監測意義

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，總規模世界第一。2018年底，全國發(fā)電裝機容量已達19.0億千瓦，全國 220kV及以上輸電線(xiàn)路回路長(cháng)度超過(guò)71萬(wàn)公里。我國電力能源集中在西北，而用戶(hù)則集中在華東華南，所以高壓輸電網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)是長(cháng)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(xiàn)非常容易發(fā)生覆冰舞動(dòng)事故，由于覆冰形成的規則的非圓斷面的纜線(xiàn)在風(fēng)的激勵下形成諧振，造成低頻，大幅度的機械振動(dòng)，會(huì )使導線(xiàn)、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(xiàn)路倒塔、斷線(xiàn)、掉串、相間閃絡(luò )及跳閘等事故對電網(wǎng)的安全穩定運行造成了嚴重的威脅。因此,對高壓輸電線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測并進(jìn)行事故預警，保障供電系統安全可靠運行成了電力運行部門(mén)急需解決的問(wèn)題。本系統依托分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)實(shí)現電纜覆冰舞動(dòng)監測，實(shí)時(shí)測量輸電線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)狀況,定位覆冰位置，提取輸線(xiàn)路舞動(dòng)頻率及幅度，確定覆冰厚度，從而有效評估覆冰舞動(dòng)威脅等級。該系統能夠提供可靠的輸電線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)事故預警功能，有力保障電力系統安全穩定運行。

原理及系統簡(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)監測系統具有單端、長(cháng)距離、在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測的優(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)作用區域前后兩斷光芯背向瑞利散射信號的電場(chǎng)，和兩個(gè)區域背向瑞利散射信號的電場(chǎng)的相位差與振動(dòng)區域光纖伸長(cháng)量成正比，由此可以通過(guò)相位差反映光纖沿線(xiàn)軸向伸長(cháng)量或是壓縮量，伸長(cháng)量或是壓縮量的變化頻率就能反映線(xiàn)纜振動(dòng)信息。

Φ-OTDR系統結構如圖2所示，窄線(xiàn)寬激光源發(fā)出的連續光經(jīng)耦合器分成兩路，一路經(jīng)聲光調制器調制成探測脈沖光，另一路用作本振光。探測脈沖光經(jīng)脈沖EDFA放大后注入待測光纖，返回的瑞利背向散射信號與本振光經(jīng)相干平衡探測模塊接收，數據采集模塊采集由相干平衡探測模塊輸出的中頻信號。相干平衡探測模塊輸出的中頻信號攜帶有光纖沿線(xiàn)的振動(dòng)信息。

圖2.Φ-OTDR系統結構

電纜覆冰舞動(dòng)監測系統的核心解調裝置放置于變電站通信機房，用于光信號的輸出、光電轉換處理、采集信號，并能夠通過(guò)數字信號分析進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和報警信息處理。結合光學(xué)多路復用模塊，可以實(shí)現單個(gè)站點(diǎn)對多條輸電線(xiàn)路的輪詢(xún)監測，其結構如圖3所示：

圖 3 電纜覆冰舞動(dòng)監測系統結構框圖

電纜覆冰舞動(dòng)監測系統采用光纖單芯定位等一系列創(chuàng )新技術(shù)，通過(guò)對高壓輸電線(xiàn)路上發(fā)生的對輸電系統有安全隱患的覆冰舞動(dòng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測, 采集和分析信息，判定覆冰舞動(dòng)發(fā)生的位置、類(lèi)型、強度，并評估威脅等級，以幫助線(xiàn)路維護人員及時(shí)發(fā)現并采取融冰等措施消除電力系統的安全威脅。該系統能夠在覆冰舞動(dòng)、線(xiàn)纜斷股、弧垂異常等事件發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)監測、準確定位、智能分析,還可以實(shí)現對事故發(fā)生的預警, 有效解決對電纜損毀的預警監測，為值班人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

通過(guò)光學(xué)多路復用模塊，該系統可輪詢(xún)監測2條輸電線(xiàn)路，每條輸電線(xiàn)路可達60公里，總的等效單端測量距離可達120公里，如圖4所示。

圖4.單端120公里等效監測距離示意圖

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

圖5單導線(xiàn)覆冰前后前6階模態(tài)對比

Ada-5032E型全分布式覆冰舞動(dòng)監測儀利用有限元分析方法對具體的輸電線(xiàn)路進(jìn)行有限元分析，找出覆冰厚度和塔線(xiàn)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)信息數據中提取特征頻率，反推覆冰厚度，如圖6所示。相較于傳統方案，這種基于瑞利散射的傳感技術(shù)可以顯著(zhù)提高測量精度。

圖6

系統的硬件裝置采用4U結構，如圖7所示。其內部結構緊湊，穩定性強，能夠安裝在變電站通信機房的機柜內。裝置安裝便捷，只需將一根傳感光纖的單端接入設備就可完成設備安裝。內置硬盤(pán)矩陣，可以完成長(cháng)時(shí)間的監測數據儲存，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程監控與數據傳輸。

圖 7 標準機柜4U尺寸的監測設備硬件外觀(guān)

系統軟件通過(guò)架設的通信服務(wù)器，由GPRS/WIFI/OPGW光纖網(wǎng)絡(luò )等形式的網(wǎng)絡(luò )傳輸，將監測裝置主機的實(shí)時(shí)數據連接到遠端的監控中心，交由數據預處理模塊進(jìn)行數據清洗，然后經(jīng)過(guò)數據分析與模式識別模塊，分析沿線(xiàn)狀態(tài)量轉換為有效的機械作業(yè)引發(fā)的振動(dòng)事件，再匹配線(xiàn)路數據與相關(guān)閾值參量，形成實(shí)時(shí)監測預警數據列表，供GIS模塊展現及相關(guān)管理人員瀏覽監測運行日志，同時(shí)可以推送警報通知，并提供檢測預警數據的訪(fǎng)問(wèn)接口以備二次開(kāi)發(fā)。

圖 8系統軟件GIS主界面

系統特點(diǎn)

l 具備監測數據存儲（30天以上）；

l 能展示電纜線(xiàn)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(xiàn)路覆冰舞動(dòng)信息的即時(shí)展示；

l 具備電纜線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)預警推送功能；

l 支持電纜覆冰舞動(dòng)監測系統數據導出。

l 系統支持遠程更新、配置與調試

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