監(jiān)測意義

我國高壓輸電網絡已經形成了全國聯(lián)網的格局，總規(guī)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及以上輸電線路回路長度超過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，所以高壓輸電網絡的特點是長距離，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)生覆冰舞動事故，由于覆冰形成的規(guī)則的非圓斷面的纜線在風的激勵下形成諧振，造成低頻，大幅度的機械振動，會使導線、桿塔、絕緣子和金具等受到不平衡沖擊而疲勞損傷。由覆冰舞動引起的輸電線路倒塔、斷線、掉串、相間閃絡及跳閘等事故對電網的安全穩(wěn)定運行造成了嚴重的威脅。因此,對高壓輸電線路覆冰舞動狀況進行實時監(jiān)測并進行事故預警，保障供電系統(tǒng)安全可靠運行成了電力運行部門急需解決的問題。本系統(tǒng)依托分布式光纖振動傳感技術實現(xiàn)電纜覆冰舞動監(jiān)測，實時測量輸電線路覆冰舞動狀況,定位覆冰位置，提取輸線路舞動頻率及幅度，確定覆冰厚度，從而有效評估覆冰舞動威脅等級。該系統(tǒng)能夠提供可靠的輸電線路覆冰舞動事故預警功能，有力保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

原理及系統(tǒng)簡介

   基于相位敏感光時域反射技術（即Φ-OTDR）的電纜覆冰舞動監(jiān)測系統(tǒng)具有單端、長距離、在線實時監(jiān)測的優(yōu)點。

圖1.Φ-OTDR傳感原理

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

Φ-OTDR系統(tǒng)結構如圖2所示，窄線寬激光源發(fā)出的連續(xù)光經耦合器分成兩路，一路經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的振動信息。

圖2.Φ-OTDR系統(tǒng)結構

電纜覆冰舞動監(jiān)測系統(tǒng)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，并能夠通過數字信號分析進行實時測量和報警信息處理。結合光學多路復用模塊，可以實現(xiàn)單個站點對多條輸電線路的輪詢監(jiān)測，其結構如圖3所示：

圖 3 電纜覆冰舞動監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖

電纜覆冰舞動監(jiān)測系統(tǒng)采用光纖單芯定位等一系列創(chuàng)新技術，通過對高壓輸電線路上發(fā)生的對輸電系統(tǒng)有安全隱患的覆冰舞動狀況進行實時監(jiān)測, 采集和分析信息，判定覆冰舞動發(fā)生的位置、類型、強度，并評估威脅等級，以幫助線路維護人員及時發(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、線纜斷股、弧垂異常等事件發(fā)生時實時監(jiān)測、準確定位、智能分析,還可以實現(xiàn)對事故發(fā)生的預警, 有效解決對電纜損毀的預警監(jiān)測，為值班人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

通過光學多路復用模塊，該系統(tǒng)可輪詢監(jiān)測2條輸電線路，每條輸電線路可達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(jiān)測距離示意圖

在眾多案例和長期觀測中，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)存在一種映射關系。

圖5單導線覆冰前后前6階模態(tài)對比

Ada-5032E型全分布式覆冰舞動監(jiān)測儀利用有限元分析方法對具體的輸電線路進行有限元分析，找出覆冰厚度和塔線體系模態(tài)的映射關系，再利用Φ-OTDR技術提取到的振動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(tǒng)方案，這種基于瑞利散射的傳感技術可以顯著提高測量精度。

圖6

系統(tǒng)的硬件裝置采用4U結構，如圖7所示。其內部結構緊湊，穩(wěn)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。內置硬盤矩陣，可以完成長時間的監(jiān)測數據儲存，同時利用網絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控與數據傳輸。

圖 7 標準機柜4U尺寸的監(jiān)測設備硬件外觀

系統(tǒng)軟件通過架設的通信服務器，由GPRS/WIFI/OPGW光纖網絡等形式的網絡傳輸，將監(jiān)測裝置主機的實時數據連接到遠端的監(jiān)控中心，交由數據預處理模塊進行數據清洗，然后經過數據分析與模式識別模塊，分析沿線狀態(tài)量轉換為有效的機械作業(yè)引發(fā)的振動事件，再匹配線路數據與相關閾值參量，形成實時監(jiān)測預警數據列表，供GIS模塊展現(xiàn)及相關管理人員瀏覽監(jiān)測運行日志，同時可以推送警報通知，并提供檢測預警數據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

l 具備監(jiān)測數據存儲（30天以上）；

l 能展示電纜線路覆冰位置、覆冰厚度、舞動頻率及幅度的GIS地圖；

l 具備電纜線路覆冰舞動信息的即時展示；

l 具備電纜線路覆冰舞動預警推送功能；

l 支持電纜覆冰舞動監(jiān)測系統(tǒng)數據導出。

l 系統(tǒng)支持遠程更新、配置與調試

l 通信具備遠程通信接口，網絡接口，同時可接入光纖傳輸單元以及局域網數據傳輸方式