CN103499300B - 基于opgw光纤的导线覆冰在线监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明所设计的一种基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置和方法，它包括控制模块、显示模块、人机交互模块、电源、存储器、计算模块、光电转换器、光通信端与被测OPGW光纤连接的光纤收发模块，其中，光纤收发模块的控制信号输入端连接控制模块，光纤收发模块的光反馈信号输出端通过光电转换器连接计算模块，计算模块分别与存储器和控制模块连接，所述显示模块、人机交互模块和存储器均与控制模块连接，电源向控制模块供电。本发明具有更好的检测准确性。同时，本发明利用线路已有的OPGW光纤作为媒介即可得到导线的覆冰情况，无需在线路上新增监测装置，省去了塔上安装工作。

Description

基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置和方法

技术领域

本发明涉及电力监测技术领域，具体地指一种基于OPGW(OpticalFiberCompositeOverheadGroundWire，光纤复合架空地线)光纤的导线覆冰在线监测方法。

技术背景

目前，用于监测架空导线覆冰的监测装置主要采用在固定杆塔横担上加装传感器，测量绝缘子拉力或测量绝缘子倾角的方式间接测量该传感器两侧档距中的覆冰情况，此种监测方法存在安装繁琐、监测范围小、监测精度受环境因素影响大、电源难以保障、通信易受干扰等不足。参考文献1：《光纤中布里渊散射的机理及其应用研究》，南京大学研究生毕业论文，2012年5月，作者王如刚。参考文献2：耿军平,许家栋,韦高等，基于布里渊散射的分布式光纤传感器的进展[J]测控技术学报，2006，16(2).架空输电线路设计，中国电力出版社，2008年，作者孟遂民，孔伟。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置和方法，该监测装置和方法安装方便、测量精度高、监测范围广、监测过程不易受到干扰。

为实现此目的，本发明所设计的基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置，其特征在于：它包括控制模块、显示模块、人机交互模块、电源、存储器、计算模块、光电转换器、光通信端与被测OPGW光纤连接的光纤收发模块，其中，光纤收发模块的控制信号输入端连接控制模块，光纤收发模块的光反馈信号输出端通过光电转换器连接计算模块，计算模块分别与存储器和控制模块连接，所述显示模块、人机交互模块和存储器均与控制模块连接，电源向控制模块供电。

上述技术方案中，它还包括网络通信模块，所述控制模块通过网络通信模块与电网内部通信网络连接。

一种利用上述基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置的导线覆冰在线监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：测得被测OPGW光纤在无覆冰情况下的标准应力，并将被测OPGW光纤在无覆冰情况下的标准应力存储在存储器中；

步骤2：进行被测OPGW光纤与导线覆冰厚度的标定试验，得到被测OPGW光纤覆冰厚度与导线覆冰厚度的比例关系，并将被测OPGW光纤覆冰厚度与导线覆冰厚度的比例关系存储在存储器中；

步骤3：将变电站内覆冰的被测OPGW光纤接入光纤收发模块的光通信端；

步骤4：控制模块控制光纤收发模块向覆冰的被测OPGW光纤内发出测试激光；

步骤5：测试激光在覆冰的被测OPGW光纤内发生布里渊散射，光纤收发模块接收到上述布里渊散射的光反馈能量信号；

步骤6：光纤收发模块将接收到的布里渊散射的光反馈能量信号传输给光电转换器，光电转换器将布里渊散射的光反馈能量信号转换成布里渊散射的电反馈能量信号，并将布里渊散射的电反馈能量信号传输给计算模块；

步骤7：在计算模块中根据现有OPGW光纤应力与布里渊散射能量的对应关系，将布里渊散射的电反馈能量信号转换成被测OPGW光纤承受的应力；

步骤8：计算模块调取存储器中被测OPGW光纤在无覆冰情况下的标准应力，然后在计算模块中将步骤7中得到的被测OPGW光纤承受的应力减去步骤1中得到的被测OPGW光纤在无覆冰情况下的标准应力，得到覆冰对被测OPGW光纤应力的增量；

步骤9：在计算模块中通过被测OPGW光纤应力的增量得到被测OPGW光纤覆冰的厚度；

步骤10：计算模块调取存储器中存储的被测OPGW光纤覆冰厚度与导线覆冰厚度的比例关系，计算模块将被测OPGW光纤覆冰厚度转换成导线的覆冰厚度；

步骤11：计算模块将导线的覆冰厚度通过控制模块发送给显示模块进行显示；

步骤12，人机交互模块输入指令操作控制模块将导线的覆冰厚度通过网络通信模块上传入电网内部通信网络。

上述技术方案中，所述被测OPGW光纤与导线平行布置，被测OPGW光纤与导线之间的距离为0.4～0.6m。

上述步骤7中，所述现有OPGW光纤应力与布里渊散射能量的对应关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δf}}_B=C_{f\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}+C_{fT}\mathrm{\Δ}T\\ P_B=A\mathrm{\Δ}T/{\mathrm{\Δf}}_B^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，Δf_B表示布里渊散射频率，Δε表示OPGW光纤产生的应变，ΔT表示温度的变化，系数C_fε为0.0483，系数C_fT为1.10，A为常数，P_B为布里渊散射的功率，所述布里渊散射频率Δf_B和布里渊散射的功率P_B通过光纤收发模块检测得到，布里渊散射能量与布里渊散射的功率P_B对应。

上述步骤9中，所述被测OPGW光纤应力的增量与被测OPGW光纤覆冰厚度的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}=\mathrm{\ρ}Vg=\mathrm{\ρ}\mathrm{\π}b(d+b)g\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}S\\ S={\mathrm{\πd}}^2/4\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，Δε为OPGW光纤产生的应变，ρ为被测OPGW光纤覆冰的密度，b为被测OPGW光纤覆冰的厚度，d为被测OPGW光纤的直径，π为圆周率常数，g为重力常数、Δσ为OPGW光纤应力的增量，S为被测OPGW光纤的横截面积。

本发明的在线监测装置位于室内，相比现有的在固定杆塔横担上加装传感器的检测方式，本发明更不容易受到外界环境因素的影响，具有更好的检测准确性。同时，本发明利用线路已有的OPGW光纤作为媒介即可得到导线的覆冰情况，无需在线路上新增监测装置，省去了塔上安装工作。另外，由于检测方式采用光纤信道，所以本发明还具有通信信道干扰少等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中、1—控制模块、2—显示模块、3—人机交互模块、4—电源、5—存储器、6—计算模块、7—网络通信模块、8—光纤收发模块、9—光电转换器、10—电网内部通信网络、11—被测OPGW光纤。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示的基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置，它包括控制模块1、显示模块2、人机交互模块3、电源4、存储器5、计算模块6、光电转换器9、光通信端与被测OPGW光纤11连接的光纤收发模块8，其中，光纤收发模块8的控制信号输入端连接控制模块1，光纤收发模块8的光反馈信号输出端通过光电转换器9连接计算模块6，计算模块6分别与存储器5和控制模块1连接，显示模块2、人机交互模块3和存储器5均与控制模块1连接，电源4向控制模块1供电。

上述技术方案中，它还包括网络通信模块7，控制模块1通过网络通信模块7与电网内部通信网络10连接。

一种利用上述基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置的导线覆冰在线监测方法，它包括如下步骤：

步骤1：测得被测OPGW光纤11在无覆冰情况下的标准应力，并将被测OPGW光纤11在无覆冰情况下的标准应力存储在存储器5中；

步骤2：进行被测OPGW光纤11与导线覆冰厚度的标定试验，得到被测OPGW光纤11覆冰厚度与导线覆冰厚度的比例关系，并将被测OPGW光纤11覆冰厚度与导线覆冰厚度的比例关系存储在存储器5中；

步骤3：将变电站内覆冰的被测OPGW光纤11接入光纤收发模块8的光通信端；

步骤4：控制模块1控制光纤收发模块8向覆冰的被测OPGW光纤11内发出测试激光；所述测试激光的频率为100KHZ。

步骤5：测试激光在覆冰的被测OPGW光纤11内发生布里渊散射，光纤收发模块8接收到上述布里渊散射的光反馈能量信号；

步骤6：光纤收发模块8将接收到的布里渊散射的光反馈能量信号传输给光电转换器9，光电转换器9将布里渊散射的光反馈能量信号转换成布里渊散射的电反馈能量信号，并将布里渊散射的电反馈能量信号传输给计算模块6；

步骤7：在计算模块6中根据现有OPGW光纤应力与布里渊散射能量的对应关系，将布里渊散射的电反馈能量信号转换成被测OPGW光纤11承受的应力；

步骤8：计算模块6调取存储器5中被测OPGW光纤11在无覆冰情况下的标准应力，然后在计算模块6中将步骤7中得到的被测OPGW光纤11承受的应力减去步骤1中得到的被测OPGW光纤11在无覆冰情况下的标准应力，得到覆冰对被测OPGW光纤11应力的增量；

步骤9：在计算模块6中通过被测OPGW光纤11应力的增量得到被测OPGW光纤11覆冰的厚度；

步骤10：计算模块6调取存储器5中存储的被测OPGW光纤11覆冰厚度与导线覆冰厚度的比例关系，计算模块6将被测OPGW光纤11覆冰厚度转换成导线的覆冰厚度；

步骤11：计算模块6将导线的覆冰厚度通过控制模块1发送给显示模块2进行显示；

上述技术方案中，步骤11后还包括步骤12，人机交互模块3输入指令操作控制模块1将导线的覆冰厚度通过网络通信模块7上传入电网内部通信网络10。

本发明利用线路已有OPGW光纤即作为传感器又用作通信通道，通过监测射入的测试激光的布里渊散射情况得到其OPGW应力变化量，从而得到线路导地线覆冰情况监测。

上述技术方案中，所述被测OPGW光纤11与导线平行布置，被测OPGW光纤11与导线之间的距离为0.4～0.6m。如果被测OPGW光纤11与导线之间的距离不在0.4～0.6m之间，则OPGW光纤11与导线所处环境的一致性可能会受到影响，导致测试结果不准确。

上述步骤7中，所述现有OPGW光纤应力与布里渊散射能量的对应关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δf}}_B=C_{f\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}+C_{fT}\mathrm{\Δ}T\\ P_B=A\mathrm{\Δ}T/{\mathrm{\Δf}}_B^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，Δf_B表示布里渊散射频率，Δε表示OPGW光纤产生的应变，ΔT表示温度的变化，系数C_fε为0.0483，系数C_fT为1.10，A为常数，P_B为布里渊散射的功率，所述布里渊散射频率Δf_B和布里渊散射的功率P_B通过光纤收发模块检测得到，布里渊散射能量与布里渊散射的功率P_B对应。

上述步骤9中，所述被测OPGW光纤应力的增量与被测OPGW光纤覆冰厚度的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}=\mathrm{\ρ}Vg=\mathrm{\ρ}\mathrm{\π}b(d+b)g\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}S\\ S={\mathrm{\πd}}^2/4\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，Δε为OPGW光纤产生的应变，ρ为被测OPGW光纤覆冰的密度，b为被测OPGW光纤覆冰的厚度，d为被测OPGW光纤的直径，π为圆周率常数，g为重力常数、Δσ为OPGW光纤应力的增量，S为被测OPGW光纤的横截面积。上述被测OPGW光纤的直径通过测量工具测量得到。

公式1的详细说明见论文《光纤中布里渊散射的机理及其应用研究》，南京大学研究生毕业论文，2012年5月，作者王如刚。公式2的详细说明见：耿军平,许家栋,韦高等，基于布里渊散射的分布式光纤传感器的进展[J]测控技术学报，2006，16(2).架空输电线路设计，中国电力出版社，2008年，作者孟遂民，孔伟。

说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置，其特征在于：它包括控制模块(1)、显示模块(2)、人机交互模块(3)、电源(4)、存储器(5)、计算模块(6)、光电转换器(9)、光通信端与被测OPGW光纤(11)连接的光纤收发模块(8)，其中，光纤收发模块(8)的控制信号输入端连接控制模块(1)，光纤收发模块(8)的光反馈信号输出端通过光电转换器(9)连接计算模块(6)，计算模块(6)分别与存储器(5)和控制模块(1)连接，所述显示模块(2)、人机交互模块(3)和存储器(5)均与控制模块(1)连接，电源(4)向控制模块(1)供电。

2.根据权利要求1所述的基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置，其特征在于：它还包括网络通信模块(7)，所述控制模块(1)通过网络通信模块(7)与电网内部通信网络(10)连接。

3.一种利用权利要求2所述基于OPGW光纤的导线覆冰在线监测装置的导线覆冰在线监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：测得被测OPGW光纤(11)在无覆冰情况下的标准应力，并将被测OPGW光纤(11)在无覆冰情况下的标准应力存储在存储器(5)中；

步骤2：进行被测OPGW光纤(11)与导线覆冰厚度的标定试验，得到被测OPGW光纤(11)覆冰厚度与导线覆冰厚度的比例关系，并将被测OPGW光纤(11)覆冰厚度与导线覆冰厚度的比例关系存储在存储器(5)中；

步骤3：将变电站内覆冰的被测OPGW光纤(11)接入光纤收发模块(8)的光通信端；

步骤4：控制模块(1)控制光纤收发模块(8)向覆冰的被测OPGW光纤(11)内发出测试激光；

步骤5：测试激光在覆冰的被测OPGW光纤(11)内发生布里渊散射，光纤收发模块(8)接收到上述布里渊散射的光反馈能量信号；

步骤6：光纤收发模块(8)将接收到的布里渊散射的光反馈能量信号传输给光电转换器(9)，光电转换器(9)将布里渊散射的光反馈能量信号转换成布里渊散射的电反馈能量信号，并将布里渊散射的电反馈能量信号传输给计算模块(6)；

步骤7：在计算模块(6)中根据现有OPGW光纤应力与布里渊散射能量的对应关系，将布里渊散射的电反馈能量信号转换成被测OPGW光纤(11)承受的应力；

步骤8：计算模块(6)调取存储器(5)中被测OPGW光纤(11)在无覆冰情况下的标准应力，然后在计算模块(6)中将步骤7中得到的被测OPGW光纤(11)承受的应力减去步骤1中得到的被测OPGW光纤(11)在无覆冰情况下的标准应力，得到覆冰对被测OPGW光纤(11)应力的增量；

步骤9：在计算模块(6)中通过被测OPGW光纤(11)应力的增量得到被测OPGW光纤(11)覆冰的厚度；

步骤10：计算模块(6)调取存储器(5)中存储的被测OPGW光纤(11)覆冰厚度与导线覆冰厚度的比例关系，计算模块(6)将被测OPGW光纤(11)覆冰厚度转换成导线的覆冰厚度；

步骤11：计算模块(6)将导线的覆冰厚度通过控制模块(1)发送给显示模块(2)进行显示。

4.根据权利要求3所述的导线覆冰在线监测方法，其特征在于：步骤11后还包括步骤12，人机交互模块(3)输入指令操作控制模块(1)将导线的覆冰厚度通过网络通信模块(7)上传入电网内部通信网络(10)。

5.根据权利要求3所述的导线覆冰在线监测方法，其特征在于：所述被测OPGW光纤(11)与导线平行布置，被测OPGW光纤(11)与导线之间的距离为0.4～0.6m。

6.根据权利要求3所述的导线覆冰在线监测方法，其特征在于：步骤7中，所述现有OPGW光纤应力与布里渊散射能量的对应关系为：

其中，Δf_B表示布里渊散射频率，Δε表示OPGW光纤产生的应变，ΔT表示温度的变化，系数C_fε为0.0483，系数C_fT为1.10，A为常数，P_B为布里渊散射的功率，所述布里渊散射频率Δf_B和布里渊散射的功率P_B通过光纤收发模块检测得到，布里渊散射能量与布里渊散射的功率P_B对应。

7.根据权利要求3所述的导线覆冰在线监测方法，其特征在于：步骤9中，所述被测OPGW光纤应力的增量与被测OPGW光纤覆冰厚度的关系为：

其中，Δε为OPGW光纤产生的应变，ρ为被测OPGW光纤覆冰的密度，b为被测OPGW光纤覆冰的厚度，d为被测OPGW光纤的直径，π为圆周率常数，g为重力常数、Δσ为OPGW光纤应力的增量，S为被测OPGW光纤的横截面积。