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解決方案

基于分布式光纖振動傳感的電纜覆冰舞動監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)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(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(wǎng)絡(luò)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(fēng)的激勵下形成諧振,造成低頻,大幅度的機械振動,會使導(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)及跳閘等事故對電網(wǎng)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(yù)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(shù)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(yù)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(shù)(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。

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圖1.Φ-OTDR傳感原理

Φ-OTDR的傳感原理如圖1所示。圖片2.png圖片3.png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,圖片4.png圖片5.png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(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(shù)據(jù)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。

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2.Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電纜覆冰舞動監(jiān)測系統(tǒng)的核心解調(diào)裝置放置于變電站通信機房,用于光信號的輸出、光電轉(zhuǎn)換處理、采集信號,并能夠通過數(shù)字信號分析進行實時測量和報警信息處理。結(jié)合光學(xué)多路復(fù)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(jié)構(gòu)如圖3所示:

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 3 電纜覆冰舞動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù),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(yù)警, 有效解決對電纜損毀的預(yù)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(xué)多路復(fù)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。

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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(guān)系。

圖片9.png 

圖5單導(dǎo)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(guān)系,再利用Φ-OTDR技術(shù)提取到的振動信息數(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)可以顯著提高測量精度。

圖片10.png 

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,能夠安裝在變電站通信機房的機柜內(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,可以完成長時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)儲存,同時利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。

圖片11_副本.jpg 

 7 標準機柜4U尺寸監(jiān)測設(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)測裝置主機的實時數(shù)據(jù)連接到遠端的監(jiān)控中心,交由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊進行數(shù)據(jù)清洗,然后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與模式識別模塊,分析沿線狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為有效的機械作業(yè)引發(fā)的振動事件,再匹配線路數(shù)據(jù)與相關(guān)閾值參量,形成實時監(jiān)測預(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)測運行日志,同時可以推送警報通知,并提供檢測預(yù)警數(shù)據(jù)的訪問接口以備二次開發(fā)。


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 8系統(tǒng)軟件GIS主界面

 

系統(tǒng)特點

具備監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(30天以上);

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;

具備電纜線路覆冰舞動信息的即時展示;

具備電纜線路覆冰舞動預(yù)警推送功能;

支持電纜覆冰舞動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

系統(tǒng)支持遠程更新、配置與調(diào)試

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



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