監(jiān)測(cè)意義

我國高壓輸電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成了全國聯(lián)網(wǎng)的格局，總規(guī)模世界第一。2018年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)19.0億千瓦，全國 220kV及以上輸電線路回路長(zhǎng)度超過71萬公里。我國電力能源集中在西北，而用戶則集中在華東華南，所以高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是長(zhǎng)距離，大跨度，途徑的自然環(huán)境多種多樣。在高濕高寒的惡劣環(huán)境中，輸電線非常容易發(fā)生覆冰舞動(dòng)事故，由于覆冰形成的規(guī)則的非圓斷面的纜線在風(fēng)的激勵(lì)下形成諧振，造成低頻，大幅度的機(jī)械振動(dòng)，會(huì)使導(dǎo)線、桿塔、絕緣子和金具等受到不平衡沖擊而疲勞損傷。由覆冰舞動(dòng)引起的輸電線路倒塔、斷線、掉串、相間閃絡(luò)及跳閘等事故對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重的威脅。因此,對(duì)高壓輸電線路覆冰舞動(dòng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行事故預(yù)警，保障供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行成了電力運(yùn)行部門急需解決的問題。本系統(tǒng)依托分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)測(cè)量輸電線路覆冰舞動(dòng)狀況,定位覆冰位置，提取輸線路舞動(dòng)頻率及幅度，確定覆冰厚度，從而有效評(píng)估覆冰舞動(dòng)威脅等級(jí)。該系統(tǒng)能夠提供可靠的輸電線路覆冰舞動(dòng)事故預(yù)警功能，有力保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

原理及系統(tǒng)簡(jiǎn)介

   基于相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)（即Φ-OTDR）的電纜覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有單端、長(zhǎng)距離、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1.Φ-OTDR傳感原理

Φ-OTDR的傳感原理如圖1所示。和分別是光纖振動(dòng)作用區(qū)域前后兩斷光芯背向瑞利散射信號(hào)的電場(chǎng)，和兩個(gè)區(qū)域背向瑞利散射信號(hào)的電場(chǎng)的相位差與振動(dòng)區(qū)域光纖伸長(zhǎng)量成正比，由此可以通過相位差反映光纖沿線軸向伸長(zhǎng)量或是壓縮量，伸長(zhǎng)量或是壓縮量的變化頻率就能反映線纜振動(dòng)信息。

Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，窄線寬激光源發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)耦合器分成兩路，一路經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制成探測(cè)脈沖光，另一路用作本振光。探測(cè)脈沖光經(jīng)脈沖EDFA放大后注入待測(cè)光纖，返回的瑞利背向散射信號(hào)與本振光經(jīng)相干平衡探測(cè)模塊接收，數(shù)據(jù)采集模塊采集由相干平衡探測(cè)模塊輸出的中頻信號(hào)。相干平衡探測(cè)模塊輸出的中頻信號(hào)攜帶有光纖沿線的振動(dòng)信息。

圖2.Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電纜覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心解調(diào)裝置放置于變電站通信機(jī)房，用于光信號(hào)的輸出、光電轉(zhuǎn)換處理、采集信號(hào)，并能夠通過數(shù)字信號(hào)分析進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和報(bào)警信息處理。結(jié)合光學(xué)多路復(fù)用模塊，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)站點(diǎn)對(duì)多條輸電線路的輪詢監(jiān)測(cè)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖 3 電纜覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電纜覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用光纖單芯定位等一系列創(chuàng)新技術(shù)，通過對(duì)高壓輸電線路上發(fā)生的對(duì)輸電系統(tǒng)有安全隱患的覆冰舞動(dòng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 采集和分析信息，判定覆冰舞動(dòng)發(fā)生的位置、類型、強(qiáng)度，并評(píng)估威脅等級(jí)，以幫助線路維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取融冰等措施消除電力系統(tǒng)的安全威脅。該系統(tǒng)能夠在覆冰舞動(dòng)、線纜斷股、弧垂異常等事件發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確定位、智能分析,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)事故發(fā)生的預(yù)警, 有效解決對(duì)電纜損毀的預(yù)警監(jiān)測(cè)，為值班人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

通過光學(xué)多路復(fù)用模塊，該系統(tǒng)可輪詢監(jiān)測(cè)2條輸電線路，每條輸電線路可達(dá)60公里，總的等效單端測(cè)量距離可達(dá)120公里，如圖4所示。

圖4.單端120公里等效監(jiān)測(cè)距離示意圖

在眾多案例和長(zhǎng)期觀測(cè)中，研究人員發(fā)現(xiàn)覆冰越厚，塔線體系的自振頻率越低，如圖5所示。覆冰厚度和塔線體系模態(tài)存在一種映射關(guān)系。

圖5單導(dǎo)線覆冰前后前6階模態(tài)對(duì)比

Ada-5032E型全分布式覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)儀利用有限元分析方法對(duì)具體的輸電線路進(jìn)行有限元分析，找出覆冰厚度和塔線體系模態(tài)的映射關(guān)系，再利用Φ-OTDR技術(shù)提取到的振動(dòng)信息數(shù)據(jù)中提取特征頻率，反推覆冰厚度，如圖6所示。相較于傳統(tǒng)方案，這種基于瑞利散射的傳感技術(shù)可以顯著提高測(cè)量精度。

圖6

系統(tǒng)的硬件裝置采用4U結(jié)構(gòu)，如圖7所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠安裝在變電站通信機(jī)房的機(jī)柜內(nèi)。裝置安裝便捷，只需將一根傳感光纖的單端接入設(shè)備就可完成設(shè)備安裝。內(nèi)置硬盤矩陣，可以完成長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。

圖 7 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜4U尺寸的監(jiān)測(cè)設(shè)備硬件外觀

系統(tǒng)軟件通過架設(shè)的通信服務(wù)器，由GPRS/WIFI/OPGW光纖網(wǎng)絡(luò)等形式的網(wǎng)絡(luò)傳輸，將監(jiān)測(cè)裝置主機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接到遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，交由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與模式識(shí)別模塊，分析沿線狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為有效的機(jī)械作業(yè)引發(fā)的振動(dòng)事件，再匹配線路數(shù)據(jù)與相關(guān)閾值參量，形成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)列表，供GIS模塊展現(xiàn)及相關(guān)管理人員瀏覽監(jiān)測(cè)運(yùn)行日志，同時(shí)可以推送警報(bào)通知，并提供檢測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)的訪問接口以備二次開發(fā)。

圖 8系統(tǒng)軟件GIS主界面

系統(tǒng)特點(diǎn)

l 具備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（30天以上）；

l 能展示電纜線路覆冰位置、覆冰厚度、舞動(dòng)頻率及幅度的GIS地圖；

l 具備電纜線路覆冰舞動(dòng)信息的即時(shí)展示；

l 具備電纜線路覆冰舞動(dòng)預(yù)警推送功能；

l 支持電纜覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

l 系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程更新、配置與調(diào)試

l 通信具備遠(yuǎn)程通信接口，網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)可接入光纖傳輸單元以及局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式