監測意義
我國高壓輸電網絡已經形成了全國聯網的格局，總規模世界第一。2018年底，全國發電裝機容量已達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，途徑的自然環境多種多樣。在高濕高寒的惡劣環境中，輸電線非常容易發生覆冰舞動事故，由于覆冰形成的規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測并進行事故預警，保障供電系統安全可靠運行成了電力運行部門急需解決的問題。本系統依托分布式光纖振動傳感技術實現電纜覆冰舞動監測，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，有力保障電力系統安全穩定運行。
原理及系統簡介
基于相位敏感光時域反射技術（即Φ-OTDR）的電纜覆冰舞動監測系統具有單端、長距離、在線實時監測的優點。
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域前后兩斷光芯背向瑞利散射信號的電場，
和
兩個區域背向瑞利散射信號的電場的相位差與振動區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系統結構如圖2所示，窄線寬激光源發出的連續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系統結構
電纜覆冰舞動監測系統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，可以實現單個站點對多條輸電線路的輪詢監測，其結構如圖3所示：
圖 3 電纜覆冰舞動監測系統結構框圖
電纜覆冰舞動監測系統采用光纖單芯定位等一系列創新技術，通過對高壓輸電線路上發生的對輸電系統有安全隱患的覆冰舞動狀況進行實時監測, 采集和分析信息，判定覆冰舞動發生的位置、類型、強度，并評估威脅等級，以幫助線路維護人員及時發現并采取融冰等措施消除電力系統的安全威脅。該系統能夠在覆冰舞動、線纜斷股、弧垂異常等事件發生時實時監測、準確定位、智能分析,還可以實現對事故發生的預警, 有效解決對電纜損毀的預警監測，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，該系統可輪詢監測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公里等效監測距離示意圖
在眾多案例和長期觀測中，研究人員發現覆冰越厚，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存在一種映射關系。
圖5單導線覆冰前后前6階模態對比
Ada-5032E型全分布式覆冰舞動監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
系統的硬件裝置采用4U結構，如圖7所示。其內部結構緊湊，穩定性強，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測數據儲存，同時利用網絡實現遠程監控與數據傳輸。
圖 7 標準機柜4U尺寸的監測設備硬件外觀
系統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，將監測裝置主機的實時數據連接到遠端的監控中心，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，分析沿線狀態量轉換為有效的機械作業引發的振動事件，再匹配線路數據與相關閾值參量，形成實時監測預警數據列表，供GIS模塊展現及相關管理人員瀏覽監測運行日志，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。
圖 8系統軟件GIS主界面
系統特點
l 具備監測數據存儲（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測系統數據導出。
l 系統支持遠程更新、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
