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武漢南瑞光傳感覆冰監測全天候實時告警精度高

國家電網報發布時間:2022-03-15 13:08:23  作者:李濤 張露心

  3月初,國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司(以下簡稱武漢南瑞)光傳感覆冰監測研發團隊結束了覆冰期的全天值守工作,投入到光傳感覆冰監測平臺2.0的功能完善提升工作中,并完成了該公司正在研發的移動巡檢微應用中覆冰數據模塊的開發。

  2022年春節前夕,我國南方出現了大范圍雨雪冰凍天氣。1月28日,武漢南瑞光傳感覆冰監測值班人員發現湖北一條220千伏線路的覆冰厚度超過告警閾值。值班團隊啟動應急預案,與運維單位聯系并出具冰情報告,準確鎖定線路覆冰危險區段,晝夜不間斷上報覆冰厚度,并結合實時覆冰數據與氣象數據提供覆冰趨勢告警,協助運維單位完成除冰作業,消除覆冰隱患。

  這是武漢南瑞首次利用自主研發的光傳感覆冰監測平臺輔助線路除冰。2012年以來,武漢南瑞在光傳感監測技術方面開展創新攻關,發揮光傳感技術“看得清、看得遠、看得全”的優勢,形成了集全線監測、全天值守、實時告警于一體的線路覆冰快速反應模式,使線路覆冰監測從以單點為主、通過圖像估測、易受天氣影響的方式轉變為全線路覆蓋、精度到檔距、不受環境影響的智能化實時監控,提升了電網運維人員應對雨雪冰凍天氣的能力。

  探索傳感方式 “量出”線路運行環境

  覆冰是冬季危害輸電線路安全運行的主要因素之一。“覆冰發生之時往往也是線路運行環境惡劣的時刻。”武漢南瑞防雷輸電技術中心總經理李健介紹,“以圖像監拍、拉力傳感器為代表的傳統覆冰監測裝置高度依賴太陽能供電,如果遇到長時間的雨雪冰凍天氣,就可能在關鍵時刻‘掉鏈子’。此外,單臺設備只能監控安裝點位附近線路的情況,監測結果無法代表整條線路的運行情況。這也是我們探索其他監測方式的初衷。”

  2012年,武漢南瑞就組織研發團隊對線路覆冰監測新技術開展調研,最終選取了光傳感的技術路線。“光纜中的光信號很像一把很長的尺。”武漢南瑞光傳感覆冰監測研發團隊負責人鄭雷介紹,“輸電線路光纜的溫度、應力、振動變化都會對其中傳導的光信號產生影響,并讓它的某種特性發生改變。抓住這些變化,研究光學變量與環境變量之間的關系,就能‘量出’整條線路處于什么樣的運行環境下。”

  深耕監測算法 監測結果達到高精度

  如何利用“光信號”這把尺來測算線路上的覆冰有多厚?研發團隊圍繞光傳感覆冰監測算法開展了多年的艱辛探索。

  研發團隊最早采用了拉曼散射測溫技術,基于線路已覆冰段的溫度基本不隨外界氣溫變化這一特點,判斷出線路具體覆冰的檔距位置,并實現對覆冰段的定性分析。然而團隊發現,這種方法一是無法定量評估覆冰厚度,二是定位的精度不足、誤差較大。“這就好像用皮尺去量一粒沙的大小,所以我們很快放棄了這個方案。”鄭雷說。

  2014年,基于國家電網公司科技項目,研發團隊轉變技術路線,把主要精力投入到基于布里淵散射現象的測量方法上。這是一種能同時獲取光纜溫度與應力的技術,在測量精度與定位精度方面有很大提升。2015年12月,研發團隊完成了首套光傳感覆冰監測主機的試制,并在某220千伏線路上試點應用,實現了對長60千米線路的覆冰監測。然而在運行過程中,監測主機逐漸顯現出不足:同時獲取光纜的溫度與應力,兩種信息會相互干擾,而且光纜本身的鎧裝會對測量結果造成較大干擾。

  研發團隊軟件研發工程師周贊東回憶:“測量誤差始終在10%以上,僅靠優化算法很難達到要求。”團隊仔細復盤后,一種常用于安防、外力破壞防范的監測技術進入了團隊成員的視野——基于瑞利散射現象的振動監測。

  “如果站在鐵塔上順著線路延伸的方向觀察線路,會發現線路很像一個單擺,擺長會因為覆冰增重而變化,導致振動頻率也跟著變化。研究振動頻率變化與覆冰厚度變化之間的關系,就可以通過振動量獲得線路覆冰情況了。”周贊東介紹。

  要實現精確測量的目標,還有很多難關要過。歷經兩年的技術攻關,研發團隊先后解決了光源頻漂曲線畸變、相干衰落噪聲抑制、光信號解析速度提升等方面的難題,于2017年10月完成了第三代光傳感覆冰監測樣機的研制工作。第三代光傳感覆冰監測樣機利用瑞利散射信號損耗較小的特性,將監測距離進一步提升至120千米,并且僅需部署于線路一端的變電站內,大幅減少了安裝工作量;通過大量仿真與現場試驗,將設備的空間分辨率優化到一個檔距,測量誤差控制在10%以下,完成了監測結果從定性、定量到高精度的跨越。

  打造系統平臺 實時支撐覆冰監測

  光傳感覆冰監測技術于2017年進入公司重點新技術推廣目錄,并于2019年開始在公司系統擴大應用范圍。武漢南瑞從數據應用與監測服務兩方面發力,繼續推進覆冰監測工作。

  2020年12月,武漢南瑞建成了公司首個光傳感覆冰監測主站,開發完成光傳感覆冰監測平臺。平臺具備覆冰數據、線路狀態與設備狀態的內網展示功能。針對各廠家數據格式不一致、無法統一接入的問題,武漢南瑞牽頭發布光傳感覆冰監測數據傳輸規約,為各廠家提供了開放、友好的接入平臺。截至今年2月,光傳感覆冰監測主站已完成共計39條輸電線路的覆冰監測裝置采集數據接入,累計存儲覆冰監測數據1.6億條。

  2019年起,武漢南瑞組建專業運維團隊,依托設備優勢與平臺優勢,向運維單位實時發送線路覆冰情況,出具覆冰運行報告,提供詳細到檔距的覆冰情況,并結合線路情況開展覆冰風險評估,為運維單位開展線路覆冰改造提供量化依據。今年1月21日至2月23日,武漢南瑞光傳感覆冰監測系統共監測到輸電線路覆冰過程24次,輔助線路除冰1次,累計發送告警短信549條,發布冰情報告10份,所監測的輸電線路未發生因覆冰引起的線路故障。

  目前,光傳感覆冰監測技術已在浙江、安徽、湖北、湖南、重慶等11個省份包括特高壓線路在內的51條線路上應用,共監測以檔距為單位的線路段6221個,覆蓋線路總長度3500余千米。(李濤 張露心)

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