JP2023050257A - 異常検出プログラム、異常検出装置、及び異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送電設備の異常を簡単に検出すること。【解決手段】送電設備が備える光ファイバ複合架空地線から後方レイリー散乱光を取得し、後方レイリー散乱光に基づいて、光ファイバ複合架空地線の固有振動数を含む周波数領域についての振動情報を生成し、生成した振動情報に基づいて、送電設備の異常を検出する、処理をコンピュータに実行させるための異常検出プログラムによる。【選択図】図３

Description

本発明は、異常検出プログラム、異常検出装置、及び異常検出方法に関する。

電力線、鉄塔、及び架空地線等の送電設備は、自然災害や経年劣化によって劣化が進み、これにより電力の安定供給に支障をきたす。これを防止するためには送電設備を監視し、異常が検出された場合には適切に保守するのが好ましい。

送電設備を監視する方法としては、作業員が監視する方法や、ドローンやヘリコプターで監視する方法がある。このうち、作業員が監視する方法では、作業員が鉄塔に上る高所作業が必要となり、危険を伴う。また、ドローンやヘリコプターで監視する方法では、監視するエリアが広いためコストが高くなる。

一方、振動センサを送電設備に敷設し、振動センサが測定した振動に異常があるかを監視することで、送電設備に異常があるかを監視する方法も考えられる。しかし、振動センサが振動を検出できるエリアは非常に狭いため、例えば数百kmにも及ぶ範囲を監視するには膨大な量の振動センサが必要となってしまう。

国際公開ＷＯ２０２０／０４４６５５号明細書 特開２０１８－１４１６６３号公報

一側面によれば、送電設備の異常を簡単に検出することを目的とする。

一側面によれば、送電設備が備える光ファイバ複合架空地線から後方レイリー散乱光を取得し、前記後方レイリー散乱光に基づいて、前記光ファイバ複合架空地線の固有振動数を含む周波数領域についての振動情報を生成し、生成した前記振動情報に基づいて、前記送電設備の異常を検出する、処理をコンピュータに実行させるための異常検出プログラムが提供される。

一側面によれば、送電設備の異常を簡単に検出できる。

図１は、送電設備の模式図である。 図２（ａ）は、OPGWの延在方向に垂直な断面で見たOPGWの断面図であり、図２（ｂ）は、鉄塔付近の送電線の模式図である。 図３は、本実施形態に係るシステムの模式図である。 図４（ａ）は、OPGWのある一点における周波数特性を示すグラフであり、図４（ｂ）は、異常検出装置として用いたDASが取得したOPGW５の周波数特性の模式図である。 図５（ａ）は、N番目の径間の複数の測定ポイントでのOPGW５の振動強度と周波数との関係を示す図であり、図５（ｂ）は、N+1番目の径間の複数の測定ポイントでの振動強度と周波数との関係を示す図である。 図６（ａ）は、異常検出装置の全体構成を表す概略図であり、図６（ｂ）は、演算装置のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。 図７は、振動測定の原理について説明するための図である。 図８は、生成部が生成した振動情報の模式図である。 図９（ａ）は、生成部が生成した振動情報の他の例の模式図であり、図９（ｂ）は、生成部が生成した径間N+1での振動情報の模式図である。 図１０は、生成部が生成した振動情報の模式図である。 図１１（ａ）は、生成部が生成した振動情報の別の例の模式図であり、図１１（ｂ）は、送電設備に異常がある場合の振動情報の模式図である。 図１２は、本実施形態に係る異常特定方法のフローチャートである。

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。

図１は、送電設備の模式図である。この送電設備１は、鉄塔２、送電線３、振動センサ４、OPGW(Optical fiber composite overhead Ground Wire: 光ファイバ複合架空地線)５、及び変電所６を備える。

送電線３は、変電所６で変圧された交流電流を送電する電線である。また、OPGW５は、架空地線の中心に光ファイバを収納したワイヤである。鉄塔２は、送電線３とOPGW５を支持する塔である。以下では、複数の鉄塔２の間のことを径間と呼ぶ。また、振動センサ４は、OPGW５の固有振動を測定するセンサである。

図２（ａ）は、OPGW５の延在方向に垂直な断面で見たOPGW５の断面図である。図２（ａ）に示されるように、OPGW５は、クリート２ａによって鉄塔２に支持される。

図２（ｂ）は、鉄塔２付近の送電線３の模式図である。図２（ｂ）に示すように、送電線３は、クランプ２ｂと碍子２ｃを介して鉄塔２に支持される。

OPGW５の固有振動数は、OPGW５の張力によって変わる。よって、鉄塔２のボルト、クリート２ａ、及びクランプ２ｂ等が緩むとOPGW５の張力も変わり、OPGW５の固有振動数も変化する。この固有振動数の変化を振動センサ４（図１参照）で検出することで、送電設備１に異常があるかどうかを判断することができる。

しかしながら、高い精度で固有振動の変化を捉えるには、例えば１００km程度の長さのOPGW５に１０m間隔で振動センサ４を設置する必要があり、極めて多数の振動センサ４が必要となる。

しかも、振動センサ４に外部から給電することは困難であるため、給電のための発電システムやバッテリ等の余計な構成が必要となる。更に、送電設備１は公衆回線網のサービスエリア外になるような山間部にも存在しており、データ収集のための無線通信機能も必要となる。

これらの振動センサ、発電システム、通信機器等の電子機器は屋外で使用されるため、高信頼でメンテナンスフリーが要求される。送電設備の耐用年数は数十年と電子機器と比較して長く、メンテナンスコストがかかってしまう。

（本実施形態）
図３は、本実施形態に係るシステムの模式図である。なお、図３において、図１と同じ要素には図１と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

このシステムは、送電設備１の異常を検出するためのシステムであって、異常検出装置１００を備える。

この例では、異常検出装置１００として光ファイバ振動測定システム（DAS: Distributed Acoustic Sensing）を用いる。DASは、OPGW５の光ファイバにパルス光を入射させてから後方レイリー散乱光が戻ってくるまでの時間や後方レイリー散乱光の位相差、強度に基づいて、光ファイバの伸縮による振動を算出するシステムである。

図４（ａ）は、OPGW５のある一点における周波数特性を示すグラフである。そのグラフの横軸はOPGW５の周波数を示し、縦軸は任意単位での振動強度を示す。

図４（ａ）に示すように、OPGW５の周波数特性には、基本波とその倍音とが固有振動数として現れる。一方、DASは、このようにOPGW５の一点のみの周波数特性ではなく、OPGW５の全ての点における周波数特性を得ることができる。

図４（ｂ）は、異常検出装置１００として用いたDASが取得したOPGW５の周波数特性の模式図である。この図の横軸はOPGW５の長さを示し、縦軸は周波数を示す。この周波数特性では、振動の強度をグレーの濃淡で示しており、色が薄いほど振動の強度が大きい。また、横方向に延びる複数の略白色の線状の領域は、各径間に張られたOPGW５の固有振動数を示す。図４（ｂ）に示すように、径間によって固有振動数が異なることが分かる。

OPGW５の固有振動数νは以下の式（１）で表すことができる。

なお、式（１）において、lは径間の長さを示し、TはOPGW５の張力を示す。また、ρはOPGW５の線密度を示し、n(=1, 2, 3, …)は振動のモードを示す自然数である。

図５（ａ）は、N番目の径間の複数の測定ポイントでのOPGW５の振動強度と周波数との関係を示す図である。また、図５（ｂ）は、N+1番目の径間の複数の測定ポイントでの振動強度と周波数との関係を示す図である。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、同一の径間内であっても測定ポイントによって振動強度は変わる。

図６（ａ）は、異常検出装置１００の全体構成を表す概略図である。図６（ａ）で例示するように、異常検出装置１００は、測定機１０、演算装置２０などを備える。測定機１０は、レーザ１１、光サーキュレータ１２、検出器１３などを備える。演算装置２０は、取得部２２、生成部２３、検出部２４、及び記憶部２５を備える。

図６（ｂ）は、演算装置２０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図６（ｂ）で例示するように、演算装置２０は、CPU(Central Processing Unit)１０１、RAM(Random Access Memory)１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。CPU１０１は、中央演算処理装置である。CPU１０１は、１以上のコアを含む。RAM１０２は、CPUＵ１０１が実行するプログラム、CPU１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ(SSD)、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。CPU１０１が記憶装置１０３に記憶されている異常検出プログラムを実行することによって、演算装置２０に、取得部２２、生成部２３、検出部２４、及び記憶部２５が実現される。なお、演算装置２０の各部は、専用の回路などのハードウェアであってもよい。

レーザ１１は、半導体レーザなどの光源であり、OPGW５の光ファイバ３０に対して所定の波長範囲のレーザ光を出射する。本実施形態においては、レーザ１１は、所定の時間間隔で光パルス（レーザパルス）を出射する。光サーキュレータ１２は、レーザ１１が出射した光パルスを振動測定対象の光ファイバ３０に導き、光ファイバ３０から戻ってきた後方散乱光を検出器１３に導く。

光ファイバ３０に入射した光パルスは、光ファイバ３０内を伝搬する。光パルスは、伝搬方向に進行する前方散乱光および帰還方向に進行する後方散乱光（戻り光）を生成しながら徐々に減衰して光ファイバ３０内を伝搬する。後方散乱光は、光サーキュレータ１２に再度入射する。光サーキュレータ１２に入射した後方散乱光は、検出器１３に対して出射される。検出器１３は、例えば、局部発信光との位相差を得るための受信機などである。

図７は、振動測定の原理について説明するための図である。図７で例示するように、レーザパルスが入射光として光ファイバ３０に入射される。後方散乱光のうち入射光と同じ周波数であるレイリー散乱光である戻り光のコヒーレント光が、振動により位相がずれて光サーキュレータ１２に戻ってくる。取得部２２は、この戻り光のコヒーレント光を取得する。生成部２３は、検出器１３の検出結果に基づいて、各サンプリング位置における、光ファイバ３０の伸縮により生じた位相差の時系列データ（以下、時系列位相データと称する。）を生成する。光ファイバ３０の伸縮により生じる位相差は、例えば、時間的な変化で生じる位相差、場所の変化で生じる位相差、入射光の位相と後方散乱光の位相差等である。

記憶部２５は、取得部２２が作成した各サンプリング位置における時系列位相データを記憶する。サンプリング位置とは、光ファイバ３０の延伸方向において所定の間隔で定められた点または所定の間隔で定められた区画のことである。例えば、サンプリング位置とは、光ファイバ３０の延伸方向において、１．２５mごとに定められた点、または１．２５mごとに定められ１．２５m以下の長さを有する区画のことである。時系列位相データの各位相差は、各点で検出された位相差から得られたものであってもよく、各区画で検出された位相差の合計や平均から得られたものであってもよい。なお、光ファイバ３０の端部で散乱した戻り光が戻ってくる前に次のレーザパルスを発振すると、戻り光が混ざって正しい測定が行えなくなるので、レーザパルスの最小周期は測定する光ファイバの長さによって決定される。

各サンプリング位置における時系列位相データを用いて、振動測定を行うことができる。例えば、時系列位相データから、光ファイバ３０の各サンプリング位置が単位時間当たりどれだけ変位したのかを表す振動データを計算することができる。この手法は、自己干渉法として知られている。干渉させる光を局部発信光にする場合と、後方散乱光同士にする場合で測定する物理量が異なる。前者はひずみに相当する位相差であり、後者は時間的な差をとることでひずみ速度に対する位相差となる。位相差をレーザパルスの周期で取得することにより光ファイバ位置に対応した時系列のひずみ振動データに変換できる。生成部２３は、このような時系列のひずみ振動データに基づいて、OPGW５の固有振動数を含む周波数領域についての振動情報を以下のように生成する。

図８は、生成部２３が生成した振動情報の模式図である。図８の例では、生成部２３は、複数の径間ごとのOPGW５の固有振動数の強度の時間変動を振動情報として生成する。

送電設備１は、鉄塔２のボルトの緩み、クランプ２ｂの脱落、鉄塔２のコンクリート基礎の変異等によって異常が発生することがある。これらの異常のうちのいずれかが発生すると、OPGW５の固有振動数の振動強度も変わる。そこで、検出部２４は、図８のような振動情報に基づいて送電設備１の異常を検出する。

一例として、検出部２４は、複数の径間のうち、固有振動数の強度の時間変動の傾向が他の径間のそれと異なる径間を特定し、特定した径間に異常があると特定する。図８の例では、時刻tにおいて径間Nの振動強度が大きく上昇しているのに対し、同じ時刻tにおける他の径間では振動強度が減少傾向にある。検出部２４は、このようにある時刻における径間Nの振動強度の時間変化が増加し、同時刻における他の全ての径間の振動強度の時間変化が逆に減少しているときに、径間Nに異常があると特定する。これに代えて、ある時刻における径間Nの振動強度の時間変化が減少し、同時刻における他の残りの全ての振動強度の時間変化が逆に増加しているときに、検出部２４が径間Nに異常があると特定してもよい。

更に、ある時刻における径間Nの振動強度の時間変化の絶対値と、同時刻における径間iの振動強度の時間変化の絶対値との差が、N以外の全てのiについて閾値を超えている場合に、検出部２４が径間Nに異常があると特定してもよい。

なお、上記のいずれの場合でも振動強度は径間内の最大値、平均値、及び中央値のいずれでもよいし、径間内の代表的なポイントでの振動強度でもよい。

図９（ａ）は、生成部２３が生成した振動情報の他の例の模式図である。この例では、生成部２３は、ある径間に含まれる複数のポイントでのOPGW５の固有振動数の強度の時間変動を振動情報として生成する。また、生成部２３は、このような振動情報を複数の径間ごとに生成する。

図９（ａ）の例では、径間Nにおける複数のポイントでの固有振動数の強度の時間変動を例示している。なお、この例における径間Nは第１の径間の一例である。

この場合、検出部２４は、径間Nに含まれる複数のポイントに、時間変動の傾向が径間Nに含まれる他のポイントでの時間変動の傾向と異なるポイントが含まれている場合に径間Nに異常があると特定する。この例では、時刻tにおける「ポイント２」での時間変動が急激に上昇しているのに対し、同じ時刻tでの他のポイントの時間変動は緩やかである。よって、「ポイント２」での時間変動の傾向は、他のポイントでの時間変動と異なることになる。そこで、検出部２４は、径間Nに異常があると特定する。

図９（ｂ）は、生成部２３が生成した径間N+1での振動情報の模式図である。図９（ｂ）の例では、径間N+1に含まれる全てのポイントでの時間変化の傾向が類似している。よって、検出部２４は、径間N+1に異常はなく、正常であると判定する。

図１０は、生成部２３が生成した振動情報の模式図である。図１０の例では、生成部２３は、複数の径間ごとのOPGW５の固有振動数の周波数の時間変動を振動情報として生成する。

そして、検出部２４は、複数の径間のうち、固有振動数の周波数の時間変動の傾向が他の径間のそれと異なる径間を特定し、特定した径間に異常があると特定する。図１０の例では、矢印で示す時刻において径間Nの振動強度が大きく上昇しているのに対し、同じ時刻における他の径間では振動強度が減少傾向にある。よって、検出部２４は、径間Nに異常があると特定する。なお、このときの振動数は径間内の最大値、平均値、及び中央値のいずれでもよいし、径間内の代表的なポイントでの振動数でもよい。

図１１（ａ）は、生成部２３が生成した振動情報の別の例の模式図である。この例では、生成部２３は、OPGW５の長さとその固有振動数との関係を示す情報を振動情報として生成する。なお、図１１（ａ）は、送電設備１が正常の場合の振動情報である。

一方、図１１（ｂ）は、送電設備１に異常がある場合の振動情報の模式図である。この場合は、正常時（図１１（ａ））には現れない固有振動数が振動情報に現れる。そこで、検出部２４は、送電設備１が正常の場合には現れない固有振動数が振動情報に現れたときに送電設備１に異常があると特定する。

次に、本実施形態に係る異常特定方法について説明する。図１２は、本実施形態に係る異常特定方法のフローチャートである。

まず、取得部２２が、複数の鉄塔２の各々の位置を示す位置情報を取得する（ステップＳ１１）。一例として、取得部２２は、異常検出装置１００の外部の記憶装置から位置情報を取得する。なお、記憶部２５に予め位置情報を格納しておき、取得部２２が記憶部２５から位置情報を取得してもよい。

次に、取得部２２が、光ファイバ３０から出射したレイリー散乱光であるコヒーレント光を取得する（ステップＳ１２）。

次いで、検出部２４が、複数の鉄塔２と径間の各々の位置を推定する（ステップＳ１３）。例えば、検出部２４は、図４（ｂ）のように線状の固有振動数が不連続となる位置に鉄塔２が位置していると推定する。更に、検出部２４は、このように特定した鉄塔２の位置の間が径間であると推定する。そして、検出部２４は、ステップＳ１１で取得した位置情報を基にして、各々の鉄塔２の各々に識別子１、２、…、N、N+1、…を付す。例えば、位置情報に光ファイバ３０の長さと各鉄塔２の位置とを格納しておき、これと図４（ｂ）において固有振動数が不連続となる光ファイバ３０の長さとを対比させることで、検出部２４は各鉄塔２に識別子を付す。その後、検出部２４は、特定した各鉄塔２の位置を基にして各径間の位置を推定する。例えば、検出部２４は、N番目の鉄塔とN+1番目の鉄塔との間に位置する光ファイバ３０が、径間Nであると推定する。

次いで、生成部２３が、取得したコヒーレント光に基づいて、図８～図１１のいずれかの振動情報を取得する（ステップＳ１４）。その振動情報で使用する径間は、ステップＳ１３で推定したものを使用する。

その後、検出部２４が、振動情報に基づいて送電設備１の異常を検出する（ステップＳ１５）。例えば、検出部２４は、図８～図１１を参照して説明したいずれかの方法で異常を検出する。

上記した本実施形態によれば、光ファイバ３０から出射する散乱光を取得し、その散乱光に基づいて生成した振動情報を利用して検出部２４が異常を検出する。そのため、図１のように送電設備１に多数の振動センサ４を設けなくても送電設備１の異常を検出でき、送電設備１の異常を簡単に検出することができる。

１…送電設備、２…鉄塔、２ａ…クリート、２ｂ…クランプ、２ｃ…碍子、３…送電線、４…振動センサ、６…変電所、１０…測定機、１１…レーザ、１２…光サーキュレータ、１３…検出器、２０…演算装置、２２…取得部、２３…生成部、２４…検出部、２５…記憶部、３０…光ファイバ、１００…異常検出装置、１０３…記憶装置、１０４…インタフェース。

Claims (7)

1. 送電設備が備える光ファイバ複合架空地線から後方レイリー散乱光を取得し、
   前記後方レイリー散乱光に基づいて、前記光ファイバ複合架空地線の固有振動数を含む周波数領域についての振動情報を生成し、
   生成した前記振動情報に基づいて、前記送電設備の異常を検出する、
   処理をコンピュータに実行させるための異常検出プログラム。
2. 前記送電設備は複数の鉄塔を有し、
   前記振動情報は、前記複数の鉄塔の複数の径間ごとの前記固有振動数の強度の時間変動を示す情報であり、
   前記異常を検出する処理は、複数の前記径間のうち、前記時間変動の傾向が他の径間の前記時間変動と異なる径間を特定し、特定した前記径間に異常があると特定することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の異常検出プログラム。
3. 前記送電設備は複数の鉄塔を有し、
   前記振動情報は、前記複数の鉄塔の複数の径間の各々に含まれる複数のポイントでの前記固有振動数の強度の時間変動を示す情報であり、
   前記異常を検出する処理は、複数の前記径間のうちの第１の径間に含まれる前記複数のポイントに、前記時間変動の傾向が前記第１の径間に含まれる他のポイントでの前記時間変動の傾向と異なるポイントが含まれている場合に、前記第１の径間に異常があると特定することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の異常検出プログラム。
4. 前記送電設備は複数の鉄塔を有し、
   前記振動情報は、前記複数の鉄塔の複数の径間ごとの前記固有振動数の周波数の時間変動を示す情報であり、
   前記異常を検出する処理は、複数の前記径間のうち、前記時間変動の傾向が他の径間の前記時間変動と異なる径間を特定し、特定した前記径間に異常があると特定することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の異常検出プログラム。
5. 前記送電設備は複数の鉄塔を有し、
   前記振動情報は、前記光ファイバ複合架空地線の長さと前記固有振動数との関係を示す情報であり、
   前記異常を検知する処理は、前記送電設備が正常の場合には現れない前記固有振動数が前記振動情報に現れたときに、前記送電設備に異常があると特定することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の異常検出プログラム。
6. 送電設備が備える光ファイバ複合架空地線から後方レイリー散乱光を取得する取得部と、
   前記後方レイリー散乱光に基づいて、前記光ファイバ複合架空地線の固有振動数を含む周波数領域についての振動情報を生成する生成部と、
   生成した前記振動情報に基づいて、前記送電設備の異常を検出する検出部と、
   を有することを特徴とする異常検出装置。
7. コンピュータが、
   送電設備が備える光ファイバ複合架空地線から後方レイリー散乱光を取得し、
   前記後方レイリー散乱光に基づいて、前記光ファイバ複合架空地線の固有振動数を含む周波数領域についての振動情報を生成し、
   生成した前記振動情報に基づいて、前記送電設備の異常を検出する、
   処理を実行することを特徴とする異常検出方法。

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