CN101614602A - 输电线路监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及输电线路监测技术，特别涉及输电线路覆冰及舞动状态监测技术。本发明公开了一种利用光纤传感器对输电线路进行实时监测的方法和装置。本发明的输电线路监测方法，其特征在于，沿输电线路布置光纤传感器，检测导线不同位置的特征参数；根据特征参数的分析对输电线路状态做出判断。本发明的输电线路监测装置，包括光纤传感网络及其信号传输和处理系统，其特征在于，所述光纤传感网络沿所述输电线路长度方向布置，用于探测和传输输电线路不同位置的特征参数。本发明用于输电线路覆冰及舞动状态监测，可以充分发挥光纤传感器的优点，进行多参数实时在线检测，具有装置寿命长，能够满足现场恶劣环境条件下长时间可靠工作的特点。

Description

输电线路监测方法及装置

技术领域

本发明涉及输电线路监测技术，特别涉及输电线路覆冰及舞动状态监测技术。

背景技术

输电线路因覆冰发生断线倒塔的事故时有发生。以2008年初我国南方冰灾事故为例。据统计，国家电网公司系统由于覆冰引起10～110kV线路倒塔14万多基，220kV及以上线路倒塔1500多基，致使707座变电站停运，江西500kV电网基本瘫痪，湖南、贵州、浙江电网出现了大范围的冰闪跳闸和断线倒塔，造成大面积停电和部分电网解列运行。贵州湖南等地不得不将早已停运的落后小火电机组重新投入运营确保电力供应。作为国内重要的送端电网，四川电网也遭到重创。架设在山区的二滩500kV线路因受灾而停运并且多处导线断裂、铁塔损坏等等，清洁的水能不能外送负荷中心。总的来说，这次电网冰灾持续时间长、影响范围广、覆冰强度大、危害程度深，引起了社会各界的高度重视，也造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。

在输电导线覆冰监测方面，国内主要采用如下两种办法。一是设立覆冰观测站，在特殊区域设立专人职守的观测点，人工记录气象信息及覆冰情况。这种方法的缺点是，观测站点偏远，生活艰苦，设立站点不可能太多，特别是一些偏远山区，常常称为观测盲点，该方法人为因素过大，成本高。第二种方法是在输电线路线路上安装测力、测重、风速等常规传感器，人工定期采集数据。这种方法不能及时反映覆冰情况，很难判断覆冰的冰厚、冰量、覆冰类型等。

近两年也有了一些新的构想。综合起来主要分为2种。一种是对倾角-弧垂进行实时测量，然后推算线路覆冰程度；另一种是通过视频监测来实现。在某些技术方案中，也将两种技术方案集成到一台测量装置上。

输电线路一旦发生覆冰，则由于导线重量增加，最直观的表现就是导线弧垂加大。导线张力大到一定程度后，就会导致杆塔、横担出现变形；在某些情况下，如果出现张力不平衡，还会导致杆塔倾斜、倒塌。通过对导线的弧垂和杆塔倾角进行测量，再结合导线温度测量和环境气象信息监测，可以通过计算公式或者实验数据得到线路的覆冰程度。因此该方法具有一定的科学性。但在导线振荡的情况下，该方法计算得到的覆冰误差较大，并且难以准确预测覆冰和舞动的趋势。

输电线路视频监视系统可以将关键地段的现场图像信息传输到监测中心的服务器上，运行管理人员通过查看线路的监测图像，实时观察和记录摄像机附近线路覆冰的形成和发展过程、覆冰严重程度，以便采取正确处理措施。这种方法具有监测结果直观、易于实现等优点，是目前国内输电线路覆冰在线监测的主要手段。但这种方法有2个问题：一是视频监测终端在恶劣气象条件下可能被冰雪遮蔽和冻结；二是该方法只能得到摄像机附近导线的覆冰及舞动情况，对于其他位置处情况，则只能进行推测。

导线覆冰和舞动预警是指根据导线现有的覆冰情况、气象实测及预报数据，预测下一时段(比如12小时)导线覆冰和舞动演变趋势。如果预测的结果是覆冰或舞动有可能加剧的话，则给出提示信息提醒运行管理人员采取措施，避免发生事故。目前在导线覆冰及舞动预警技术研究方面的文献不多见。

综上所述现有技术的缺点可以概括如下：

在传感器方面，现有监测技术均采用基于电测量的传感器。由于高压输电线路(尤其是特高压线路)周围环境存在较强的电磁干扰，并且整套测量装置暴露在野外恶劣的环境下，风吹日晒雨淋冰冻，导致电路设计复杂、故障率高。而且某些输电线路经过恶劣地理环境和气象条件的区域，如高海拔重冰区，甚至是无人区，测量装置又安装在杆塔上，导致后期维护困难。

现有监测技术多依赖于输电导线上绝缘子串附近的拉力测量装置，或者依赖于视频图像。这类装置工作过程中多依靠蓄电池或者太阳能供电。蓄电池笨重、寿命有限，而且替换的蓄电池需妥善处理，否则对环境有污染。太阳能电池受气象条件影响很大，在实际应用中存在局限性。

某些监测技术采用视频图像监测方案，容易受大雾、夜晚、雨雪等气象因素影响，摄像头也可能被冰雪覆盖，在某些情况下甚至无法工作。而且视频图像只能拍摄摄像机附近的输电线路情况，而对于较远处的情况则无法探测。

在数据传输方面，现有监测技术提到了应用无线传输的方式，但发生输电导线覆冰及舞动的地方，很有可能是高海拔重冰区或者气象条件比较恶劣的区域。在这些区域，通讯基础设施往往很薄弱甚至缺乏。在这种情况下，信号虽然能测但传输困难。如果某个中继器发生故障，则会导致监测失败。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的上述缺点，提供一种利用光纤传感器对输电线路进行实时监测的方法和装置。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，输电线路监测方法，其特征在于，沿输电线路布置光纤传感器，检测导线不同位置的特征参数；根据特征参数的分析对输电线路状态做出判断；

具体的，所述特征参数包括导线温度、应变以及加速度、扭转角；

进一步的，具体监测步骤如下：

a、沿输电线路布置光纤传感器；

b、接收所述光纤传感器采集的输电线路不同位置的特征参数；

c、对采集的特征参数进行分析处理，推算输电线路的状态；

具体的，步骤c中，利用计算机软件分析方法对光纤传感器采集的特征参数进行分析和处理；所述计算机软件分析方法具有覆冰和舞动特征分析功能，并可以根据气象信息预测覆冰和舞动演变的趋势；所述计算机软件分析方法包括但不限于利用基于严密理论推导的覆冰增长数学模型、专家系统推理以及利用历史监测数据用神经网络、机器学习方式建立的数学模型。

本发明的输电线路监测装置，包括光纤传感网络及其信号传输和处理系统，其特征在于，所述光纤传感网络沿所述输电线路长度方向布置，用于探测和传输输电线路不同位置的特征参数；

具体的，所述特征参数包括但不限于温度、应变、加速度、扭转角；用于反映输电线路的覆冰情况及舞动情况；

进一步的，所述光纤传感网络采用分布式光纤传感网络，光纤与输电线路紧密接触，既是传感器，也是信号传输线，能够对一段输电线路特征参数进行监测；

进一步的，所述光纤传感网络采用准分布式光纤传感网络，其结构包括：

光纤传感器，用于采集输电线路的特征参数；

传输光缆，用于传输光信号；

光纤连接器，用于光纤传感器与传输光缆的连接；

具体的，所述光纤传感器每隔一段距离被固定在所述输电线路上，并与输电线路紧密接触，构成一个监测点，用于准确检测输电线路特征参数。

本发明的有益效果是，充分利用了光纤传感器耐腐蚀、工作温度范围大、抗电磁干扰、无源、测量距离长、工作可靠、寿命长等优点。光纤传感器的分布式或准分布式结构，非常适合配置在输电线路上。光纤传感器探测速度快，信号传输速度快，可以同时测量多个参数，非常适合导线覆冰和舞动监测的需要，不仅可以测量导线的静态特性，还可以测量动态特性。本发明的装置寿命长，能够满足现场恶劣环境条件下的长时间可靠工作的要求。

附图说明

图1是光纤传感网络沿输电线路分布示意图；

图2是光纤传感器工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，在存在覆冰危险的一段输电线路1上，选择典型环境下的多档线路段(如跨越峡谷的档、水面上的档、山坡阴面的档或者根据往年观测情况，易发生覆冰的档)，在上面选择某一相输电导线，沿导线每隔一段距离(一般为100～200m)，将测量导线特征参数的光纤传感器6，用专用的固定装置固定在导线上，构成一个监测点，检测导线的温度、应变、加速度、扭转角等可以反映导线覆冰状态及舞动状态的参数。对于温度的检测，不一定每个监测点都进行检测，可以在一定范围内布置一个温度监测点，应变参数的检测则是每个监测点都需要的。传输光缆3是激光传输链路，光纤连接器5是连接传输光缆3和光纤传感器6的一个连接装置，类似一个接头，不仅起着连接的作用，而且在传输光缆3局部故障和个别传感器6无法正常工作的情况下，可以方便的进行替换维修。这是准分布式光纤传感网络的典型结构，传输光缆3和光纤连接器5沿输电导线，将传感器6串联起来，形成准分布式输电线路监测系统。传输光缆3沿输电线路1每隔一米左右，需用固定在输电导线上，避免脱落。光纤传感器6分布测量输电导线的温度、应变等数据，此外还可以利用光纤传感器获取环境温度。通过计算，导线应变数据可以转换为对应的导线轴向应力值。信号传输和处理系统10的计算机，利用计算机软件分析方法对光纤传感器6采集的一档输电线路上，多个测试点的应力值及其随时间的变化情况，可以计算出导线上的覆冰重量、分布情况及导线舞动状态。计算机软件分析方法结合气象信息还可以预测覆冰和舞动演变的趋势。这种计算机软件分析方法基于严密理论推导的覆冰增长数学模型、专家系统推理以及利用历史监测数据，用神经网络、机器学习等方式建立的数学模型，可以做出切合实际的推算和预测。

对于同一档上的多条导线(如一回线路有三条，两回线路有6条)，可以在上面选择一条至多条导线进行监测。另外，考虑到成本因素，如果相邻档的气象条件和地理环境条件类似，则可以只选择一档线路进行监测。整个光纤传感网络的长度可以为几百米(典型应用为峡谷线路的覆冰监测)，也可以是几百公里(典型应用为高海拔重冰区重要线路的覆冰监测)。一条光纤传感网络上安装的传感器数量可以从1个到数千个。

基于准分布式光纤传感网络的输电线路监测装置，传输光缆可以是单模光纤，也可以是多模光纤。

对于分布式光纤传感网络，其结构可以参见上述准分布式光纤传感网络，不过这里的传感器也就是一段单模光纤或多模光纤，整个光纤传感网络中，光纤既是传感器，也是信号传输线。这张分布式光纤传感网络，光纤与输电线路应当紧密接触安装，并且每隔一段距离采用专用固定装置进行加固，防止光纤脱落影响监测结果。这种光纤传感网络可以对一段输电线路特征参数进行监测，而不是分离的监测点。

实施例

图2给出了一种光纤传感网络的结构框图。这是一套基于光纤布拉格光纤光栅(FBG)的传感系统。但在实际应用中，还可以采用其他类型的光纤传感网络。下面对FBG传感系统做一简单介绍。

本例的信号传输和处理系统10包括激光器8、信号检测处理装置9、计算机数据分析及人机交互单元11、环行器或耦合器13。首先由激光器8发射出的激光经过一环形器或耦合器13入射到光纤传感网络中，光纤传感器串接在光纤链路上，当激光照射到传感器6后被反射回来，经过环形器13被光电探测系统901接收，然后经信号放大滤波单元902，并经数字信号处理单元903，信号传输和处理系统10的计算机分析软件就可以获得传感器的波长。作为FBG传感器，其在感受到外界物理量如温度、应变的时候其波长会发生变化，只要知道波长值即可得到外界物理参量。这就是光纤传感器的工作原理。

在输电导线上，通过波长或者空间位置编码可以实现多点分布式测量。其原理是：不同位置的传感器6具有不同的波长，或者是同波长的传感器在不同位置，通过时分复用获得传感器信号。此外，这套系统还可通过光开关控制支持多路工作。

图2中，6表示光纤传感器。在一条输电导线上，可以根据实际情况(主要是成本)，选择不同数量的光纤传感器6组成测试网络。但光纤传感器的数量需要足够的多，以便于测量输电导线上多点的轴向应力，从而得到输电导线覆冰分布的情况。5表示光纤连接器，用于将传感器6和传输光缆3连接在一起。

图2中1表示覆冰情况被监测的某相输电线，14表示同一档距上开展覆冰监测的其他输电线路。二者之间的测量链路属于并联关系。其实输电线路14可以代表多条被测输电线路，主要取决于成本、光纤耦合器13的通道数目和现场覆冰监测的实际需要。

位于控制中心的计算机分析和人机交互装置11可以控制光脉冲发生器的脉冲宽度、能量和频率。

输电导线覆冰监测系统的分析软件的工作流程如下：

首先是根据一小段时间内所监测的输电导线上不同位置处的光纤传感器的波长数据，可以将此转换成为导线上不同位置的温度和应变。假设在这一小段时间内，输电导线上的覆冰厚度和分布没有发生变化，并且假设各传感器安装位置附近的输电导线覆冰类型和厚度分布是均匀的，那么可以可以得知输电导线自身的动力学参数没有发生变化。在不同时刻测量所得到的输电导线应变数据不同，是由于输电导线在外在风载的作用下振荡的结果。通过分析输电导线上各点应变数据、应变变化速率，得到输电导线振荡频率、幅值和模态等动力学特征，结合输电导线上的应变数据，可以得到输电导线上各传感器附近的覆冰质量估计。也可以检测导线的加速度、扭转角等，得到导线的动力学特征。根据小型气象站所监测的导线附近的环境信息和一段时间内各传感器附近覆冰质量变化的情况，并考虑到覆冰类型和厚度对输电导线刚度的影响，可以得到输电导线覆冰的类型和厚度(这个过程可以采取专家系统分析或者根据覆冰增长模型来分析，有可能要进行估计——>计算——>再估计地迭代计算)。最后将这些结果显示在人机界面上。

如果在当前覆冰类型和厚度数据的基础上，补充气象预报数据，则可以进行覆冰趋势预测分析。覆冰预测分析的工具包括但不限于利用基于严密理论推导的覆冰增长数学模型或覆冰预测专家系统、或者利用历史监测数据用神经网络、机器学习等方式建立的数学模型。如果预测出来的结果是输电导线的安全受到威胁的话，则应发布预警指令。

Claims (10)

1.输电线路监测方法，其特征在于，沿输电线路布置光纤传感器，检测导线不同位置的特征参数；根据特征参数的分析对输电线路状态做出判断。

2.根据权利要求1所述的输电线路监测方法，其特征在于，所述特征参数包括导线温度和应变。

3.根据权利要求1或2所述的输电线路监测方法，其特征在于，所述特征参数包括导线的加速度、扭转角。

4.根据权利要求1、2或3所述的输电线路监测方法，其特征在于，具体步骤如下：

a、沿输电线路布置光纤传感器；

b、接收所述光纤传感器采集的输电线路不同位置的特征参数；

c、对采集的特征参数进行分析处理，推算输电线路的状态。

5.根据权利要求4所述的输电线监测方法，其特征在于，步骤c中，利用计算机软件分析方法对光纤传感器采集的特征参数进行分析和处理；所述计算机软件分析方法具有覆冰和舞动特征分析功能，并可以根据气象信息预测覆冰和舞动演变的趋势；所述计算机软件分析方法包括但不限于利用基于严密理论推导的覆冰增长数学模型、专家系统推理以及利用历史监测数据用神经网络、机器学习方式建立的数学模型。

6.输电线路监测装置，包括光纤传感网络及其信号传输和处理系统，其特征在于，所述光纤传感网络沿所述输电线路长度方向布置，用于探测和传输输电线路不同位置的特征参数。

7.根据权利要求6所述的输电线路监测装置，其特征在于，所述特征参数包括但不限于温度、应变、加速度、扭转角，用于反映输电线路的覆冰情况及舞动情况。

8.根据权利要求6或7所述的输电线路监测装置，其特征在于，所述光纤传感网络采用分布式光纤传感网络，光纤与输电线路紧密接触，既是传感器，也是信号传输线，能够对一段输电线路特征参数进行监测。

9.根据权利要求6或7所述的输电线路监测装置，其特征在于，所述光纤传感网络采用准分布式光纤传感网络，其结构包括：

光纤传感器，用于采集输电线路的特征参数；

传输光缆，用于传输光信号；

光纤连接器，用于光纤传感器与传输光缆的连接。

10.根据权利要求9所述的输电线路监测装置，其特征在于，所述光纤传感器每隔一段距离被固定在所述输电线路上，并与输电线路紧密接触，构成一个监测点，用于准确检测输电线路特征参数。

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