСУ
ТП
способны
обрабатывать
и
хранить
такое
количество
информации
.
ОСНОВНЫЕ
ТЕХНИЧЕСКИЕ
ПАРАМЕТРЫ
СТК
TOPAZ
Система
СТК
TOPAZ —
стационарная
автомати
-
ческая
многоканальная
система
непрерывного
действия
.
Измерение
температуры
основано
на
измерении
оптического
рамановского
обратного
рассеивания
с
использованием
оптической
реф
-
лектометрии
во
временной
области
.
л
и
р
п
и
К
п
ц
4
те
те
П
н
в
р
(
н
зи
м
о
б
та
ка
сл
п
ст
ке
р
и
а
ж
ст
Рис
. 2.
Шкаф
СТК
TOPAZ
№
1 (40) 2017
114
Варианты реализации системы термоконтроля на базе ПТК TOPAZ
АППАРАТНАЯ
ПЛАТФОРМА
СТК
TOPAZ
Система
термоконтроля
TOPAZ
позволяет
ис
-
пользовать
в
качестве
аппаратной
платформы
как
отдельные
серверы
,
так
и
серверы
АСУ
ТП
ПС
.
В
клиентской
части
используется
программное
обеспечение
TOPAZ SCADA CLIENT
с
расшире
-
нием
TOPAZ
Термоконтроль
,
которое
может
быть
установлено
и
использоваться
либо
на
отдельных
автоматизированных
рабочих
местах
операторов
СТК
,
либо
на
автоматизированных
рабочих
местах
операторов
АСУ
ТП
(
то
есть
реализована
полная
интеграция
с
АСУ
ТП
ПС
).
ПТК
TOPAZ,
в
состав
которого
входит
C
истема
термоконтроля
TOPAZ,
позволяет
организовать
единый
диспетчерский
пункт
(
систем
телемехани
-
ки
,
АСУ
ТП
и
термоконтроля
),
в
том
числе
на
осно
-
ве
АСТУ
TOPAZ
с
поддержкой
С
IM-
модели
.
КЛЮЧЕВЫЕ
ОСОБЕННОСТИ
СТК
TOPAZ
Итак
,
в
чем
же
заключаются
ключевые
особенности
СТК
TOPAZ
и
отличия
от
аналогичных
сис
тем
,
пред
-
ставленных
на
рынке
?
Прежде
всего
,
это
эффективность
внедрения
и
эксплуатации
за
счет
унификации
:
ОБОРУДОВАНИЕ
115
–
масштабируемое
единое
ПО
,
применяемое
как
в
серверах
TOPAZ
в
составе
СТК
,
так
и
в
АСУ
ТП
;
–
масштабируемое
аппаратное
обеспечение
,
так
-
же
применяемое
как
в
составе
СТК
TOPAZ,
так
и
в
АСУ
ТП
;
–
унификация
знаний
и
навыков
эксплуатирующего
персонала
,
типовых
решений
,
ПО
,
устройств
,
ЗИП
;
–
легкая
масштабируемость
,
реализация
автомати
-
зированных
алгоритмов
АСУ
ТП
на
основе
авто
-
матической
обработки
данных
СТК
TOPAZ.
Во
-
вторых
,
независимость
пользователя
от
одно
-
го
производителя
:
–
применение
в
СТК
TO
PAZ
только
стандартных
протоколов
обмена
;
–
ПО
предназначено
для
работы
на
различных
платформах
;
–
система
(
ПТК
TOPAZ)
применяется
не
у
од
ного
-
двух
заказчиков
,
а
у
многих
заказчиков
в
одной
отрасли
;
–
в
качестве
хранилища
дан
ных
используется
сис
-
тема
управления
базами
данных
СУБД
MySQL
с
открытыми
исходными
кодами
;
–
возможность
обмена
информацией
с
устройства
-
ми
различных
производителей
.
В
третьих
,
надежность
СТК
за
счет
построения
на
основе
типовых
приборов
и
компонентов
,
выпускае
-
мых
серийно
и
многократно
опробованных
в
других
сис
темах
:
–
использование
безвентиляторных
решений
для
приборов
термоконтроля
и
для
системы
гаранти
-
рованного
питания
;
–
применение
безвентиляторных
высокопроизводи
-
тельных
промышленных
контроллеров
в
качестве
серверов
;
–
резервирование
серверов
и
каналов
передачи
данных
.
ВЫВОДЫ
Таким
образом
,
применение
системы
температурного
контроля
СТК
TOPAZ
обеспечивает
как
реализацию
непосредственных
задач
термоконтроля
кабельных
линий
,
так
и
полноценную
интеграцию
в
АСУ
ТП
с
пе
-
редачей
данных
по
стандартным
протоколам
обмена
информацией
для
последующего
выполнения
расчет
-
ных
задач
,
отображения
результатов
на
картах
и
схе
-
мах
,
отслеживания
динамики
процессов
.
Внедрение
СТК
TOPAZ
позволяет
проводить
ра
-
боты
по
монтажу
,
наладке
,
вводу
в
эксплуатацию
в
сжатые
сроки
,
а
также
выполнять
модернизацию
и
расширение
систем
АСУ
ТП
путем
доустановки
и
интеграции
СТК
без
каких
-
либо
технологических
сложностей
.
Р
ЛИТЕРАТУРА
1.
Моисеева
Н
.
П
.
Волоконно
-
оптические
датчики
темпе
-
ратуры
. URL: http://www.temperatures.ru
2.
Скворцов
Д
.
А
.
Комплексная
автоматизация
сетей
20
кВ
//
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ
.
Передача
и
распределение
, 2015,
№
4(31).
С
. 80–83.
ООО
«
ПИЭЛСИ
ТЕХНОЛОДЖИ
»
является
разработчи
-
ком
и
производителем
ПТК
«TOPAZ»,
предна
-
значенным
для
созда
-
ния
таких
систем
,
как
АСТУ
,
АСУТП
,
ССПИ
,
ТМ
,
АИИС
КУЭ
,
РАС
,
ПКЭ
,
СТК
КЛ
, Smart
Grid
и
др
.
ПТК
TOPAZ
применяется
более
чем
в
:
• 207
АСУТП
и
ССПИ
ПС
220
кВ
и
110
кВ
;
• 2200
РП
и
ТП
6–20
кВ
;
• 12
ЦУС
и
ДП
,
• 230
АСУТП
объектов
городской
и
транспортной
инфраструктуры
.
ООО
«
ПиЭлСи
Технолоджи
» —
предприятие
без
иностранного
участия
в
уставном
капитале
,
имеющее
на
территории
России
полный
производ
-
ственный
цикл
,
а
именно
:
–
разработку
электронных
блоков
и
контролле
-
ров
,
включая
схемотехнические
и
дизайнерские
решения
,
а
также
программирование
микрокон
-
троллеров
;
–
серийное
производство
электронных
блоков
и
контроллеров
,
включая
производство
плат
на
современной
автоматической
роботизирован
-
ной
линии
;
–
разработку
специализированного
программно
-
го
обеспечения
TOPAZ SCADA
для
контролле
-
ров
уровня
объекта
,
серверов
и
автоматизиро
-
ванных
рабочих
мест
(
АРМ
);
–
серийное
производство
комплектов
(
шкафов
)
для
ССПИ
,
АСУ
ТП
,
АСКУЭ
,
ККЭ
,
РАС
,
РЗА
;
–
проектирование
ССПИ
,
АСУ
ТП
и
др
.
–
монтаж
ССПИ
,
АСУ
ТП
и
др
.
на
объектах
за
-
казчика
.
www.tpz.ru
№
1 (40) 2017
Оригинал статьи: Основные принципы работы систем температурного контроля (СТК)
Физические воздействия на оптоволокно (такие как температура, давление и сила натяжения) локально изменяют характеристики пропускания света и, как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.
