CN102116685A - 电力电缆的分布式光纤在线测温系统数据处理方法 - Google Patents

Abstract

一种电力电缆的分布式光纤在线测温系统数据处理方法，它采用递推式平均算法，在每次取样所得在线温度测量数据来到时，利用上次的平均结果做更新运算，以获得新的平均结果。发明在分布式光纤温度传感系统的数据处理上，改进了线性累加算法，采用递推式平均算法的数字平均算法，有效地抑制了噪声，减少了系统运算时间，有效地提高了测温系统的精度和稳定性。与现有的其他方法如温度传感器、红外热像仪以及感温光纤相比，分布式光纤温度传感系统具有远距离、大范围，不受电磁干扰，测量精度高的优点。

Description

电力电缆的分布式光纤在线测温系统数据处理方法

技术领域

本发明涉及电力系统输变电电力电缆温度实时监测技术。

背景技术

电力电缆广泛地应用于电力系统输变电的各种环境中，如何有效地对电缆温度进行实时监测，已经成为保障电缆安全运行的重要手段。分布式光纤温度传感技术是目前及时发现电力电缆温度局部过热点位置，计算导体载流量和检测运行线路的绝缘状态的首选措施，它能够连续测量光纤沿线各点的温度，能进行不间断的自动测量，适用于需要大范围多点测量的应用场合；该技术是一种用于实时测量空间温度场分布的传感技术，它在地下电缆网络系统中所出现的温度奇异点的识别、系统实时负载能力的计算、电网短期超负荷能力的计算、电缆的载流量最优化配置以及实现负荷的经济调配等方面具有广泛的应用前景。由于它具有抗电磁干扰、工作频率宽、动态范围大等特点，它能够连续测量光纤沿线各点的温度，能进行不间断的自动测量，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。

分布式光纤温度传感系统，分为光电探测、光纤温度场信息采集和信号处理3大部分。在同步控制单元的触发下，光发射机产生一大电流脉冲，该脉冲驱动半导体激光器产生大功率的光脉冲，并注入激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路耦合器后进入放在恒温槽里的传感光纤中。当激光在光纤中发生散射后，携带有温度信息的拉曼后向散射光回到光路耦合器中，光路耦合器不但可以将发射的光直接耦合至传感光纤，而且可以将散射回来的不同 于发射波长的拉曼散射光耦合至分光器。分光器是由两个不同中心波长的滤波器组成，他们分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，两路光信号经过接收机时进行光电转换和放大，然后由数据采集单元进行高速数据采样，转换为数字量，然后经过进一步的信号处理，用于温度的计算。

拉曼散射光由Anti-Stokes光和Stokes光的两种不同波长的光组成，前者对温度特别敏感，其强度受温度调制，而后者与温度基本无关，且两者光强的比值只与散射区的温度有关。因此，通常都将Anti-Stokes拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据，而Stokes通常被用作参考通道，用来消除应力等其他因素的影响。检测两者光强的比值就可以解调出散射区的温度信息，同时还可以消除光源的不稳定以及光纤传输过程中的耦合损耗、光纤接头损耗、光纤传输损耗等影响。

分布式光纤温度传感系统的主要缺点是散射光信号很弱，约为入射光的1/10⁸，信噪比很小，测量的信息几乎完全淹没在噪声中，所以必须采用一种方法对光电检测器输出信号进行放大、采样以及处理。数据处理的核心就是在有效地抑制噪声的条件下放大微弱信号。

传统的方法是采用线性累加平均算法，即：

采集n个在线温度测量数据后，再由计算机按下式求其平均值：

${\stackrel{\‾}{x}}_{\mathrm{nj}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}---\left(1\right)$

这是一种批量算法，需采集n个数据后，再由计算机求其平均值。对于噪声为白噪声的情况，平均过程能实现的性噪比改善为 

这种算法的缺点是计算量大，需要作n次累加和一次除法才能得到一个平均值，因此降低了系统的响应时间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种电力电缆的分布式光纤在线测温系统数据处理方法，它能在有效地抑制噪声的条件下放大微弱信号，使平均结果的性噪比越来越高，被测信号波形逐渐清晰。

本发明的技术方案是，所述电力电缆的分布式光纤在线测温系统数据处理方法为：为了增加获得平均结果的频次，采用递推式平均算法，在每次取样所得在线温度测量数据(取样数据)来到时，利用上次的平均结果做更新运算，以获得新的平均结果，即：

用 

表示时刻n-1的n-1个数据的平均值， 

表示时刻n的平均结果，x(n)表示时刻n的取样值，由上述(1)式可得：

${\stackrel{\‾}{x}}_{\mathrm{nj}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}=\frac{n-1}{n}*\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}+\frac{1}{n}{x}_{\mathrm{nj}}=\frac{n-1}{n}*{\stackrel{\‾}{x}}_{(n-1)j}+\frac{x_{\mathrm{nj}}}{n}---\left(2\right)$

上式中： 

表示时刻n平均结果，x_nj表示时刻n的结果， 

表示时刻n-1平均结果，xij表示时刻i测量的数据。

利用上述递推式平均算法，当每个取样数据到来以后，可以利用新数据对上式的平均结果进行更新，这样相对于每个取样数据，都会有一个新的平均值。随着取样数据一个个到来，平均结果的性噪比也越来越高，被测信号的波形将逐渐清晰。

由式(1)(2)，还可以得到：

${\stackrel{\‾}{x}}_{\mathrm{nj}}={\stackrel{\‾}{x}}_{(n-1)j}+\frac{x_{\mathrm{nj}}-{\stackrel{\‾}{x}}_{(n-1)j}}{n}---\left(3\right)$

可见，每次递推的过程都是对前一次运算结果附加一个修正量，而修正量的大小取决于新的取样数据与上次平均结果的差值以及平均次数n。随着平均 次数的增多，修正量会越来越小，则新数据的作用也越来越小，当n大到一定程度之后，该修正量会趋于零。此后继续取样和递推都不会对信噪比的改善起作用，平均结果稳定不变。

由以上可知，本发明为一种电力电缆的分布式光纤在线测温系统数据处理方法，它能在有效地抑制噪声的条件下放大微弱信号，使平均结果的性噪比越来越高，被测信号波形逐渐清晰。本发明在分布式光纤温度传感系统的数据处理上，改进了线性累加算法，采用递推式平均算法的数字平均算法，有效地抑制了噪声，减少了系统运算时间，有效地提高了测温系统的精度和稳定性。与现有的其他方法如温度传感器、红外热像仪以及感温光纤相比，分布式光纤温度传感系统具有远距离、大范围，不受电磁干扰，测量精度高的优点，必将有效地改善目前的电力电缆绝缘监测技术。

附图说明

图1是分布式光纤温度传感系统的原理图；

图2是实现本发明方法的一种主程序框图；

图3是数据处理前的信号图；

图4是数据处理后的信号图。

具体实施方式

实现本发明方法采用了上位机，分布式光纤温度传感系统，数据库和LABVIEW软件完成软件设计。

分布式光纤温度传感系统的原理图如图1，分为光电探测、光纤温度场信息采集和信号处理3大部分。

基于LABVIEW设计的主程序框图如图2所示。所有数据的测量都是由LABVIEW 程序完成的，数据的分析处理是由MATLAB软件在计算机上完成的，处理的是测量的原始数据。可以看出，如果不对数据进行累加去噪，测量的原始数据完全淹没在噪声之中(参见图3)，随着累加次数的增加，信噪比变大，将可以得到较为有效的曲线(参见图4)。

一组在线温度测量数据举例(测量的点为500m处)：

测量时间	i＝0	i＝50	i＝100	i＝500	i＝1000
						温度	28.3	29.2	31.4	30.2	29.9

Claims (1)

1.一种电力电缆的分布式光纤在线测温系统数据处理方法，其特征是，该方法为：采用递推式平均算法，在每次取样所得在线温度测量数据来到时，利用上次的平均结果做更新运算，以获得新的平均结果，即新的平均结果由下式得到：

${\stackrel{\‾}{x}}_{\mathrm{nj}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}=\frac{n-1}{n}*\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}+\frac{1}{n}{x}_{\mathrm{nj}}=\frac{n-1}{n}*{\stackrel{\‾}{x}}_{(n-1)j}+\frac{x_{\mathrm{nj}}}{n}$

上式中：

表示时刻n平均结果，x_nj表示时刻n的结果，

表示时刻n-1平均结果，xij表示时刻i测量的数据。

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