SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Комплексная система оптической диагностики высоковольтных кабельных линий

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

PiElSi_new.png

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). 

Ris_1.jpg

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. 

Ris_2.jpg

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. 

Ris_3.jpg

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. 

Ris_4.jpg

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; 

Ris_5.jpg

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.

Ris_6.jpg

Рис. 6. Стационарный комплект СТК TOPAZ

Ris_7.jpg

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

Tab_1.png


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.

Ris_8.jpg

Рис. 8. Расположение ЧЭ TOPAZ. Элементы линейных и многоточечных тепловых пожарных извещателей располагают под перекрытием либо в непосредственном контакте с пожарной нагрузкой

Ris_9.jpg

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).

Ris_10.jpg

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.

Ris_11.jpg

Рис. 11. Оптический измеритель тока TOPAZ OCTU

Табл. 2. Технические характеристики прибора TOPAZ OCTU

Tab_2.jpg


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.

Ris_12.jpg

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). 

Ris_13.jpg

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. 

Ris_14.jpg

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). 

Ris_15.jpg

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





Криогенный расходомер «Ирга-РВ»
Выпускается специальная модификация вихревого расходомера «Ирга-РВ» для жидких и газообразных криогенных сред
www.irga.ru