CN101701859B - 用于输电线路的光纤光栅监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于输电线路的光纤光栅监测系统，包括：光纤光栅传感模块、传输模块和计算模块，其中光纤光栅传感模块，用于接收由传输模块传来的第一光信号，并将第一光信号反射后的第二光信号经传输模块传输到计算模块；传输模块，用于传输第一光信号和第二光信号；计算模块，用于根据第二光信号相对于第一光信号的中心波长变化获取输电线路所承受的拉力和倾角，并根据拉力和倾角得到输电线路的覆冰量。

Description

用于输电线路的光纤光栅监测系统

技术领域

本发明涉及电力领域，具体而言，涉及一种用于输电线路的光纤光栅监测系统。

背景技术

电力安全是国家安全的一个重要组成部分。在当前我国经济迅猛发展的大背景下，全社会对电力可靠性的要求越来越高，电力事故造成的经济损失越来越严重。输电线路因其分布广泛，所处环境恶劣，经常遇到大面积污闪、覆冰、雷击事件，是电网中的薄弱环节。

国内外电力部门和研究机构对输电线路弧垂在线监测的研究已进行了多年，目前主要有以下几种弧垂在线监测方法：通过图像分辨测量来监测弧垂；通过测量导线悬挂金具的应力和倾角来计算弧垂；通过测量导线温度来推算导线弧垂。

通过线路图像实时监视和小型气象站相结合来实时监测弧垂的方法受天气状况影响很大，而且测量精度很低，传输速度和图像质量受到很大限制；通过测量导线悬挂金具的应力和倾角来计算弧垂的方法采用的是传统电阻应变片式称重传感器，通过测量金具所受张力的方法是利用建立的力学模型来计算导线弧垂，但电阻应变片依靠微弱的电阻变化量来反映构件的应变，存在非线性和温度、零位漂移等因素，需要精密的电桥测量电路保证测量的准确性，而在输电线路上输电线路强大的交变电磁场将在应变片的引线上产生较高的感应电压，绝缘子金具尺寸狭小，桥路或电路补偿构建困难，电阻应变片稳定性和使用寿命在现场恶劣情况下很难保证，这些影响因素造成了测试结果误差较大；通过测量导线温度来测量导线弧垂的方法是基于状态方程得到水平张力，再由水平张力来计算弧垂的原理来实现，由于导线的温度内外有所差别，测温装置的误差，在状态方程中误差会放大，直接造成测量的不准确性，而且不能对负重情况下弧垂进行测量。由于电源功率较小，现有系统往往采用休眠模式节省电能，例如系统设定两次覆冰监测间休眠半小时，这样就不能对覆冰情况进行真正的实时监测。在每个测量点(每个测量杆塔处)都需要包括测量模块，取电模块和无线发射模块，造成系统的整体成本较高。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中的在线监测方法为现场有源测量，需要在测量点附近提供电源，现有电源提供方案为太阳能供电和导线取能，太阳能供电容易受到天气环境的影响，在连续阴雨天气无法使用，导线取能功率小，而且在电力系统出现短路故障时较易损坏。

发明内容

本发明旨在提供一种用于输电线路的光纤光栅监测系统，能够解决现有技术中的存在的上述问题。

在本发明的实施例中，提供了一种用于输电线路的光纤光栅监测系统，包括：光纤光栅传感模块、传输模块和计算模块，其中

光纤光栅传感模块，用于接收由传输模块传来的第一光信号，并将第一光信号反射后的第二光信号经传输模块传输到计算模块；

传输模块，用于传输第一光信号和第二光信号；

计算模块，用于根据第二光信号相对于第一光信号的中心波长变化获取输电线路所承受的拉力和倾角，并根据拉力和倾角得到输电线路的覆冰量。

在上述实施例中，通过采用光纤光栅传感模块对由传输模块传来的第一光信号进行反射，根据反射后第二光信号相对于第一光信号的中心波长变化获取输电线路所承受的拉力和倾角，进而得到输电线路的覆冰量，由于采用光纤光栅对光信号进行反射测量，在测量现场为无源测量方式，克服了现有技术中的在线监测方法为现场有源测量，需要在测量点附近提供电源，现有电源提供方案为太阳能供电和导线取能，太阳能供电容易受到天气环境的影响，在连续阴雨天气无法使用，导线取能功率小，而且在电力系统出现短路故障时较易损坏的问题。

由于本发明的实施例中采用光纤光栅传感模块对反射光信号进行测量，在测量现场仅需放置光纤光栅传感模块，通过传输模块将第一光信号反射后的第二光信号经传输模块传输到位于监控中心的计算模块，可以采用同一计算模块对不同的光纤光栅传感模块得到的光信号进行处理，从而可以实现分布式测量，克服了现有技术中在每个测量点(每个测量杆塔处)都包括测量模块，取电模块和无线发射模块，导致系统的整体成本较高的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于输电线路的光纤光栅监测系统示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的光纤光栅传感模块安装位置示意图；

图3示出了根据本发明的一个优选实施例的光纤光栅测量传感模块原理图；

图4示出了根据本发明的一个优选实施例的光纤光栅测量监测系统整体框图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

图1示出了根据本发明的一个实施例的用于输电线路的光纤光栅监测系统示意图，包括：光纤光栅传感模块102、传输模块104和计算模块106，其中

光纤光栅传感模块102，用于接收由传输模块104传来的第一光信号，并将第一光信号反射后的第二光信号经传输模块104传输到计算模块106；

传输模块104，用于传输第一光信号和第二光信号；

计算模块106，用于根据第二光信号相对于第一光信号的中心波长变化获取输电线路所承受的拉力和倾角，并根据拉力和倾角得到输电线路的覆冰量。

在本实施例中，通过采用光纤光栅传感模块对由传输模块传来的第一光信号进行反射，根据反射后第二光信号相对于第一光信号的中心波长变化获取输电线路所承受的拉力和倾角，进而得到输电线路的覆冰量，由于采用光纤光栅对光信号进行反射测量，在测量现场为无源测量方式，克服了现有技术中的在线监测方法为现场有源测量，需要在测量点附近提供电源，现有电源提供方案为太阳能供电和导线取能，太阳能供电容易受到天气环境的影响，在连续阴雨天气无法使用，导线取能功率小，而且在电力系统出现短路故障时较易损坏的问题。

由于本实施例中采用光纤光栅传感模块对反射光信号进行测量，在测量现场仅需放置光纤光栅传感模块，通过传输模块将第一光信号反射后的第二光信号经传输模块传输到位于监控中心的计算模块，可以采用同一计算模块对不同的光纤光栅传感模块得到的光信号进行处理，从而可以实现分布式测量，克服了现有技术中在每个测量点(每个测量杆塔处)都包括测量模块，取电模块和无线发射模块，导致系统的整体成本较高的问题。

整个监测系统仅包含有光纤光栅传感模块、传输模块和计算模块，不需要使每个测量点都包括测量模块，取电模块和无线发射模块，克服了现有技术中系统的整体成本较高的问题。

优选地，在上述光纤光栅监测系统中，光纤光栅传感模块102包括：拉力测量单元，其包括弹性体以及与弹性体固定连接的第一光纤光栅片；倾角测量单元，其包括薄金属片、悬挂在薄金属片上的重物以及分别与薄金属片上下表面固定连接的两根光纤光栅。

优选地，在上述光纤光栅监测系统中，光纤光栅传感模块102还包括：金属外壳，用于密封拉力测量单元和倾角测量单元。用金属外壳把拉力测量单元和倾角测量单元密封起来，可以使光纤光栅传感模块不受恶劣气候环境影响。

优选地，在上述光纤光栅监测系统中，弹性体为整体结构的合金钢材。根据实际情况选定弹性材料，用一块合金钢材一次性加工成型。

优选地，在上述光纤光栅监测系统中，弹性体的形状为以下任一种：圆柱体、S形、长方体或者悬臂梁形式。其主要目的是实现大量程测量、抗冲击和抗偏载供能。

优选地，在上述光纤光栅监测系统中，弹性体为单孔或双孔形式。

优选地，在上述光纤光栅监测系统中，固定连接为采用特殊胶粘剂粘贴或激光焊接。用注射器滴15ml胶粘剂在光纤光栅片上，然后滑动针头使胶水均匀，完全粘贴在弹性体上，固化24小时；或者采用CO₂激光焊接方法，通过无缝焊接使光纤光栅应变片或温度补偿片紧密固定在弹性体上。

图2示出了根据本发明的一个实施例的光纤光栅传感模块安装位置示意图。如图2所示，测量传感模块安装在绝缘子串和挂板之间，取代了现有技术中的金具中的球型挂环，通过光纤光栅应变倾角传感器实时监测导线悬挂点的张力和倾角；现场为无源测量，光信号通过光纤复合架空地线在变电站和测量端之间传输；由于光纤光栅本身的特性可以实现导线覆冰情况的分布式测量。

优选地，在上述光纤光栅监测系统中，传输模块104为光纤复合架空地线，其通过光纤连接器或焊接方式与光纤光栅传感模块的尾纤相连接。

优选地，在上述光纤光栅监测系统中，计算模块106包括：光纤光栅解调仪，用于对第二光信号的波长进行解调，得到第二光信号相对于第一光信号的中心波长变化；专家系统单元，用于根据中心波长变化计算得到光纤光栅传感模块的应变变化和倾角变化，根据倾角变化获取光纤光栅模块的倾角和温度，并根据温度对应变变化进行补偿得到输电线路所受的拉力，并根据拉力和倾角计算得到输电线路的覆冰量。

在变电站将光纤复合架空地线引出光纤接到光纤光栅解调仪上，解调仪通过变电站内220V电源供电，使用网线将解调仪与安装有专家系统的监测用计算机相连。对监测用计算机中的专家软件进行初始化操作，根据线路实际情况设定档距，高差等参数，设置好存储时间周期，以便后期的数据处理。调试系统，检查系统是否接通。

优选地，在上述光纤光栅监测系统中，计算模块106还包括：报警单元，用于当专家系统单元计算得到的拉力大于预先设定的阈值时，发出警报。

图3示出了根据本发明的一个优选实施例的光纤光栅传感模块示意图。如图3所示，弹性体302是用一块合金钢材一次性加工成形的整体结构，体积小、稳定性好；其外形结构可以为圆柱体(杯柱体)、S形、长方体或悬臂梁形式，内部称重结构形式可以为单孔或双孔形式。按照弹性体本身的抗偏载测量布置方案，使用胶粘剂粘贴或电焊的方式将拉力测量用光纤光栅304固定在弹性材料302上。当弹性体所说拉力发生变化时，光纤光栅的中心波长将发生变化，通过测量中心波长变化，利用之前的拉力-波长变化标定结果得到导线拉力。

倾角测量部分包括薄金属片、重物和倾角测量用光纤光栅306，重物挂接在薄金属片前段，根据悬臂梁原理，当倾角发生变化时，受地球引力影响重物始终垂直向下，而此时金属片上的应变将发生变化，其变化量与倾角的正弦值成正比，因此通过测量金属片上应变变化可以反映倾角变化。将两根光纤光栅分别粘贴在薄金属片上下两面，由于倾角变化时，薄金属片上下两面应变大小相等方向相反，因此两根光纤光栅的中心波长将呈等值反方向变化，而两根光纤光栅受温度影响的中心波长变化相同，因此有下述方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{1-\mathrm{angle}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{1-\mathrm{temperature}}=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{2-\mathrm{angle}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{2-\mathrm{temperature}}=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{1-\mathrm{angle}}=-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{2-\mathrm{angle}}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{1-\mathrm{temperature}}=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{2-\mathrm{temperature}}\end{array}\right.$

式中下标1、2分布代表上下表面粘贴的传感器，Δλ代表波长变化，angle代表倾角变化引起的中心波长变化，temperature代表温度引起的中心波长变化。求解上述方程组就可以求出倾角变化引起的中心波长变化和温度变化引起的中心波长变化，进而求出传感器的倾角和温度值。该温度值同时用于拉力测量中的温度补偿，通过这种方法克服了光纤光栅测量中的应变与温度交叉敏感问题。

用金属外壳308把拉力测量部分和倾角测量部分密封起来，使传感器不受恶劣气候环境影响。

测量用光纤光栅的尾纤310通过光纤连接器或熔接的方法与光纤复合架空地线(OPGW，Optical Fiber Composite Overhead GroundWire)相连。测量信号通过光纤复合架空地线传输到变电站内的光纤光栅解调仪上，将解调出来的拉力和倾角监测参量通过网线输入到监测用计算机上，通过专家系统计算出输电线路的覆冰状况。系统的整体框图如图4所示，该系统可实现输电线路覆冰情况的在线监测。

从以上的描述中，可以看出本发明上述的实施实现了如下技术效果：测量设备和解调设备都为电气测量，在输电线路的强电磁场区域内极易受到电磁干扰的影响；将多个光纤光栅拉力倾角传感器分别安装在不同的覆冰监测区域内，使用OPGW将这些传感器连接到变电站内的一套光纤光栅解调系统，这样就可以实时监测多个光纤光栅拉力倾角传感器的拉力倾角状况，分别计算出不同监测区域的覆冰情况，分布式测量大大降低了系统成本。

本发明的上述实施例的光纤光栅监测系统适合于各种气候测量，抗电磁干扰，利于长期监测；在动态测量中，该系统测量精度高、速度快、频率响应好、长期性能稳定；测量得到的应变通过波长编码实现，光纤光栅称重系统不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响；测量灵敏度好、分辨率高；采用分布式测量技术，可以使用一套解调系统对多个易覆冰区域进行同时监测，大大降低了系统成本；光纤光栅解调系统由变电站电源系统功能，电源安全稳定。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于输电线路的光纤光栅监测系统，其特征在于，包括：

光纤光栅传感模块、传输模块和计算模块，其中

所述光纤光栅传感模块，用于接收由所述传输模块传来的第一光信号，并将所述第一光信号反射后的第二光信号经所述传输模块传输到所述计算模块；

所述传输模块，用于传输所述第一光信号和所述第二光信号；

所述计算模块，用于根据所述第二光信号相对于所述第一光信号的波长变化获取所述输电线路所承受的拉力和倾角，并根据所述拉力和所述倾角得到所述输电线路的覆冰量。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感模块包括：

拉力测量单元，其包括弹性体以及与所述弹性体固定连接的第一光纤光栅片；

倾角测量单元，其包括薄金属片、悬挂在所述薄金属片上的重物以及分别与所述薄金属片上下表面固定连接的两根光纤光栅。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感模块还包括：

金属外壳，用于密封所述拉力测量单元和所述倾角测量单元。

4.根据权利要求2所述的光纤光栅监测系统，其特征在于，所述弹性体为整体结构的合金钢材。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅监测系统，其特征在于，所述弹性体为以下任一种：

圆柱体、S形、长方体或悬臂梁式。

6.根据权利要求4所述的光纤光栅监测系统，其特征在于，所述弹性体为单孔或双孔形式。

7.根据权利要求2所述的光纤光栅监测系统，其特征在于，所述固定连接为采用胶粘剂粘贴或激光焊接。

8.根据权利要求1所述的光纤光栅监测系统，其特征在于，所述传输模块为光纤复合架空地线，其通过光纤连接器或焊接方式与所述光纤光栅传感模块的尾纤相连接。

9.根据权利要求1所述的光纤光栅监测系统，其特征在于，所述计算模块包括：

光纤光栅解调仪，用于对所述第二光信号的波长进行解调，得到所述第二光信号相对于所述第一光信号的中心波长变化；

专家系统单元，用于根据所述中心波长变化计算得到所述光纤光栅传感模块的应变变化和倾角变化，根据所述倾角变化获取所述光纤光栅模块的倾角和温度，并根据所述温度对所述应变变化进行补偿得到所述输电线路所受的拉力，并根据所述拉力和所述倾角计算得到所述输电线路的覆冰量。

10.根据权利要求9所述的光纤光栅监测系统，其特征在于，所述计算模块还包括：

报警单元，用于当所述专家系统单元计算得到的所述拉力大于预先设定的阈值时，发出警报。

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