一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统的制作方法

1.本发明涉及电力系统设备状态检测及光纤分布式传感的技术领域，特别是涉及一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统。


背景技术：

2.电力线路的安全与稳定是保障用电质量的根本，而恶劣天气造成的输电线路大面积覆冰以及不可控的舞动是造成输电线路故障的重要原因。由于输电线路具有跨区域范围广、修复难度大等特点，导致一旦出现严重的电缆覆冰以及舞动事件，会造成长时间、大面积的停电事故。
3.目前已有的输电线路覆冰检测方法包括以下几种：人工巡检法、称重法、图像法、模拟导线法等。其中，人工巡检法耗费大量人力物力，测量精度差，且由于人工行进速度局限导致实时性较差，目前已经面临淘汰；称重法：通过角度传感器、拉力传感器、载荷传感器等测量出导线覆冰后的弧垂、拉力、载荷，与未覆冰时的数据进行对比计算得到等效覆冰厚度。但传感器存在非线性、蠕变、零点漂移等特性，在极端环境以及强磁场干扰下会造成数据获取不准确的情况；图像法：安装摄像头对输电线路进行拍摄，对导线覆冰前后的图像进行比对，使用图像分割法获取覆冰后的图像边缘，对覆冰情况进行判断。缺点：测量精度受到算法自身限制，在测量广度方面摄像机视野有限，且摄像头在严寒环境下的工作状态较差；模拟导线法：在覆冰事件高发地段附近的监测站架设与真实导线相同的电力线缆，通过测量模拟导线上的覆冰情况来类比推测真实导线上的覆冰情况，缺点：模拟导线中没有电流，无法模拟热效应在内的真实导线情况。覆冰厚度、速度、形状等数据与高空中的气流有关，无法模拟，且该方法需要与测量电缆在相同环境下，偏远地区的电缆要耗费较大的人力。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统，通过测量光纤沿线的散射信号可以解调出温度、弧垂及舞动频率等信息，能实时智能识别输电线路工作状态，方便后续基于工作状态及时预警，解决现有中测量方法耗时长、精度低的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统，包括：光纤传感模块、信息采集与存储模块和信息计算及处理模块；
6.其中，所述光纤传感模块包括基于瑞利散射的相位敏感光时域反射模块和基于拉曼散射的光时域反射模块；
7.所述信息计算及处理模块包括数据预处理模块、温度解调模块、舞动频率解调模块、弧垂解调模块和决策输出模块；
8.所述相位敏感光时域反射模块，用于测量光纤复合架空地线的瑞利散射信号；
9.所述光时域反射模块，用于测量光纤复合架空地线的拉曼散射信号；
10.所述信息采集与存储模块，用于采集并存储所述瑞利散射信号和所述拉曼散射信号；
11.所述数据预处理模块，用于对所述瑞利散射信号和所述拉曼散射信号进行降噪处理；
12.所述舞动频率解调模块，用于获取并对所述瑞利散射信号进行信号处理，得到所述光纤复合架空地线的舞动频率；
13.所述弧垂解调模块，用于获取并对所述瑞利散射信号进行信号处理，得到所述光纤复合架空地线的弧垂；
14.所述温度解调模块，用于获取并对所述拉曼散射信号进行信号处理，得到所述光纤复合架空地线在预设时间内的平均温度；
15.所述决策输出模块，用于根据所述弧垂，计算光纤复合架空地线的弧垂最大变化量，根据所述平均温度，计算所述光纤复合架空地线的第一积温和第二积温，根据所述舞动频率和所述弧垂最大变化量，输出光纤复合架空地线舞动状态，根据所述弧垂、所述第一积温和所述第二积温，输出光纤复合架空地线覆冰状态。
16.本发明提供的一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统，还包括：预警模块、设备通信模块和显示模块；
17.其中，所述预警模块，用于接收并根据所述光纤复合架空地线舞动状态和所述光纤复合架空地线覆冰状态，发出预警信号；
18.所述显示模块，用于接收并显示所述光纤复合架空地线舞动状态和所述光纤复合架空地线覆冰状态；
19.所述设备通信模块，用于对各个模块之间的工作状态进行通信。
20.在一种可能的实现方式中，所述光纤传感模块与所述信息采集与存储模块相连接，所述信息采集与存储模块与所述设备通信模块相连接，所述设备通信模块与所述信息计算及处理模块相连接，所述信息计算及处理模块与所述预警模块相连接，所述预警模块与所述显示模块。
21.在一种可能的实现方式中，所述光纤传感模块包括基于瑞利散射的相位敏感光时域反射模块和基于拉曼散射的光时域反射模块，具体包括：
22.所述基于锐利散射的相位敏感光时域反射模块包括超窄线宽激光器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、第一环形器、滤波器和平衡探测器；
23.所述基于拉曼散射的光时域反射模块包括激光源、波分复用器、光脉冲放大器、第二环形器、光电探测器。
24.在一种可能的实现方式中，所述决策输出模块，用于根据所述舞动频率和所述弧垂最大变化量，输出所述光纤复合架空地线舞动状态，具体包括：
25.将所述舞动频率与预设舞动频率阈值进行对比，若所述舞动频率不大于所述预设舞动频率阈值，则输出光纤复合架空地线舞动状态正常；
26.若所述舞动频率大于所述预设舞动频率阈值，则将所述弧垂最大变化量与预设弧垂最大变化量阈值进行对比，若所述弧垂最大变化量不大于预设弧垂最大变化量阈值，则输出光纤复合架空地线舞动状态正常；
27.若所述弧垂最大变化量大于预设弧垂最大变化量阈值，则输出光纤复合架空地线
舞动状态异常。
28.在一种可能的实现方式中，所述决策输出模块，用于根据所述弧垂、所述第一积温和所述第二积温，输出光纤复合架空地线覆冰状态，具体包括：
29.判断所述第一积温是否在预设第一积温阈值范围内，若否，则输出光纤复合架空地线不存在覆冰初期征兆；
30.当判断所述第一积温在预设第一积温阈值范围内时，将所述弧垂与第一预设弧垂阈值进行对比，若所述弧垂不大于所述第一预设弧垂阈值，则输出光纤复合架空地线不存在覆冰初期征兆，若所述弧垂大于所述第一预设弧垂阈值，则输出光纤复合架空地线存在覆冰初期征兆；
31.判断所述第二积温是否在预设第二积温阈值范围内，若否，则输出光纤复合架空地线不存在覆冰状态；
32.当判断所述第二积温在预设第二积温阈值范围内时，将所述弧垂与第二预设弧垂阈值进行对比，若所述弧垂不大于所述第二预设弧垂阈值，则输出光纤复合架空地线不存在覆冰状态，若所述弧垂大于所述第一预设弧垂阈值，则输出光纤复合架空地线存在覆冰状态。
33.在一种可能的实现方式中，所述决策输出模块，用于根据所述平均温度，计算所述光纤复合架空地线的第一积温和第二积温，具体包括：
34.获取第一预设时间内采集到的多个第一平均温度，分别判断所述多个第一平均温度是否满足第一预设平均温度阈值范围，若是，则保留第一平均温度，对保留的所有第一平均温度进行累加处理，得到第一积温；
35.获取第二预设时间内采集到的多个第二平均温度，分别判断所述多个第二平均温度是否满足第二预设平均温度阈值范围，若是，则保留第二平均温度，对保留的所有第二平均温度进行累加处理，得到第二积温。
36.在一种可能的实现方式中，所述决策输出模块，用于根据所述弧垂、所述第一积温和所述第二积温，输出光纤复合架空地线覆冰状态后，还包括：
37.当输出光纤复合架空地线存在覆冰状态时，计算光纤复合架空地线的等值覆冰厚度，其中，等值覆冰厚度计算公式如下所示：
[0038][0039]
其中，d为等值覆冰厚度，mo为单位长度光纤复合架空地线的初始质量，fo为光纤复合架空地线未覆冰时的振动频率，f
ice
为光纤复合架空地线覆冰时的振动频率，ρ
ice
为冰层的密度(0.92g/cm3)，ro为光纤复合架空地线初始半径。
[0040]
在一种可能的实现方式中，所述决策输出模块，用于根据所述弧垂，计算光纤复合架空地线的弧垂最大变化量，具体包括：
[0041]
将所述弧垂输入到预设的弧垂最大变化量计算公式中，计算并得到所述光纤复合架空地线的弧垂最大变化量，其中，所述预设的弧垂最大变化量计算公式，如下所示：
[0042][0043]
式中，δh为弧垂变化量，λ是探测光的波长，l是两个线塔之间的距离，为光纤复合架空地线覆冰之后的相位，为光纤复合架空地线的原始相位，h0为光纤复合架空地线的弧垂。
[0044]
在一种可能的实现方式中，所述信息采集与存储模块包括高速采集卡和固态磁盘阵列。
[0045]
本发明实施例一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0046]
本发明提供的一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统，该系统包括光纤传感模块、信息采集与存储模块和信息计算及处理模块；通过光纤传感模块测量光纤复合架空地线的瑞利散射信号和拉曼散射信号；通过信息采集与存储模块对测量的瑞利散射信号和拉曼散射信号进行采集并存储；通过信息计算及处理模块对瑞利散射信号和拉曼散射信号进行解调处理，分别并基于得到光纤复合架空地线的舞动频率、弧垂和平均温度，判断光纤复合架空地线舞动状态和光纤复合架空地线覆冰状态。与现有技术相比，本发明的技术方案采用分布式光纤传感技术进行输电线路状态监测，无需安装额外的传感器，通过测量光纤沿线的散射信号可以解调出温度、弧垂及舞动频率等信息，能实时智能识别输电线路工作状态，方便后续基于工作状态及时预警，具有探测距离长，维护简单，探测精度高，无死角监测等优点，能解决分布式光纤传感可以解决传统测量方法耗时长、精度低、覆盖面窄等问题。
附图说明
[0047]
图1是本发明提供的一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统的一种实施例的结构示意图；
[0048]
图2是本发明提供的一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统的一种实施例的又一结构示意图；
[0049]
图3是本发明提供的一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统的又一种实施例的模块连接示意图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
实施例1
[0052]
参见图1，图1是本发明提供的一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统的一种实施例的结构示意图，如图1所示，该系统包括光纤传感模块101、信息采集与存储模块102
和信息计算及处理模块 103，具体如下：
[0053]
一实施例中，所述光纤传感模块101包括基于瑞利散射的相位敏感光时域反射模块φ－otdr和基于拉曼散射的光时域反射模块r－otdr。
[0054]
一实施例中，所述相位敏感光时域反射模块，用于测量光纤复合架空地线的瑞利散射信号；所述基于锐利散射的相位敏感光时域反射模块包括超窄线宽激光器、脉冲调制器、掺铒光纤放大器、第一环形器、滤波器和平衡探测器；具体的，超窄线宽激光器用于发出连续光，使得连续光经过脉冲调制器调制为脉冲光后，基于掺铒光纤放大器对脉冲光进行放大处理，通过第一环形器注入探测光纤，返回的瑞利散射信号通过带通滤波器后经由平衡探测器进入信息采集与存储模块 102中的数据采集卡内，并存储在计算机中，等待下一步处理。
[0055]
一实施例中，所述光时域反射模块，用于测量光纤复合架空地线的拉曼散射信号；所述基于拉曼散射的光时域反射模块包括激光源、波分复用器、光脉冲放大器、第二环形器、光电探测器；具体的，其中激光源发出的连续光经过脉冲调制器调制为脉冲光后，基于光脉冲放大器对脉冲光进行放大处理，通过第二环形器注入探测光纤，在探测光纤发生拉曼散射，产生斯托克斯光和反斯托克斯光，经过拉曼滤波器滤波，并经过光电探测器转换后产生的拉曼散射信号进入信息采集与存储模块102中的数据采集卡内，并存储在计算机中，等待下一步处理。
[0056]
一实施例中，所述信息采集与存储模块102，用于采集并存储所述瑞利散射信号和所述拉曼散射信号。
[0057]
一实施例中，所述信息采集与存储模块102包括高速采集卡以及固态磁盘阵列；其中，所述高速采集卡为250mhz多通道高速采集卡，高速采集卡能够实现对光脉冲设置边沿触发采集模式，可同时对两个光纤传感线路进行散射迹线的高速采集。固态磁盘组成独立磁盘冗余阵列(redundant array of independent disks，raid)，能够实现大容量数据的高速读写，同时具有较高的数据安全性。
[0058]
一实施例中，所述信息计算及处理模块103包括数据预处理模块、温度解调模块、舞动频率解调模块、弧垂解调模块和决策输出模块。
[0059]
一实施例中，所述数据预处理模块，用于所述瑞利散射信号和所述拉曼散射信号进行降噪处理；具体的，通过采集输电线路无覆冰事件以及无舞动事件时传感系统的基准噪声，并对基准噪声求算数平均值，通过将原始散射迹线减去该算数平均值即可实现原始迹线的降噪工作。
[0060]
对于迹线分割处理，通过计算待测光纤复合架空地线的长度以及光脉冲在光纤复合架空地线中的传播速度设置光脉冲频率，使得采集信号中各散射迹线之间的噪声片段尽可能小；然后通过计算散射迹线的长度与周期确定迹线之间的截断点，再通过应用小波变换方法提取散射迹线的包络，提取散射迹线的包络之后选取起始点对迹线进行分割。
[0061]
小波变换定义为：
[0062][0063]
其中，a为尺度参数，b为位置参数。
[0064]
一实施例中，所述舞动频率解调模块，用于获取并对所述瑞利散射信号进行信号
处理，得到所述光纤复合架空地线的舞动频率。
[0065]
具体的，舞动频率解调模块通过探测背向瑞利散射的光功率的变化对光纤复合架空地线的舞动频率进行解调，由于光纤复合架空地线舞动时会产生形变，导致光纤跟随电缆产生微小形变，对传感光纤的长度以及纤芯折射率产生周期性变化，通过解调光纤应变峰值之间的距离可以获得光纤复合架空地线的舞动频率。
[0066]
一实施例中，所述弧垂解调模块，用于获取并对所述瑞利散射信号进行解调处理，得到所述光纤复合架空地线的弧垂。
[0067]
一实施例中，所述温度解调模块，用于获取并对所述拉曼散射信号进行信号处理，得到所述光纤复合架空地线在预设时间内的平均温度，
[0068]
具体的，温度解调模块通过对拉曼散射信号解调获得传感光纤沿线的温度，由于拉曼散射光只对温度敏感，且拉曼散射又分成斯托克斯和反斯托克斯散射光，反斯托克斯散射光对温度敏感，而斯托克斯散射光受温度影响较小，而且这两种散射光的光强度与温度变化成比例，通过测量及计算分析斯托克斯和反斯托克斯光的强度之比可以得到测温点的温度。温度计算根据下式：
[0069][0070]
其中，h为普朗克系数，c为真空中的光速，k为玻尔兹曼常数，v为拉曼频移，a为温度相关系数。i
as
为反斯托克斯光强，is为斯托克斯光强。
[0071]
具体的，通过获取当前光纤复合架空地线中各个测温点在预设时间内的温度，对获取的温度计算其平均值，得到平均温度t
avg
，其中，所述预设时间为过去一个小时内。
[0072]
一实施例中，所述决策输出模块，根据温度解调模块、舞动频率解调模块、弧垂解调模块的输出数据对光纤复合架空地线的工作状态进行综合评价，通过设置不同的阈值对光纤复合架空地线的异常舞动、导线覆冰预警、导线覆冰以及厚度计算三种事件状态进行判断。
[0073]
具体的，所述决策输出模块，用于根据所述弧垂，计算光纤复合架空地线的弧垂最大变化量。
[0074]
由于光纤复合架空地线中的传感光纤有一定长度的冗余，因此当光纤复合架空地线覆冰导致弧垂变大时会先消耗光纤复合架空地线中冗余的光纤长度，进一步使得光纤产生轴向应变，使得光纤长度以及纤芯折射率产生变化，使得背向散射信号的光相位产生变化，因此当弧垂增大时即可判断线路覆冰的产生，所述弧垂解调模块通过对背向瑞利散射迹线的解调可以得出光纤复合架空地线的弧垂增量，用作覆冰事件发生的判断依据。
[0075]
将所述弧垂输入到预设的弧垂最大变化量计算公式中，计算并得到所述光纤复合架空地线的弧垂最大变化量，其中，所述预设的弧垂最大变化量计算公式，如下所示：
[0076][0077]
式中，δh为弧垂变化量，λ是探测光的波长，l是两个线塔之间的距离，为光纤复合架空地线覆冰之后的相位，为光纤复合架空地线的原始相位，h0为光纤复合架空地
线的弧垂。
[0078]
具体的，所述决策输出模块，用于根据所述平均温度，计算所述光纤复合架空地线的第一积温和第二积温。
[0079]
通过获取第一预设时间内采集到的多个第一平均温度，分别判断所述多个第一平均温度是否满足第一预设平均温度阈值范围，若是，则保留第一平均温度，对保留的所有第一平均温度进行累加处理，得到第一积温；获取第二预设时间内采集到的多个第二平均温度，分别判断所述多个第二平均温度是否满足第二预设平均温度阈值范围，若是，则保留第二平均温度，对保留的所有第二平均温度进行累加处理，得到第二积温。
[0080]
作为本实施例中的一种举例说明：计算最近10小时内光纤复合架空地线上的第一积温t
sum1
，最近24小时内光纤复合架空地线上的第二积温t
sum2
，积温的计算方法为：t
sum1
为过去10小时内第一平均温度t
avg
满足-5℃《t
avg
《0℃条件的第一平均温度的叠加之和； t
sum2
为过去24小时内第二平均温度满足-15℃《t
avg
《-5℃条件的第二平均温度的叠加之和。
[0081]
具体的，所述决策输出模块，用于根据所述舞动频率和所述弧垂最大变化量，输出所述光纤复合架空地线舞动状态。
[0082]
通过将所述舞动频率与预设舞动频率阈值进行对比，若所述舞动频率不大于所述预设舞动频率阈值，则输出光纤复合架空地线舞动状态正常；若所述舞动频率大于所述预设舞动频率阈值，则将所述弧垂最大变化量与预设弧垂最大变化量阈值进行对比，若所述弧垂最大变化量不大于预设弧垂最大变化量阈值，则输出光纤复合架空地线舞动状态正常；若所述弧垂最大变化量大于预设弧垂最大变化量阈值，则输出光纤复合架空地线舞动状态异常。
[0083]
优选的，预设舞动频率阈值为1hz，预设弧垂最大变化量阈值为 10m。
[0084]
作为本实施例中的一种举例说明：若当前光纤复合架空地线的舞动频率fg》1hz，且弧垂最大变化量δh＞10m；则输出光纤复合架空地线舞动状态异常。
[0085]
具体的，所述决策输出模块，用于根据所述弧垂、所述第一积温和所述第二积温，输出光纤复合架空地线覆冰状态。
[0086]
通过判断所述第一积温是否在预设第一积温阈值范围内，若否，则输出光纤复合架空地线不存在覆冰初期征兆；当判断所述第一积温在预设第一积温阈值范围内时，将所述弧垂与第一预设弧垂阈值进行对比，若所述弧垂不大于所述第一预设弧垂阈值，则输出光纤复合架空地线不存在覆冰初期征兆，若所述弧垂大于所述第一预设弧垂阈值，则输出光纤复合架空地线存在覆冰初期征兆。
[0087]
优选的，预设第一积温阈值范围内为-50℃《t
sum1
《-20℃，第一预设弧垂阈值为hg》1/300l，其中，l为两个线塔之间的水平距离。
[0088]
作为本实施例中的一种举例说明：若当前光纤复合架空地线在最近10小时内积温-50℃《t
sum1
《-20℃，且弧垂hg》1/300l；则输出光纤复合架空地线存在覆冰初期征兆，需要发出导线覆冰预警。
[0089]
通过判断所述第二积温是否在预设第二积温阈值范围内，若否，则输出光纤复合架空地线不存在覆冰状态；当判断所述第二积温在预设第二积温阈值范围内时，将所述弧垂与第二预设弧垂阈值进行对比，若所述弧垂不大于所述第二预设弧垂阈值，则输出光纤复合架空地线不存在覆冰状态，若所述弧垂大于所述第一预设弧垂阈值，则输出光纤复合
架空地线存在覆冰状态。
[0090]
优选的，预设第二积温阈值范围内为-3600℃《t
sum2
《
ꢀ‑
240℃，第二预设弧垂阈值为hg》1/100l，其中，l为两个线塔之间的水平距离。
[0091]
作为本实施例中的一种举例说明：若当前光纤复合架空地线在最近24小时内积温-3600℃《t
sum2
《-240℃，且弧垂hg》1/100l时；则输出光纤复合架空地线存在覆冰状态。
[0092]
一实施例中，当输出光纤复合架空地线存在覆冰状态时，还计算光纤复合架空地线的等值覆冰厚度，由于覆冰会对导线舞动频率产生影响，因此可以通过舞动频率对覆冰厚度进行计算，等值覆冰厚度计算公式如下所示：
[0093][0094]
其中，d为等值覆冰厚度，mo为单位长度光纤复合架空地线的初始质量，fo为光纤复合架空地线未覆冰时的振动频率，f
ice
为光纤复合架空地线覆冰时的振动频率，ρ
ice
为冰层的密度(0.92g/cm3)，ro为光纤复合架空地线初始半径。
[0095]
一实施例中，本发明提供的一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统，还包括预警模块104、设备通信模块105和显示模块106，如图2所示，图2是本发明实施例提供的又一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统的结构示意图。
[0096]
一实施例中，所述预警模块104，用于接收并根据所述光纤复合架空地线舞动状态和所述光纤复合架空地线覆冰状态，发出预警信号。
[0097]
一实施例中，所述显示模块106，用于接收并显示所述光纤复合架空地线舞动状态和所述光纤复合架空地线覆冰状态。具体的，所述显示模块106能够对事件种类以及事件发生位置进行显示，包括覆冰预警，舞动预警，覆冰厚度测量显示，舞动幅度以及频率显示。
[0098]
一实施例中，所述设备通信模块105，用于对各个模块之间的工作状态进行通信。具体的，包括对光脉冲调制器以及数据采集卡的同步设置，以及对于光纤传感模块101、信息采集与存储模块102、信息计算及处理模块103、预警模块104、显示模块106之间的数据传输，采用无线信号收发器对各模块之间的工作状态进行通信。
[0099]
一实施例中，所述光纤传感模块101与所述信息采集与存储模块 102相连接，所述信息采集与存储模块102与所述设备通信模块105 相连接，所述设备通信模块与所述信息计算及处理模块103相连接，所述信息计算及处理模块103与所述预警模块104相连接，所述预警模块104与所述显示模块106。如图3所示，图3是本发明实施例提供的又一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统的连接示意图。
[0100]
综上，本发明提供的一种光纤复合架空地线的状态在线监测系统，采用分布式光纤传感技术进行输电线路状态监测，无需安装额外的传感器，只需要利用光纤复合架空地线、光纤复合相线等线路中已有的光纤资源。该方法具有探测距离长，维护简单，探测精度高，无死角监测等优点，通过测量光纤沿线的散射信号可以解调出温度、弧垂及振动频率等信息，进一步实时智能识别输电线路工作状态，并及时进行故障告警；分布式光纤传感可以解决传统测量方法耗时长、精度低、覆盖面窄等问题，具有广阔的应用前景。
[0101]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换
也应视为本发明的保护范围。