监测意义

我国高压输电网络已经形成了全国联网的格局，总规模世界第一。2018年底，全国发电装机容量已达19.0亿千瓦，全国 220kV及以上输电线路回路长度超过71万公里。我国电力能源集中在西北，而用户则集中在华东华南，所以高压输电网络的特点是长距离，大跨度，途径的自然环境多种多样。在高湿高寒的恶劣环境中，输电线非常容易发生覆冰舞动事故，由于覆冰形成的规则的非圆断面的缆线在风的激励下形成谐振，造成低频，大幅度的机械振动，会使导线、杆塔、绝缘子和金具等受到不平衡冲击而疲劳损伤。由覆冰舞动引起的输电线路倒塔、断线、掉串、相间闪络及跳闸等事故对电网的安全稳定运行造成了严重的威胁。因此,对高压输电线路覆冰舞动状况进行实时监测并进行事故预警，保障供电系统安全可靠运行成了电力运行部门急需解决的问题。本系统依托分布式光纤振动传感技术实现电缆覆冰舞动监测，实时测量输电线路覆冰舞动状况,定位覆冰位置，提取输线路舞动频率及幅度，确定覆冰厚度，从而有效评估覆冰舞动威胁等级。该系统能够提供可靠的输电线路覆冰舞动事故预警功能，有力保障电力系统安全稳定运行。

原理及系统简介

基于相位敏感光时域反射技术(即Φ-OTDR)的电缆覆冰舞动监测系统具有单端、长距离、在线实时监测的优点。

图1.Φ-OTDR传感原理

Φ-OTDR的传感原理如图1所示。

和

分别是光纤振动作用区域前后两断光芯背向瑞利散射信号的电场，

和

两个区域背向瑞利散射信号的电场的相位差与振动区域光纤伸长量成正比，由此可以通过相位差反映光纤沿线轴向伸长量或是压缩量，伸长量或是压缩量的变化频率就能反映线缆振动信息。

Φ-OTDR系统结构如图2所示，窄线宽激光源发出的连续光经耦合器分成两路，一路经声光调制器调制成探测脉冲光，另一路用作本振光。探测脉冲光经脉冲EDFA放大后注入待测光纤，返回的瑞利背向散射信号与本振光经相干平衡探测模块接收，数据采集模块采集由相干平衡探测模块输出的中频信号。相干平衡探测模块输出的中频信号携带有光纤沿线的振动信息。

图2.Φ-OTDR系统结构

电缆覆冰舞动监测系统的核心解调装置放置于变电站通信机房，用于光信号的输出、光电转换处理、采集信号，并能够通过数字信号分析进行实时测量和报警信息处理。结合光学多路复用模块，可以实现单个站点对多条输电线路的轮询监测，其结构如图3所示：

图 3电缆覆冰舞动监测系统结构框图

电缆覆冰舞动监测系统采用光纤单芯定位等一系列创新技术，通过对高压输电线路上发生的对输电系统有安全隐患的覆冰舞动状况进行实时监测, 采集和分析信息，判定覆冰舞动发生的位置、类型、强度，并评估威胁等级，以帮助线路维护人员及时发现并采取融冰等措施消除电力系统的安全威胁。该系统能够在覆冰舞动、线缆断股、弧垂异常等事件发生时实时监测、准确定位、智能分析,还可以实现对事故发生的预警, 有效解决对电缆损毁的预警监测，为值班人员提供告警、智能分析和辅助决策支持。

通过光学多路复用模块，该系统可轮询监测2条输电线路，每条输电线路可达60公里，总的等效单端测量距离可达120公里，如图4所示。

图4.单端120公里等效监测距离示意图

在众多案例和长期观测中，研究人员发现覆冰越厚，塔线体系的自振频率越低，如图5所示。覆冰厚度和塔线体系模态存在一种映射关系。

图5单导线覆冰前后前6阶模态对比

Ada-5032E型全分布式覆冰舞动监测仪利用有限元分析方法对具体的输电线路进行有限元分析，找出覆冰厚度和塔线体系模态的映射关系，再利用Φ-OTDR技术提取到的振动信息数据中提取特征频率，反推覆冰厚度，如图6所示。相较于传统方案，这种基于瑞利散射的传感技术可以显著提高测量精度。

图6

系统的硬件装置采用4U结构，如图7所示。其内部结构紧凑，稳定性强，能够安装在变电站通信机房的机柜内。装置安装便捷，只需将一根传感光纤的单端接入设备就可完成设备安装。内置硬盘矩阵，可以完成长时间的监测数据储存，同时利用网络实现远程监控与数据传输。

图 7标准机柜4U尺寸的监测设备硬件外观

系统软件通过架设的通信服务器，由GPRS/WIFI/OPGW光纤网络等形式的网络传输，将监测装置主机的实时数据连接到远端的监控中心，交由数据预处理模块进行数据清洗，然后经过数据分析与模式识别模块，分析沿线状态量转换为有效的机械作业引发的振动事件，再匹配线路数据与相关阈值参量，形成实时监测预警数据列表，供GIS模块展现及相关管理人员浏览监测运行日志，同时可以推送警报通知，并提供检测预警数据的访问接口以备二次开发。

图 8系统软件GIS主界面

系统特点

l具备监测数据存储(30天以上)；

l能展示电缆线路覆冰位置、覆冰厚度、舞动频率及幅度的GIS地图；

l具备电缆线路覆冰舞动信息的即时展示；

l具备电缆线路覆冰舞动预警推送功能；

l支持电缆覆冰舞动监测系统数据导出。

l系统支持远程更新、配置与调试

l通信具备远程通信接口，网络接口，同时可接入光纤传输单元以及局域网数据传输方式