В статье рассматривается система мониторинга на основе оптоволоконных датчиков КСОД ВКЛ «TOPAZ», назначение которой – контролировать состояние высоковольтных кабельных линий. Подробно рассказано о примененных в ней технологиях, входящих в нее компонентах и функциональности.
ООО «ПиЭлСи-Технолоджи», г. Москва
Назначение системы
Мониторинг состояния высоковольтных кабельных линий – задача важная и непростая, учитывая протяженность данных объектов. Для определения эксплуатационных параметров высоковольтных кабельных линий, выявления точек чрезмерного нагрева или повреждения, а также для прогнозирования процессов и явлений, связанных с эксплуатацией, была разработана комплексная система оптической диагностики высоковольтных кабельных линий (КСОД ВКЛ).
При современном уровне технологий оптической диагностики с помощью специализированных программно-аппаратных средств можно создавать комплексные системы оптической диагностики высоковольтных кабельных линий, состоящие из подсистем:
– температурного контроля высоковольтного кабеля (СТК ВКЛ);
– пожарной сигнализации кабельного коллектора;
– виброакустического мониторинга;
– контроля токов транспозиции кабельной линии (СКТТ);
– контроля охранной сигнализации люков колодцев транспозиции;
– контроля электрических параметров режима работы КЛ;
– анализа и прогнозирования;
– вычисления электрических параметров и самодиагностики.
Основные принципы работы
При воздействии температуры, давления, силы натяжения и других физических факторов на оптоволокно локально изменяются характеристики пропускания света, что, в свою очередь, изменяет характеристики сигнала обратного отражения. Задача измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков (систем оптического мониторинга) – сравнить спектр и интенсивность исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении после прохождения по оптоволокну.
Оптические волокна изготовлены из кварцевого стекла, которое является разновидностью диоксида кремния (SiO2), обладающего аморфной твердотельной структурой. Температурные воздействия инициируют вибрации в молекулярной решетке. Когда свет попадает на термически возбужденные молекулы, происходит взаимодействие между световыми частицами (фотонами) и электронами. Возникает световое рассеяние, которое иначе называют рамановским рассеянием (рис. 1).
Рис. 1. Рамановское рассеяние
В обратное световое рассеяние входит ряд спектральных составляющих:
– рэлеевское рассеяние, длина волны которого аналогична длине волны, исходящей из лазерного источника;
– стоксовы компоненты рамановского рассеяния, при которых испускаются фотоны. Длина волны стоксовой компоненты больше, чем длина волны от лазерного источника;
– антистоксовы компоненты рамановского рассеяния, при которых фотоны поглощаются. Длина волны антистоксовой компоненты меньше, чем у волн рэлеевского рассеяния.
Сегодня в системах мониторинга температуры все чаще используется распределенный оптоволоконный датчик температуры на основе рамановских линий – самый современный в ряду аналогичных приборов. В его работе использован фактор зависимости/индифферентности перечисленных выше составляющих рассеянного излучения к температуре. Дело в том, что интенсивность стоксовой рамановской компоненты практически не зависит от температуры, а антистоксовая компонента, наоборот, в значительной степени связана с температурой. Таким образом, по соотношению интенсивности антистоксовой и стоксовой линий можно определить значение температуры. Данный подход позволяет избежать погрешности, связанной с возможными флуктуациями мощности зондирующего лазерного импульса. Системы этого типа могут работать на расстоянии в несколько километров, что очень важно при диагностике кабельных линий.
Оптоволоконные датчики температуры применяются:
– для измерения температуры оболочки высоковольтного кабеля с пересчетом в температуру жилы;
– в устройствах пожарной сигнализации в кабельных коллекторах.
Система виброакустического мониторинга (СВАМ)
К новому поколению систем безопасности относится интеллектуальная система виброакустического мониторинга (СВАМ), позволяющая контролировать протяженные объекты и охранять периметр особо значимых сооружений. С применением технологии распределенного акустического датчика (DAS) можно считывать информацию по всей длине волоконно-оптического кабеля.
Используя высоковольтный кабель в качестве акустической антенны, система измеряет акустическую амплитуду, фазу и частоту, синхронизированные со временем, вдоль каждой его позиции (рис. 2). Это позволяет СВАМ выполнять функции, недоступные для остальных распределенных систем мониторинга: определять локализацию событий (причем выявляется местоположение возмущения не только непосредственно вдоль кабеля, но и на расстоянии нескольких десятков метров от него), проводить акустическую томографию, обнаруживать вторжения.
Рис. 2. Система виброакустического мониторинга (СВАМ)
В состав СВАМ входят распределенные оптические датчики, чей принцип действия основан на эффекте подверженности распространяющегося вдоль волокна светового импульса рэлеевскому рассеянию. Зафиксировав с помощью оптического детектора временной отклик света, отраженного от конца линии, можно восстановить картину рассеяния света вдоль волокна. Этот процесс отличается следующими особенностями:
– в качестве источника используется система с ультраузкой полосой лазера;
– оптический детектор измеряет обратно рассеянное рэлеевское рассеяние света;
– фаза отраженного света зависит от локальных возмущений;
– временные интервалы показывают местоположение.
СВАМ применяется для следующих задач:
– для охраны подземных коммуникаций и протяженных объектов, в том числе высоковольтных кабельных линий;
– для охраны периметра подстанций.
Организация работы системы виброакустического мониторинга представлена на рис. 3.
Рис. 3. Организация работы системы, двустороннее подключение кабеля
Контроль токов транспозиции кабельной линии
Сегодня кабельные линии 110–500 кВ состоят из однофазных кабелей, оснащенных медным экраном. Основные схемы соединения и заземления экранов:
– заземление экранов с двух сторон;
– заземление экранов с одной стороны;
– транспозиция экранов (один или несколько полных циклов).
Первая схема, как правило, не применяется из-за наведения продольных токов промышленной частоты в экранах, что ведет к активной потере мощности в экранах и нагреванию кабеля, снижению его пропускной способности и увеличению потерь электрической энергии.
Для борьбы с токами и минимизации потерь в экранах одинаково эффективны заземление экранов с одной стороны и транспозиция экранов. Однако по условиям ограничения наводимого на экраны напряжения промышленной частоты, пропорционального длине кабеля, одностороннее заземление годится лишь для коротких кабелей (длиной до нескольких сотен метров), а в остальных случаях следует применять транспозицию экранов — один или несколько полных циклов транспозиции.
На рис. 4 можно видеть два полных цикла транспозиции экранов однофазных кабелей при разном обустройстве узла сопряжения соседних циклов с заземлением средней точки и без нее. ОПН условно не показаны. Обычно на практике применяют схему с заземлением средней точки.
Рис. 4. Два полных цикла транспозиции экранов однофазных кабелей при разном обустройстве узла сопряжения соседних циклов с заземлением средней точки и без нее
Измеряя и анализируя величины токов, протекающих в экранах, можно сделать вывод о риске возникновения нештатной ситуации. Учитывая проблемы, возникающие при использовании электрических трансформаторов тока (электрическая изоляция измерительного оборудования от высоковольтных цепей, значительные массогабаритные показатели, высокие требования к пожарной и электрической безопасности, значительные потери электрической энергии), эффективнее применять оптический измеритель тока.
Внедрение современных систем оптической диагностики высоковольтных кабельных линий в ПАО «МОЭСК»
Все вышеперечисленные технологии мониторинга были объединены в комплексной системе оптической диагностики высоковольтных кабельных линий (КСОД ВКЛ) «TOPAZ». Это решение упрощает внедрение систем мониторинга, так как фактически, внедряя один программно-аппаратный комплекс, электросетевая компания получает несколько полноценных взаимодополняющих подсистем мониторинга, реализованных на единой технологической базе оборудования и программного обеспечения. Таким образом, как при внедрении системы, так и на протяжении ее дальнейшей эксплуатации удается достичь значительной экономии кадровых и финансовых ресурсов.
Можно сказать, что КСОД ВКЛ «TOPAZ» – своеобразное решение, имеющее целый ряд отличий от аналогичных систем, представленных на рынке. Наиболее важные из этих отличий, ключевые особенности системы «TOPAZ», можно разделить на три группы.
Прежде всего, это надежность и комплексность системы:
- комплексный мониторинг состояния КЛ выполняется на основе температурного, акустического и измерительного контроля;
- система построена на основе типовых приборов и компонентов, серийно выпускаемых и многократно опробованных в других системах;
- для приборов контроля, серверов и системы гарантированного питания используются безвентиляторные решения;
- система сертифицирована как тип средства измерений.
Вторая особенность – это унификация, позволяющая увеличить эффективность внедрения и эксплуатации:
- масштабируемое единое ПО TOPAZ SCADA применяется как в серверах TOPAZ в составе КСОД ВКЛ (рис. 5), так и в АСУ ТП ПС и ДП группы объектов. Это дает возможность развивать такие системы, как DMS, в масштабах региональных и системообразующих энергоузлов, особенно с учетом того, что ПТК TOPAZ (в состав которого входит система комплексного мониторинга кабельных линий TOPAZ) позволяет организовать единый диспетчерский пункт систем телемеханики, АСУ ТП и мониторинга КЛ на основе АСТУ TOPAZ с поддержкой СIM-модели;
Рис. 5. Комплект КСОД ВКЛ «TOPAZ»
- так же, как и ПО, масштабируемое аппаратное обеспечение применяется и в составе КСОД ВКЛ «TOPAZ», и в АСУ ТП;
- унификация знаний и навыков эксплуатирующего персонала, типовых решений, ПО, устройств, ЗИП;
- легкая масштабируемость, реализация автоматизированных алгоритмов АСУ ТП на основе автоматической обработки данных КСОД ВКЛ «TOPAZ».
И наконец, третье: достигнута независимость пользователя от одного производителя:
- в КСОД ВКЛ «TOPAZ» применяются только стандартные протоколы обмена;
- ПО системы предназначено для работы на различных платформах;
- в качестве хранилища данных используется система управления базами данных СУБД MySQL с открытыми исходными кодами;
- в системе поддерживается обмен информацией с устройствами различных производителей.
Монтаж, наладка, ввод в эксплуатацию КСОД ВКЛ «TOPAZ» выполняются в сжатые сроки. Также без каких-либо проблем можно модернизировать и расширить существующую АСУ ТП путем установки КСОД ВКЛ и интеграции двух систем.
В качестве аппаратной платформы КСОД ВКЛ TOPAZ позволяет использовать как отдельные серверы, так и серверы АСУ ТП ПС. В клиентской части используется программное обеспечение TOPAZ SCADA CLIENT с расширениями TOPAZ КСОД ВКЛ, которое может быть установлено и использоваться либо на отдельных автоматизированных рабочих местах операторов СКМ КЛ, либо на автоматизированных рабочих местах операторов АСУ ТП. То есть реализована полная интеграция системы оптической диагностики с АСУ ТП ПС.
Описание КСОД ВКЛ «TOPAZ»
Подсистема температурного контроля высоковольтного кабеля (СТК ВКЛ)
В систему оптической диагностики входит несколько подсистем. Одна из них – подсистема температурного контроля высоковольтного кабеля (СТК ВКЛ). Это автоматическая многоканальная система непрерывного действия (рис. 6, 7). Измерение температуры основано на измерении оптического рамановского обратного рассеивания с использованием оптической рефлектометрии во временной области.
Рис. 6. Стационарный комплект СТК TOPAZ
Рис. 7. Мобильный комплект СТК TOPAZ
Разработчики системы, в целях обеспечения эффективной диагностики кабельной линии и исходя из особенностей описанных физических эффектов, сформулировали технические требования к комплексу систем мониторинга кабельных линий 110–500 кВ, перечисленные в табл. 1.
Таблица 1. Технические требования к комплексу систем мониторинга кабельных линий 110–500 кВ
Подсистема пожарной сигнализации кабельного коллектора
В кабельных коллекторах с их высокой запыленностью, большими расстояниями, высоким уровнем электромагнитных помех и воздействием агрессивных сред не всегда можно использовать классические системы обнаружения. Поэтому в составе КСОД ВКЛ «TOPAZ» была разработана подсистема пожарной сигнализации коллектора высоковольтного кабеля TOPAZ с применением извещателя пожарного теплового линейного (ИПТЛ). Данная подсистема предназначена для контроля температуры в кабельных коллекторах и других подземных и закрытых сооружениях в любых эксплуатационных условиях. Систем функционирует с помощью использования свободных каналов измерительного прибора в составе СТК ВКЛ «TOPAZ», что обеспечивает ее высокую экономическую эффективность.
Чувствительным элементом (ЧЭ) данной системы является оптический кабель, не подверженный загрязнению и обеспечивающий зону контроля протяженностью до 40 км, а кроме того, не имеющий токоведущих элементов (рис. 8). Конструктивно кабель представляет собой гибкую стальную трубку, состоящую из семи стальных прядей проволоки, заполненной гидрофобным компаундом с расположенным в ней многомодовым волокном (одним или двумя), в акрилатном лаковом покрытии (рис. 9). Защитная оболочка сделана из LSZH-термопластов, не поддерживающих горение. Оболочка производится согласно ТУ, требующим низкой токсичности продуктов горения, и при тлении не выделяет коррозионно-активных газообразных продуктов. Кабель может быть изготовлен с термостойким многомодовым волокном с долговременной рабочей температурой до +600 °C.
Рис. 8. Расположение ЧЭ TOPAZ. Элементы линейных и многоточечных тепловых пожарных извещателей располагают под перекрытием либо в непосредственном контакте с пожарной нагрузкой
Рис. 9. Чувствительный элемент TOPAZ
Основные преимущества подсистемы пожарной сигнализации коллектора высоковольтного кабеля TOPAZ:
- минимальное число ложных срабатываний;
- простота в установке, поскольку чувствительный кабель поставляется на катушке;
- минимальные затраты на обслуживание: оптоволоконные кабели имеют срок службы до 30 лет и могут функционировать в любой окружающей среде;
- абсолютные диэлектрические свойства: кабель не подвержен электромагнитным излучениям, имеет высокую стойкость к агрессивным средам и высокую надежность;
- извещатель можно использовать во взрывоопасных зонах, поскольку волоконно-оптическая часть не имеет электрического подключения;
- небольшая стоимость 1 м волоконного кабеля и его прокладки;
- соответствие классам A1, A2, A3, B, C, D, E, F, G, H, R, A1R, A2R, BR, CR, DR, ER, FR, GR, HR (допускается применение в неотапливаемых помещениях);
- ИПТЛ нового поколения сертифицирован согласно ФЗ-123 и соответствует ГОСТ Р 53325-2012.
Таким образом, пожарный тепловой линейный извещатель, выполненный с использованием волоконно-оптических технологий, проявил и зарекомендовал себя как надежное, эффективное и экономически выгодное решение, способное на ранних стадиях обнаружить очаги возгораний и предупредить о перегреве подконтрольных объектов.
Подсистема виброакустического мониторинга
Еще одним компонентом КСОД ВКЛ «TOPAZ» является подсистема виброакустического мониторинга. Ее характеристики:
- максимальная длина распределенного оптического датчика — 100 км;
- минимальное число ложных срабатываний;
- разрешающая способность — 5 м;
- частотный диапазон — от 1 до 2,5 кГц;
- локализация события по двум осям: вдоль и поперек оси оптического волокна;
- идентификация событий: характер и тип источника вибрации определяются, исходя из существующего банка характерных «вибрационных следов» каждого из предполагаемых объектов нарушения;
- подсистема виброакустического мониторинга обучаема и умеет распознавать полезные сигналы и шумы (библиотека типов источников вибрации дополняется при необходимости; дополнение производится на этапе наладочных работ и опытной эксплуатации);
- время измерения — 1 с;
- определение обрыва оптического волокна;
- определение расстояния до обрыва кабеля;
- неэлектрическое средство измерения (отсутствует влияние электромагнитного поля силовой линии на датчик вибрации);
- программируемые зоны и критерии срабатывания;
- данные от нескольких распределенных датчиков могут обрабатываться одним сервером;
- волоконно-оптический кабель электрически пассивен и пожаробезопасен;
- система работает с любым качественным волоконно-оптическим кабелем (в случае повреждения распределенного датчика имеется возможность оперативно заменить его любым доступным волоконно-оптическим кабелем);
- низкое энергопотребление системы;
- необслуживаемая линейная часть;
- срок службы центрального блока обработки сигналов — до 20 лет, волоконно-оптического кабеля — до 30 лет;
- применение волоконно-оптических систем снижает количество и время технологических остановок (сокращает расходы на обслуживание и помогает увеличить среднее время службы объекта);
- способствует предотвращению нештатных ситуаций;
- встроенный модуль картографии позволяет отображать трассу прокладки кабеля на топографической подложке, в том числе нанося на нее технологические и инфраструктурные особенности местности (рис. 10).
Рис. 10. Отображение трассы прокладки кабеля на топографической подложке
Подсистема контроля токов транспозиции кабельной линии (СКТТ)
Подсистема СКТТ построена на базе оптического измерителя тока TOPAZ OCTU (рис. 11) в комплекте с оптическими датчиками. Данное оборудование измеряет значения параметров тока и передает эту информацию по внешним интерфейсам. Устройство выполнено в пластмассовом корпусе с креплением на DIN-рейку. На лицевой панели прибора помимо оптических коннекторов измерительных каналов размещены элементы индикации, разъемы интерфейса RJ-45 и microUSB для конфигурации устройства. Технические характеристики прибора TOPAZ OCTU представлены в табл. 2.
Рис. 11. Оптический измеритель тока TOPAZ OCTU
Табл. 2. Технические характеристики прибора TOPAZ OCTU
Подсистема контроля охранной сигнализации люков колодцев транспозиции
Подсистема контроля охранной сигнализации осуществляет непрерывный круглосуточный контроль открытия/закрытия люков колодцев транспозиции. Характеристики подсистемы:
- количество датчиков (рис. 12) — 4, 8, 12, 16 и т.д.;
- максимальная удаленность датчиков — до 20 км;
- электропитание датчиков не требуется;
- поддержка протоколов МЭК 60870-05-101, Modbus.
Рис. 12. Датчик подсистемы контроля охранной сигнализации
Подсистема контроля электрических параметров режима работы КЛ
Параметры электрического тока, напряжения и мощности контролируемой кабельной линии измеряют многофункциональные измерительные преобразователи (МИП) серии TOPAZ PM7 различных модификаций (рис. 13). Эти устройства устанавливаются в шкаф комплексной системы оптической диагностики высоковольтных кабельных линий и подключаются к измерительным трансформаторам тока и напряжения. Мониторинг параметров электрического режима кабельной линии позволяет тщательно анализировать эксплуатационный режим и причины перегрева линии, принимать решения об управлении нагрузкой линии, а также выдавать информацию в систему противоаварийной автоматики энергообъекта (АОПЛ и другие виды автоматики).
Рис. 13. TOPAZ РМ7
В составе данной подсистемы можно применять устройства TOPAZ AMU (рис. 14), передающие информацию по протоколу МЭК 61850-9-2. Это позволит применить технологии цифровой подстанции в КСОД ВКЛ даже при отсутствии оптических ТТ и ТН и обеспечить ее полноценную интеграцию с цифровыми подстанциями.
Рис. 14. TOPAZ AMU, TOPAZ DMU
Подсистема анализа и прогнозирования
Российские специалисты без использования исходных кодов аналогичных систем зарубежного производства разработали специализированное программное обеспечение для выполнения основных задач системы мониторинга: контроля параметров текущего режима, анализа этих параметров и прогнозирования.
Контроль параметров текущего режима обеспечивает:
- обработку полученных измерений, формирование ТИ и ТС;
- отображение текущих температурных данных и рефлектограмм в режиме реального времени и в режиме архивных данных;
- перерасчет регистрируемой температуры экрана в температуру жилы кабеля (при наличии актуальных характеристик силового кабеля);
- разделение контролируемой длины кабельной линии на сегменты с уникальными настройками оповещения, а также передачей и отображением ТИ и ТС по каждому сегменту;
- формирование телесигнала «Обрыв волокна» и телеизмерения «Местоположение обрыва волокна» с указанием на место повреждения в случае соответствующих повреждений.
Анализ параметров режима и прогнозирование включают:
- получение температурного профиля жилы на основе анализа температурного профиля оптического волокна;
- изменение средней температуры жилы, средней температуры оптического волокна, нагрузки (тока) от времени;
- график зависимости возможной продолжительности работы от нагрузки для текущего состояния кабеля;
- прогноз изменения температуры жилы и оптоволокна с учетом профиля нагрузки на следующий период;
- прогноз максимально допустимой длительности нагрузки на кабель (в часах), исходя из максимально допустимой температуры жилы и текущих (или заданных) значений нагрузки;
- прогноз максимально допустимой нагрузки на кабель (ток), исходя из максимально допустимой температуры жилы и заданного времени;
- прогноз максимальной температуры жилы, исходя из заданного значения нагрузки (ток) и длительности работы.
Подсистема вычисления электрических параметров и самодиагностики
Подсистема вычисления электрических параметров и самодиагностики выполнена в виде IED на базе контроллера TOPAZ DAS MX240 (рис. 15) и СПО расчета электрических величин на основе потоков 61850-9-2, принимаемых от блоков TOPAZ OCTU и TOPAZ AMU.
Благодаря тому что комплексная системы оптической диагностики высоковольтных кабельных линий построена на базе высокотехнологичных приборов и устройств, она выполняет самодиагностику и передает информацию по мониторингу оборудования и ПО на верхний уровень системы по протоколам SNTP и 61850-8-1 (MMS, GOOSE).
Рис. 15. Контроллер TOPAZ DAS MX240
Выводы
Не будет преувеличением сказать, что комплексная система оптической диагностики высоковольтных кабельных линий (КСОД ВКЛ) – это уникальное решение, с возможностями, недоступными многим современным системам. Кроме выполнения собственно функций мониторинга кабельных линий, она обеспечивает полноценную интеграцию с АСУ ТП и передачу данных по стандартным протоколам, что позволяет выполнять расчетные задачи, отображать результаты мониторинга на картах и схемах, отслеживать динамику процессов. Применение комплексного мониторинга — температурного контроля, акустического контроля, контроля токов транспозиции – не только обеспечивает наблюдение за текущим состоянием кабельных линий, но и позволяет анализировать их эксплуатационные параметры в режиме реального времени, диагностируя возникновение критических процессов.
Опубликовано в интернете
ООО «ПиЭлСи-Технолоджи», г. Москва,
тел.: +7 (495) 139-04-05,
e-mail: sales@plctech.ru,
сайт: tpz.ru
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")