3月初，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司(以下簡稱武漢南瑞)光傳感覆冰監(jiān)測研發(fā)團(tuán)隊結(jié)束了覆冰期的全天值守工作，投入到光傳感覆冰監(jiān)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(fā)的移動巡檢微應(yīng)用中覆冰數(shù)據(jù)模塊的開發(fā)。
2022年春節(jié)前夕，我國南方出現(xiàn)了大范圍雨雪冰凍天氣。1月28日，武漢南瑞光傳感覆冰監(jiān)測值班人員發(fā)現(xiàn)湖北一條220千伏線路的覆冰厚度超過告警閾值。值班團(tuán)隊啟動應(yīng)急預(yù)案，與運(yùn)維單位聯(lián)系并出具冰情報告，準(zhǔn)確鎖定線路覆冰危險區(qū)段，晝夜不間斷上報覆冰厚度，并結(jié)合實時覆冰數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)提供覆冰趨勢告警，協(xié)助運(yùn)維單位完成除冰作業(yè)，消除覆冰隱患。
這是武漢南瑞首次利用自主研發(fā)的光傳感覆冰監(jiān)測平臺輔助線路除冰。2012年以來，武漢南瑞在光傳感監(jiān)測技術(shù)方面開展創(chuàng)新攻關(guān)，發(fā)揮光傳感技術(shù)“看得清、看得遠(yuǎn)、看得全”的優(yōu)勢，形成了集全線監(jiān)測、全天值守、實時告警于一體的線路覆冰快速反應(yīng)模式，使線路覆冰監(jiān)測從以單點為主、通過圖像估測、易受天氣影響的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿€路覆蓋、精度到檔距、不受環(huán)境影響的智能化實時監(jiān)控，提升了電網(wǎng)運(yùn)維人員應(yīng)對雨雪冰凍天氣的能力。
探索傳感方式 “量出”線路運(yùn)行環(huán)境
覆冰是冬季危害輸電線路安全運(yùn)行的主要因素之一。“覆冰發(fā)生之時往往也是線路運(yùn)行環(huán)境惡劣的時刻。”武漢南瑞防雷輸電技術(shù)中心總經(jīng)理李健介紹，“以圖像監(jiān)拍、拉力傳感器為代表的傳統(tǒng)覆冰監(jiān)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(guān)鍵時刻‘掉鏈子’。此外，單臺設(shè)備只能監(jiān)控安裝點位附近線路的情況，監(jiān)測結(jié)果無法代表整條線路的運(yùn)行情況。這也是我們探索其他監(jiān)測方式的初衷。”
2012年，武漢南瑞就組織研發(fā)團(tuán)隊對線路覆冰監(jiān)測新技術(shù)開展調(diào)研，最終選取了光傳感的技術(shù)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(jiān)測研發(fā)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人鄭雷介紹，“輸電線路光纜的溫度、應(yīng)力、振動變化都會對其中傳導(dǎo)的光信號產(chǎn)生影響，并讓它的某種特性發(fā)生改變。抓住這些變化，研究光學(xué)變量與環(huán)境變量之間的關(guān)系，就能‘量出’整條線路處于什么樣的運(yùn)行環(huán)境下。”
深耕監(jiān)測算法 監(jiān)測結(jié)果達(dá)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(fā)團(tuán)隊圍繞光傳感覆冰監(jiān)測算法開展了多年的艱辛探索。
研發(fā)團(tuán)隊最早采用了拉曼散射測溫技術(shù)，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(xiàn)對覆冰段的定性分析。然而團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，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(wǎng)公司科技項目，研發(fā)團(tuán)隊轉(zhuǎn)變技術(shù)路線，把主要精力投入到基于布里淵散射現(xiàn)象的測量方法上。這是一種能同時獲取光纜溫度與應(yīng)力的技術(shù)，在測量精度與定位精度方面有很大提升。2015年12月，研發(fā)團(tuán)隊完成了首套光傳感覆冰監(jiān)測主機(jī)的試制，并在某220千伏線路上試點應(yīng)用，實現(xiàn)了對長60千米線路的覆冰監(jiān)測。然而在運(yùn)行過程中，監(jiān)測主機(jī)逐漸顯現(xiàn)出不足：同時獲取光纜的溫度與應(yīng)力，兩種信息會相互干擾，而且光纜本身的鎧裝會對測量結(jié)果造成較大干擾。
研發(fā)團(tuán)隊軟件研發(fā)工程師周贊東回憶：“測量誤差始終在10%以上，僅靠優(yōu)化算法很難達(dá)到要求。”團(tuán)隊仔細(xì)復(fù)盤后，一種常用于安防、外力破壞防范的監(jiān)測技術(shù)進(jìn)入了團(tuán)隊成員的視野——基于瑞利散射現(xiàn)象的振動監(jiān)測。
“如果站在鐵塔上順著線路延伸的方向觀察線路，會發(fā)現(xiàn)線路很像一個單擺，擺長會因為覆冰增重而變化，導(dǎo)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(guān)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(xiàn)精確測量的目標(biāo)，還有很多難關(guān)要過。歷經(jīng)兩年的技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)團(tuán)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(jiān)測樣機(jī)的研制工作。第三代光傳感覆冰監(jiān)測樣機(jī)利用瑞利散射信號損耗較小的特性，將監(jiān)測距離進(jìn)一步提升至120千米，并且僅需部署于線路一端的變電站內(nèi)，大幅減少了安裝工作量;通過大量仿真與現(xiàn)場試驗，將設(shè)備的空間分辨率優(yōu)化到一個檔距，測量誤差控制在10%以下，完成了監(jiān)測結(jié)果從定性、定量到高精度的跨越。
打造系統(tǒng)平臺 實時支撐覆冰監(jiān)測
光傳感覆冰監(jiān)測技術(shù)于2017年進(jìn)入公司重點新技術(shù)推廣目錄，并于2019年開始在公司系統(tǒng)擴(kuò)大應(yīng)用范圍。武漢南瑞從數(shù)據(jù)應(yīng)用與監(jiān)測服務(wù)兩方面發(fā)力，繼續(xù)推進(jìn)覆冰監(jiān)測工作。
2020年12月，武漢南瑞建成了公司首個光傳感覆冰監(jiān)測主站，開發(fā)完成光傳感覆冰監(jiān)測平臺。平臺具備覆冰數(shù)據(jù)、線路狀態(tài)與設(shè)備狀態(tài)的內(nèi)網(wǎng)展示功能。針對各廠家數(shù)據(jù)格式不一致、無法統(tǒng)一接入的問題，武漢南瑞牽頭發(fā)布光傳感覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸規(guī)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(jiān)測主站已完成共計39條輸電線路的覆冰監(jiān)測裝置采集數(shù)據(jù)接入，累計存儲覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)1.6億條。
2019年起，武漢南瑞組建專業(yè)運(yùn)維團(tuán)隊，依托設(shè)備優(yōu)勢與平臺優(yōu)勢，向運(yùn)維單位實時發(fā)送線路覆冰情況，出具覆冰運(yùn)行報告，提供詳細(xì)到檔距的覆冰情況，并結(jié)合線路情況開展覆冰風(fēng)險評估，為運(yùn)維單位開展線路覆冰改造提供量化依據(jù)。今年1月21日至2月23日，武漢南瑞光傳感覆冰監(jiān)測系統(tǒng)共監(jiān)測到輸電線路覆冰過程24次，輔助線路除冰1次，累計發(fā)送告警短信549條，發(fā)布冰情報告10份，所監(jiān)測的輸電線路未發(fā)生因覆冰引起的線路故障。
目前，光傳感覆冰監(jiān)測技術(shù)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(nèi)的51條線路上應(yīng)用，共監(jiān)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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