CN103364107B - 一种衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统，包括光纤脉冲激光器、光纤波分复用器、第一光电接收模块、第二光电接收模块、数据采集模块、计算机、标定光缆、传感光缆、反光镜和点式温度传感器。计算机软件包括温度实时监测，历史数据保存和温升故障报警三个部分。衰减自补偿的光纤拉曼分布式温度传感器能够消除电缆沿线因弯曲，应变，节点损耗，特别是长时间工作和工作环境差异等因素引起的光纤衰减变化的影响，实现衰减的自补偿，提高系统测温的稳定性与可靠性。电缆温度监测与报警计算机软件能通过比较当前数据与历史数据得到电缆的工作状态，实现预警与报警。

Description

一种衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统

技术领域

本发明属于分布式光纤传感测温领域，特别涉及一种衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统，其为监测电力电缆温度分布以及异常报警的系统。

背景技术

目前随着智能电网的发展，对电缆的工作状态监测提出了越来越高的要求。传统的温度传感器由于其点式测温的特性，给安装和组网带来的很大的不便。基于光纤拉曼散射的温度传感系统是一种真正意义上的分布式温度传感系统，光纤既可以传输光信号，其本身也是传感器，所以其测温监测范围大，加上其不受电磁干扰的特点，使得它易于安装和组网，大大降低了获取信息的成本。

在电缆沿线铺设传感光缆时，一般有两种方法可供选择。第一种方法是最理想的安装方式，即直接将光纤内置于电缆导线线芯上（或绝缘屏蔽层间），这样光纤的温度即为电缆的温度，获得的电缆工作状态的信息较为准确，但是这也带来了两个问题：1需要特制的电缆，2这种特殊电缆的安装连接比较不便，所以这种方案目前没有得到推广。第二种方法是比较实际的安装方式，即将光纤安装在电缆的外表面，这种方式安装比较方便，但也存在两个问题，一方面出现故障时虽然电缆纤芯的温度很高，可是电缆表面的温度较低，平均温升在10摄氏度左右，但由于电缆铺设位置的差异，且电缆表面的温度受外界的环境影响较大，不同地点不同时间的电缆温度差就有10摄氏度，所以温度的报警需要针对不同位置的温升情况而定；另一方面，光纤长期处在不同的环境下（如温度和湿度）在一段时间后，将会导致光纤各段的衰减系数的差异，而这对温度值的准确标定影响较大，所以在这样的系统中，测温噪声水平并不是特别突出的问题，而消除光纤沿线衰减变化对温度标定的影响，从而提高温度标定的精度，显得尤其重要。

稳定性，可靠性和低成本是电力系统中技术的基本要求，本专利针对电力电缆测温的特点，提出了一种适合于中短距离应用的衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对电力电缆分布式测温的需求，设计了一种能长期稳定、可靠运行并且成本较低的，适用于中短距离应用的衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统，包括光纤脉冲激光器、光纤波分复用器、第一光电接收模块、第二光电接收模块、数据采集模块、计算机、标定光缆、传感光缆、反光镜和点式温度传感器。

光纤波分复用器具有4个端口，其中1550nm输入端口A与光纤脉冲激光器相连，输出端口B与标定光缆任意一端相连，1450nm输出端口C与第一光电接收模块的输入端相连，1663nm输出端口D与第二光电接收模块的输入端相连；第一光电接收模块和第二光电接收模块的输出端与数据采集模块的两个输入端相连，数据采集模块的触发信号由光纤脉冲激光器产生，数据采集模块的输出端与计算机相连；标定光缆的剩余端口与传感光缆的任意一端相连，传感光缆另一端与反光镜相连；点式温度传感器与计算机相连。

所述的光纤脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱3dB带宽为0.3nm，激光脉冲宽度为15ns，峰值功率0～100W可调，重复频率0.5～20kHz。

所述的光纤波分复用器的带宽为7nm。

所述的第一光电接收模块和第二光电接收模块分别把反斯托克斯光和斯托克斯光转换成电信号并放大，使其电压范围与数据采集模块的输入电压范围匹配，光电接收模块采用的是APD探测电路，其3dB带宽为80MHz。

所述的数据采集模块的采样率为100MHz。

所述的标定光缆和传感光缆是相同的62.5-125um的渐变折射率多模光纤，标定光缆长度为220m，包括200m盲区，传感光缆安装在电缆表面。

所述的反光镜对于1550nm、1450nm和1663nm光的反射率应达到99%。

所述的点式温度传感器与计算机相连，用于反馈标定光缆的温度信息。

计算机软件包括三个部分：温度实时监测部分，历史数据保存部分和温升故障报警部分，温度实时监测部分用于显示电缆当前的温度状态；历史数据保存部分用于保存电缆工作状态的数据，方便查阅电缆工作历史状态并为温升故障报警提供数据基础；升故障报警部分通过比较当前的温度状态和历史数据，分析出可能将要出现故障的位置，并指示出已经出现故障的位置。

本发明和现有技术相比的优点在于：

1）、本发明能够消除电缆沿线因弯曲，应变，节点损耗，特别是长时间工作和工作环境差异等因素引起的光纤衰减变化的影响。实现衰减的自补偿，提高系统测温的稳定性与可靠性。并且对传感光缆的选择没有特殊的要求，甚至可以选择事先铺设好的光缆，安装方便。特别适用于中短程电力电缆沿线温度的监测与报警。

2）、本发明提出的温升故障报警能够监测电缆不同位置处的温升状况，从而能够针对不同位置的温升情况进行温度报警。

附图说明

图1是本发明系统的结构框图；

图2是带反射镜的传感光缆中，脉冲激光与散射光的传播情况是示意图；

图3是电缆温度监测与报警系统软件结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明系统进行详细说明。

如图1所示，衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统，由以下几部分组成：光纤脉冲激光器1、光纤波分复用器2、第一光电接收模块3、第二光电接收模块4、数据采集模块5、计算机6、标定光缆7、传感光缆8、反光镜9和点式温度传感器10。

光纤脉冲激光器1的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.3nm，激光脉冲宽度为15ns，峰值功率0～100W可调，重复频率0.5～20kHz。光纤波分复用器2的带宽为7nm。第一光电接收模块3和第二光电接收模块4分别把反斯托克斯光和斯托克斯光转换成电信号并放大，使其电压范围与数据采集模块5的输入电压范围匹配，光电接收模块采用的是APD探测电路，3dB带宽为80MHz。数据采集模块5的采样率为100MHz。标定光缆7和传感光缆8是相同的62.5/125um的渐变折射率多模光纤，标定光缆7长度为220m（包括200m盲区），传感光缆8铺设在电缆表面。反光镜9对于1550nm、1450nm和1663nm光的反射率应达到99%。点式温度传感器10与计算机6相连，用于反馈温度槽温度信息。

带反射镜的传感光缆中，脉冲激光11与拉曼背向散射光12的传播情况如图2所示。在光纤的同一位置，有两次背向拉曼散射过程，一次是激光脉冲在前向传播过程中的背向拉曼散射，另一次是激光脉冲经过镜面反射后，在后向传播过程中的背向拉曼散射。这两次散射过程产生的背向散射光在光纤中的传播距离不同，经过不同时间到达光电接收模块。

如图3所示，电缆温度监测与报警系统软件，由三部分构成：温度实时监测部分13，历史数据保存部分14和温升故障报警部分15。温度实时监测部分13完成包括光强数据的获取、温度的解调以及显示电缆当前的温度状态的功能；历史数据保存部分14定时保存电缆温度信息，方便查阅电缆工作历史状态并为温升故障报警提供数据基础；温升故障报警部分15通过比较当前的温度状态和历史数据，分析出可能将要出现故障的位置，并指示出已经出现故障的位置。

本发明能够实现衰减的自补偿，是基于以下原理实现的：

如图2所示，标定光缆7及传感光缆8的总长度为L，发生散射的位置为l，温度为T，那么设光强为I₀的激光脉冲在前向传播过程中的背向拉曼散射光强（斯托克斯光I_s1，反斯托克斯I_as1）可以表示为：

$I_{s1}=I_0{\mathrm{\Γ}}_s\left(l\right)v_s^4{R}_s\left(T\right)\exp (-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_s\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{as}1}=I_0{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{as}}\left(l\right)v_{\mathrm{as}}^4{R}_{\mathrm{as}}\left(T\right)\exp (-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(2\right)$

其中，Γ_s(l)和Γ_as(l)分别为位置l处斯托克斯光和反斯托克斯光的散射捕获率，ν_s和ν_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的光谱频率，α_o(z)，α_s(z)和α_as(z)分别为z位置处入射脉冲激光，斯托克斯光和反斯托克斯光的光波传输总衰减系数，R_s(T)和R_as(T)分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的散射光强比：

R_s(T)＝[1-exp(-hΔν/kT)]^-1（3）

R_as(T)＝[exp(hΔν/kT)-1]^-1（4）

其中h为Planck常数，k为Boltzmann常数，Δν为拉曼频移量。

同理，激光脉冲经过镜面反射后，在同样位置l处发生散射，在后向传播过程中的背向拉曼散射光强（斯托克斯光I_s2，反斯托克斯I_as2）可以表示为：

$I_{s2}=I_0{\mathrm{\Γ}}_s\left(l\right)v_s^4{R}_s\left(T\right)R_0{R}_{\mathrm{ss}}\exp (-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_l^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_s\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_l^L{\mathrm{\α}}_s\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(5\right)$

$I_{\mathrm{as}2}=I_0{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{as}}\left(l\right)v_{\mathrm{as}}^4{R}_{\mathrm{as}}\left(T\right)R_0{R}_{\mathrm{ass}}\exp (-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_l^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_l^L{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(6\right)$

其中R₀，R_ss和R_ass分别为入射激光脉冲，斯托克斯光和反斯托克斯光在镜面处的反射率。

分别取I_s1与I_s2、I_as1与I_as2的几何平均值可得：

$I_s=\sqrt{I_{s1}{I}_{s2}}=I_0{\mathrm{\Γ}}_s\left(l\right)v_s^4{R}_s\left(T\right)\sqrt{R_0{R}_{\mathrm{ss}}}\exp (-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_s\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(7\right)$

$I_{\mathrm{as}}=\sqrt{I_{\mathrm{as}1}{I}_{\mathrm{as}2}}=I_0{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{as}}\left(l\right)v_{\mathrm{as}}^4{R}_{\mathrm{as}}\left(T\right)\sqrt{R_0{R}_{\mathrm{ass}}}\exp (-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(8\right)$

由上面两个公式可以看出，与衰减相关的项不随位置l的变化而变化，那么反斯托克斯光与斯托克斯光光强比为：

$\frac{I_{\mathrm{as}}}{I_s}=Q\frac{R_{\mathrm{as}}\left(T\right)}{R_s\left(T\right)}---\left(9\right)$

其中Q为常数，又由（3）、（4）两式可得

$\frac{R_{\mathrm{as}}\left(T\right)}{R_s\left(T\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})---\left(10\right)$

位置可通过散射光的延迟时间确定，温度可由以下公式计算得到

$T=\frac{\mathrm{h\Δv}/k}{\ln (I_s/I_{\mathrm{as}})+\ln Q}---\left(11\right)$

hΔν/k和lnQ都为常数，如果通过标定区光纤的数据，实时确定hΔν/k和lnQ这两个参量，就可以消除长时间工作和工作环境差异等因素引起的光纤衰减变化的影响，实现衰减的自补偿。

本发明能够实现温升状况的监测与报警，是使用以下算法实现的：

Step1：从历史数据中搜索出电缆正常工作时的电缆沿线温度分布情况数据，记为T₀(z)。

Step2：从温度实时监测部分获取当前电缆沿线的温度分布情况数据，记为T(z)。

Step3：计算出电缆沿线各点处的温升情况Tr(z)＝T(z)-T₀(z)。

Step4：计算电缆沿线最大温升值其中N为z从0到L的范围内的总测温点数。

Step5：若Tr_max超过某一预设的报警阈值，则产生温升报警；否则，返回Step2。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种衰减自补偿的光纤拉曼电缆温度监测与报警系统，其特征在于，包括光纤脉冲激光器(1)、光纤波分复用器(2)、第一光电接收模块(3)、第二光电接收模块(4)、数据采集模块(5)、计算机(6)、标定光缆(7)、传感光缆(8)、反光镜(9)和点式温度传感器(10)；光纤波分复用器(2)具有4个端口，其中1550nm输入端口A与光纤脉冲激光器(1)相连，输出端口B与标定光缆(7)任意一端相连，1450nm输出端口C与第一光电接收模块(3)的输入端相连，1663nm输出端口D与第二光电接收模块(4)的输入端相连；第一光电接收模块(3)和第二光电接收模块(4)的输出端与数据采集模块(5)的两个输入端相连，数据采集模块(5)的触发信号由光纤脉冲激光器(1)产生，数据采集模块(5)的输出端与计算机(6)相连；标定光缆(7)的剩余端口与传感光缆(8)的任意一端相连，传感光缆(8)另一端与反光镜(9)相连；点式温度传感器(10)与计算机(6)相连；

其中，光纤脉冲激光器(1)的中心波长为1550nm，光谱3dB带宽为0.3nm，激光脉冲宽度为15ns，峰值功率0～100W可调，重复频率0.5～20kHz；

光纤波分复用器(2)的带宽为7nm；

第一光电接收模块(3)和第二光电接收模块(4)分别把反斯托克斯光和斯托克斯光转换成电信号并放大，使其电压范围与数据采集模块(5)的输入电压范围匹配，光电接收模块采用的是APD探测电路，其3dB带宽为80MHz；

数据采集模块(5)的采样率为100MHz；

标定光缆(7)和传感光缆(8)是相同的62.5-125um的渐变折射率多模光纤，标定光缆(7)长度为220m，包括200m盲区，传感光缆(8)安装在电缆表面；

反光镜(9)对于1550nm、1450nm和1663nm光的反射率应达到99％；

点式温度传感器(10)与计算机(6)相连，用于反馈标定光缆(7)的温度信息；

计算机(6)软件包括三个部分：温度实时监测(13)部分，历史数据保存(14)部分和温升故障报警(15)部分，温度实时监测(13)部分用于显示电缆当前的温度状态；历史数据保存(14)部分用于保存电缆工作状态的数据，方便查阅电缆工作历史状态并为温升故障报警提供数据基础；温升故障报警(15)部分通过比较当前的温度状态和历史数据，分析出可能将要出现故障的位置，并指示出已经出现故障的位置；

其中，标定光缆(7)及传感光缆(8)的总长度为L，发生散射的位置为l，温度为T，那么设光强为I₀的激光脉冲在前向传播过程中的背向拉曼散射光强(斯托克斯光I_s1，反斯托克斯I_as1)可以表示为：

$I_{s1}=I_0{\mathrm{\Γ}}_s\left(l\right)v_s^4{R}_s\left(T\right)\exp (-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_s\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{as}1}=I_0{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{as}}\left(l\right)v_{\mathrm{as}}^4{R}_{\mathrm{as}}\left(T\right)\exp (-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^l{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(2\right)$

其中，Γ_s(l)和Γ_as(l)分别为位置l处斯托克斯光和反斯托克斯光的散射捕获率，ν_s和ν_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的光谱频率，α_o(z)，α_s(z)和α_as(z)分别为z位置处入射脉冲激光，斯托克斯光和反斯托克斯光的光波传输总衰减系数，R_s(T)和R_as(T)分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的散射光强比：

R_s(T)＝[1-exp(-hΔν/kT)]^-1               (3)

R_as(T)＝[exp(hΔν/kT)-1]^-1              (4)

其中h为Planck常数，k为Boltzmann常数，Δν为拉曼频移量；

同理，激光脉冲经过镜面反射后，在同样位置l处发生散射，在后向传播过程中的背向拉曼散射光强(斯托克斯光I_s2，反斯托克斯I_as2)可以表示为：

$I_{s2}=I_0{\mathrm{\Γ}}_s\left(l\right)v_s^4{R}_s\left(T\right)R_0{R}_{\mathrm{ss}}\exp (-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_l^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_s\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_l^L{\mathrm{\α}}_s\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(5\right)$

$I_{\mathrm{as}2}=I_0{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{as}}\left(l\right)v_{\mathrm{as}}^4{R}_{\mathrm{as}}\left(T\right)R_0{R}_{\mathrm{ass}}\exp (-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_l^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_l^L{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(6\right)$

其中R₀，R_ss和R_ass分别为入射激光脉冲，斯托克斯光和反斯托克斯光在镜面处的反射率；

分别取I_s1与I_s2、I_as1与I_as2的几何平均值可得：

$I_s=\sqrt{I_{s1}{I}_{s2}}=I_0{\mathrm{\Γ}}_s\left(l\right)v_s^4{R}_s\left(T\right)\sqrt{R_0{R}_{\mathrm{ss}}}\exp (-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_s\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(7\right)$

$I_{\mathrm{as}}=\sqrt{I_{\mathrm{as}1}{I}_{\mathrm{as}2}}=I_0{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{as}}\left(l\right)v_{\mathrm{as}}^4{R}_{\mathrm{as}}\left(T\right)\sqrt{R_0{R}_{\mathrm{ass}}}\exp (-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_0\left(z\right)\mathrm{dz}-{\∫}_0^L{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)\mathrm{dz})---\left(8\right)$

由上面两个公式可以看出，与衰减相关的项不随位置l的变化而变化，那么反斯托克斯光与斯托克斯光光强比为：

$\frac{I_{\mathrm{as}}}{I_s}=Q\frac{R_{\mathrm{as}}\left(T\right)}{R_s\left(T\right)}---\left(9\right)$

其中Q为常数，又由(3)、(4)两式可得

$\frac{R_{\mathrm{as}}\left(T\right)}{R_s\left(T\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})---\left(10\right)$

位置可通过散射光的延迟时间确定，温度可由以下公式计算得到

$T=\frac{\mathrm{h\Δv}/k}{\ln (I_s/I_{\mathrm{as}})+\ln Q}---\left(11\right)$

hΔν/k和lnQ都为常数，如果通过标定区光纤的数据，实时确定hΔν/k和lnQ这两个参量，就可以消除长时间工作和工作环境差异等因素引起的光纤衰减变化的影响，实现衰减的自补偿。