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解決方案

基于分布式光纖振動(dòng)傳感的電纜覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)意義

我國(guó)高壓輸電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成了全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的格局,總規(guī)模世界第一。2018年底,全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)19.0億千瓦,全國(guó) 220kV及以上輸電線(xiàn)路回路長(zhǎng)度超過(guò)71萬(wàn)公里。我國(guó)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(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(xiàn)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(xiàn)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(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(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(xiàn)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(mén)急需解決的問(wèn)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(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(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(xiàn)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(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

圖片1.png 

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(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),圖片4.png圖片5.png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(guò)相位差反映光纖沿線(xiàn)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(xiàn)纜振動(dòng)信息。

Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,窄線(xiàn)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(xiàn)的振動(dòng)信息。

圖片6.png 

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(guò)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(xiàn)路的輪詢(xún)監(jiān)測(cè),其結(jié)構(gòu)如圖3所示:

圖片7_副本.jpg


 

 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(guò)對(duì)高壓輸電線(xiàn)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(lèi)型、強(qiáng)度,并評(píng)估威脅等級(jí),以幫助線(xiàn)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(xiàn)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(guò)光學(xué)多路復(fù)用模塊,該系統(tǒng)可輪詢(xún)監(jiān)測(cè)2條輸電線(xiàn)路,每條輸電線(xiàn)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。

圖片8.png 

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(guān)測(cè)中,研究人員發(fā)現(xiàn)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。

圖片9.png 

圖5單導(dǎo)線(xiàn)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(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(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(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(pán)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。

圖片11_副本.jpg 

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

系統(tǒng)軟件通過(guò)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(guò)數(shù)據(jù)分析與模式識(shí)別模塊,分析沿線(xiàn)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(xiàn)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(fǎng)問(wèn)接口以備二次開(kāi)發(fā)。


圖片12_副本.jpg 

 8系統(tǒng)軟件GIS主界面

 

系統(tǒng)特點(diǎn)

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

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;

具備電纜線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)信息的即時(shí)展示;

具備電纜線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)預(yù)警推送功能;

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

系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程更新、配置與調(diào)試

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



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