CN102937489A - 光纤复合架空相线分布式测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤复合架空相线分布式测温装置及方法，装置包括信号处理模块，信号处理模块输出脉冲激光指令到高频脉冲激光模块，高频脉冲激光模块发射高频激光至光波分复用模块，光波分复用模块向光纤中注入激光脉冲并接收光纤中返回的后向拉曼散射光，光波分复用模块的输出端分别连接多路光电探测器，每个光电探测器通过放大器连接信号处理模块；所述信号处理模块通过通信接口连接测温主机。其优点是：通过分布式测温装置实时监视光线复合相线各处的温度变化；实时监测和分析电力电缆表面温度的分布式数据，及时发现和定位潜在的温度异常点，实现电力电缆故障早期预/报警，避免事故发生。

Description

光纤复合架空相线分布式测温装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统中电缆的测温装置及方法，尤其是一种光纤复合架空相线（OPPC）分布式测温装置及方法。

背景技术

光纤复合相线（OPPC)是在传统的相线电缆中嵌入光纤线缆的一种新型特种复合光缆，可以同时、同路、同走向传输电能和信息，并随时监测线路的工作状态。光纤复合相线充分利用了电力系统自身的线路资源，特别是针对电力配网系统，具有传输电能与通信业务的双重功能。

OPPC是将传统输电导线中的一根或多根钢丝替换为不锈钢管光单元，使钢管光单元与（铝包）钢线、铝（合金）线共同绞合形成OPPC，用OPPC替代三相导线中的某一相导线，形成由两根导线和一根OPPC组合而成的三相电力系统，实现通电和通信双重功能融合。

OPPC既是一条符合常规输电线路设计的架空导线，同时还是一条提供信号传输的光缆,它充分利用输电线路走廊资源实现光通信，在实现传输电能与光纤通信的完美融合的同时，没有给原有线路附加额外负荷带来隐患。此外，OPPC具有良好的耐腐蚀性及热稳定性，在延长电缆使用寿命的同时，保证了光通信不受影响。

目前用于测温的光纤复合电缆主要采用布里恩散射原理技术，光纤测温的机理是依据背向拉曼散射温度效应：激光脉冲在光纤中传播时与光纤分子相互作用，发生多种形式的散射，如瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，具体地说，如果一部分光能转换成为热振动，那么将发出一个比光源波长更长的光，称为斯托克斯光（Stokes光），如果一部分振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光（Anti-Stokes光）。其中Stokes光强度受温度的影响很小，可忽略不计，而Anti-Stokes光的强度随温度的变化而变化。Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式。光在光纤中传输时一部分拉曼散射光（后向拉曼散射光）沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收。测温主机通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤复合架空相线（OPPC）分布式测温装置及方法，为OPPC提供智能灵活的温度监控实时监视。

按照本发明提供的技术方案，所述的光纤复合架空相线分布式测温装置包括信号处理模块，信号处理模块输出脉冲激光指令到高频脉冲激光模块，高频脉冲激光模块发射高频激光至光波分复用模块，光波分复用模块向光纤中注入激光脉冲并接收光纤中返回的后向拉曼散射光，光波分复用模块的输出端分别连接多路光电探测器，每个光电探测器通过放大器连接信号处理模块；所述信号处理模块通过通信接口连接测温主机；测温主机通过测量后向拉曼散射光中反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测，在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，对不同的温度点进行定位，即得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

具体的，所述信号处理模块包括DSP处理芯片。

所述信号处理模块将接收到的数字信号经过多次累加平均后，将淹没在躁声中的斯托克斯和反斯托克斯信号识别出来，累加后的信号送入测温主机。

一种光纤复合架空相线分布式测温方法为：在测温主机的系统中预先设定光纤复合架空相线的始末距离，将埋入的光纤长度分为若干等分，即设定分布式测温的距离间隔，取每个监测点测得的温度值作为提取对象，在数据提取程序下定义这些点所在光纤上的刻度值，对监测点的温度值进行实时在线监测。

具体的，设光纤总长为L，考虑距离激光源为l的光纤前端处长度为dl的一段光纤，能量E0持续时间为△T的泵浦激光脉冲注入光纤后，以速度v=c/n在传输通道T中传输，其中c为真空中的光速，n为纤芯折射率；传播在l到l+ dl段，一部分α·dl能量被损耗，α为入射光的单位长度上的损耗系数；一部分能量pΓ被耦合到接收通道R，然后以速度v回到光电探测器处，Γ为单位长度上的光后向散射系数，p为后向散射因子；时间的不同对应着光纤位置的不同，因此光探测器探测到的光功率为光纤位置的函数，那么不同光纤位置l处的光功率均能够被探测器探测到，随着l逐渐增加，光电探测器就实现了对沿着光纤分布待测温度场的空间分布式测量；计算时假定光纤是均匀的，即α、Γ与光纤位置无关；同时还假定光纤在泵浦光波长和散射光波长的损耗系数相等；所述传播通道T和接收通道R指同一根光纤。

本发明的优点是：1、通过分布式测温装置实时监视光线复合相线各处的温度变化,为输电线路动态增容提供指导；2、为输电、配电等电力输送线路动态载流量的分析、计算提供环境数据；3、实时监测和分析电力电缆表面温度的分布式数据，及时发现和定位潜在的温度异常点，实现电力电缆故障早期预/报警，避免事故发生，为电力调度部门提供短期电网优化调度所需的安全指导信息，同时提高电力资产利用率。

附图说明

图1是本发明的电路结构框图。

图2是分布式光纤测温原理图。

图3是光电探测器的光电转换原理图。

图4是光时域反射原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所述的光纤复合架空相线分布式测温装置包括：信号处理模块，信号处理模块输出脉冲激光指令到高频脉冲激光模块，高频脉冲激光模块发射高频激光至光波分复用模块，光波分复用模块向光纤中注入激光脉冲并接收光纤中返回的后向拉曼光，光波分复用模块的输出端分别连接多路光电探测器，每个光电探测器通过放大器连接信号处理模块；所述信号处理模块通过通信接口连接测温主机。

本发明利用激光在光纤中传输时产生的自发拉曼(Raman)散射和光时域反射原理来获取空间温度分布信息。当在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲时，它在光纤中向前传输的同时不断产生后向拉曼散射光，这些后向拉曼散射光的强度受所在光纤散射点的温度影响而有所改变，散射回来的后向拉曼光经过光学滤波、光电转换、放大、模-数转换后，送入信号处理模块，便可将温度信息实时计算出来，同时根据光纤中光的传输速度和后向光回波的时间对温度信息定位。由于后向拉曼散射光的强度非常微弱，因此测温系统需要非常高的处理增益、非常低的噪声电平才能检测到该信号；同时为了实现足够高的空间定位精度，系统必须具有足够高的时间分辨率，即带宽和采样频率。

所述信号处理模块含核心DSP处理芯片，主要处理、调度来自控制中心的指令以及处理光信号，通过RS232接口或Ethernet网口交互数据信息。

如图2所示，目前用于测温的光纤复合电缆主要采用布里恩散射原理技术，光纤测温的机理是依据背向拉曼散射温度效应：激光脉冲在光纤中传播时与光纤分子相互作用，发生多种形式的散射，如瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，具体地说，如果一部分光能转换成为热振动，那么将发出一个比光源波长更长的光，称为斯托克斯光（Stokes光），如果一部分振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光（Anti-Stokes光）。其中Stokes光强度受温度的影响很小，可忽略不计，而Anti-Stokes光的强度随温度的变化而变化。Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式。光在光纤中传输时一部分拉曼散射光（后向拉曼散射光）沿光纤原路返回，被光电探测器接收。测温主机通过测量后向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

如图3所示，返回的光信号进入光电探测器，首先经过雪崩光电二极管APD转换为电流，然后经过放大为电压信号（并滤波）后送入A/D转换器转换为数字信号。

拉曼散射光十分微弱，所以数字信号要经过多次累加平均后，淹没在躁声中的斯托克斯和反斯托克斯信号才能被识别出来。累加后的信号送入测温主机。

根据实际施工情况在系统中预先设定OPPC的始末距离，根据实际需要将埋入光纤分为若干等分，在分布式测温装置原始数据中确定设定点的光纤刻度值。根据系统需要，将埋入的光纤长度分为若干等分，即设定分布式测温的距离间隔，取每个点测得的温度值作为提取对象。在数据提取程序下定义这些点所在光纤上的刻度值，对监测点的温度值进行实时在线监测。

如图4所示，传播通道T和接收通道R为同一根光纤，此处为了能清楚说明原理，表示成不同的两条通道。光纤总长为L，考虑距离激光源为l的光纤前端处长度为dl的一段光纤。能量E0持续时间为△T的泵浦激光脉冲注入光纤后，以速度v（v=c/n，其中c为真空中的光速，n为纤芯折射率，一般n=l.5）在传输通道T中传输，传播到l→l+ dl段：一部分α dl能量被损耗（α为入射光的单位长度上的损耗系数）；一部分能量pΓ被耦合到接收通道R，然后以速度v回到光电探测器处（Γ为单位长度上的光后向散射系数，p为后向散射因子）。假定光纤是均匀的，即α、Γ与光纤位置无关；同时还假定光纤在泵浦光波长和散射光波长的损耗系数相等。

时间的不同又对应着光纤位置的不同，这就意味着光探测器探测到的光功率为光纤位置的函数，那么不同光纤位置l处的光功率均可被探测器探测到。随着l逐渐增加，光电探测器就实现了对沿着光纤分布待测温度场的空间分布式测量。

OPPC分布式测温装置每间隔设定时间针对所有监测点记录温控数据，由于配电网络结构复杂，线路总长度很大，产生的数据量与日俱增，难以管理，如果采用人工检查和处理，则异常麻烦，且容易遗漏和出错，系统采用数据库系统编程的方式，进行数据及时导入、异常数据检验、数据处理后的导出等操作，并与常规温度计实测温度进行差值比较，按差值大小进行自定义显示，进行修改或剔除等处理操作，提高光纤数据前处理工作的效率。系统采用统计检验方法识别温度异常值。统计检验方法是用统计理论对观测资料进行检验，因为有一定数学依据和判断标准，减少了分析人员的主观性，也不依赖于分析人员的经验和技术水平。对于异常温度测值，程序可以根据判别因子判断并作出标记；如果程序判断为温度异常数据，将通过操作将异常温度测值直接剔除。

与传统的感温电缆相比，OPPC分布式测温装置具有以下特点：

1.    普通感温电缆根据产品型号，一般只能选择一个固定的报警温度点，无法根据环境温度进行修正；当达到报警温度后，常因系统本身遭到破坏而无法重复使用。OPPC分布式测温装置可以任意设定报警温度点，可以设低温报警、预警及火灾报警等多级报警方式，也可以根据温升速率报警。在光纤传感器不受物理性损坏的前提下，系统能够长期工作。该系统能够对探测器所处的温度场变化进行动态实时监测，指示位置和温度值，同时能对探测器任意位置和时序上的火警进行报警和定位。

2.    OPPC分布式测温装置可以清晰地显示探测线路上每一点(最短可间隔0.25 m设定1点)的温度变化。

3.    OPPC分布式测温装置采用光信号传输，无电磁干扰，综合智能判断，误报的可能性极小，系统平均无故障运行时间长于感温电缆系统。

4.    OPPC分布式测温装置利用通信光缆作为温度传感系统，沿线路无需安装额外装置，有效利用资源。

5.    OPPC分布式测温装置可以随时通过软件划分探测区域，系统十分灵活。

Claims (5)

1.光纤复合架空相线分布式测温装置，其特征是：包括信号处理模块，信号处理模块输出脉冲激光指令到高频脉冲激光模块，高频脉冲激光模块发射高频激光至光波分复用模块，光波分复用模块向光纤中注入激光脉冲并接收光纤中返回的后向拉曼散射光，光波分复用模块的输出端分别连接多路光电探测器，每个光电探测器通过放大器连接信号处理模块；所述信号处理模块通过通信接口连接测温主机；测温主机通过测量后向拉曼散射光中反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测，在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，对不同的温度点进行定位，即得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

2.如权利要求1所述光纤复合架空相线分布式测温装置，其特征是，所述信号处理模块包括DSP处理芯片。

3.如权利要求1所述光纤复合架空相线分布式测温装置，其特征是，所述信号处理模块将接收到的数字信号经过多次累加平均后，将淹没在躁声中的斯托克斯和反斯托克斯信号识别出来，累加后的信号送入测温主机。

4.光纤复合架空相线分布式测温方法，其特征是：在测温主机的系统中预先设定光纤复合架空相线的始末距离，将埋入的光纤长度分为若干等分，即设定分布式测温的距离间隔，取每个监测点测得的温度值作为提取对象，在数据提取程序下定义这些点所在光纤上的刻度值，对监测点的温度值进行实时在线监测。

5.如权利要求4所述光纤复合架空相线分布式测温方法，其特征是，设光纤总长为L，考虑距离激光源为l的光纤前端处长度为dl的一段光纤，能量E0持续时间为△T的泵浦激光脉冲注入光纤后，以速度v=c/n在传输通道T中传输，其中c为真空中的光速，n为纤芯折射率；传播在l到l+ dl段，一部分α·dl能量被损耗，α为入射光的单位长度上的损耗系数；一部分能量pΓ被耦合到接收通道R，然后以速度v回到光电探测器处，Γ为单位长度上的光后向散射系数，p为后向散射因子；时间的不同对应着光纤位置的不同，因此光探测器探测到的光功率为光纤位置的函数，那么不同光纤位置l处的光功率均能够被探测器探测到，随着l逐渐增加，光电探测器就实现了对沿着光纤分布待测温度场的空间分布式测量；计算时假定光纤是均匀的，即α、Γ与光纤位置无关；同时还假定光纤在泵浦光波长和散射光波长的损耗系数相等；所述传播通道T和接收通道R指同一根光纤。

Images