CN103743648A

CN103743648A - 基于光波的输电线路等值盐密传感器及其在线测量方法

Info

Publication number: CN103743648A
Application number: CN201310704572.3A
Authority: CN
Inventors: 黄新波; 王玉鑫; 林淑凡; 赵伟强
Original assignee: Xian Polytechnic University
Current assignee: XI'AN JIN POWER ELECTRICAL Co.,Ltd.
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103743648B

Abstract

本发明公开的一种基于光波的输电线路等值盐密传感器，包括中空的壳体，中空壳体内设置有监测装置板，监测装置板包括微控制器，微控制器上分别连接有激光发射模块、激光接收模块、通信模块、数据存储模块、电源模块和温湿度采集模块，温湿度采集模块伸出所述中空壳体外，本发明还公开了一种在线测量盐密的方法，利用介质光波导中的广场分布理论和光能损耗的机理，通过测量光传感器的光功率衰减量、环境温度、相对湿度等数据，利用已建立好的神经网络模型推导出具有较高准确度的绝缘子等值盐密，可以实时/定时、准确的在线监测输电线路现场绝缘子的污秽，对输电线路的绝缘子污秽进行全局诊断及监控，并提供预警信息。

Description

基于光波的输电线路等值盐密传感器及其在线测量方法

技术领域

本发明属于输电线路在线监测技术领域，具体涉及一种基于光波的输电线路等值盐密传感器，本发明还涉及一种基于光波的输电线路等值盐密传感器的在线测量方法。

背景技术

输电线路的绝缘子要求在大气过电压、内部过电压和长期运行电压下均能可靠运行。但沉积在绝缘子表面的固体、液体和气体微粒与雨、露、冰、雪等恶劣气象条件的同时作用，使绝缘子的电气强度大大降低，从而导致输电线路和变电站的绝缘子不仅可能在过电压作用下发生闪络，更频繁的是在长期运行电压下发生污秽闪络，造成停电事故。覆冰、鸟粪也可以认为是特殊的污秽，其对绝缘子绝缘性能同样影响很大。由于经济发展，大气环境恶化，空气污染加剧，污闪事故有所增加，常常波及多条线路和多个变电站，造成大面积、长时间停电。全国六大电网几乎都发生过大面积污闪，造成了很大的经济损失。因此，对于绝缘子污秽的监测显得尤为重要。

电力部门常用的绝缘子污秽监测方法主要有泄露电流在线监测方法和等值盐密在线监测方法。但这两种方法都存在自己的缺点，泄露电流在线监测方法对运行环境要求很高，无法监测到实时准确的盐密数据。等值盐密在线监测方法必须是在线路断电情况下将绝缘子拆下来离线试验，此方法浪费人力财力，并且存在等价性问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光波的输电线路等值盐密传感器及其在线测量方法，解决了现有技术中存在的无法实时、在线、准确监测输电线路污秽度的问题。

本发明的另一目的是提供一种在线测量盐密的方法。

本发明采用的第一技术方案是：一种基于光波的输电线路等值盐密传感器，包括中空的壳体，壳体的底部设置有底板，壳体的顶端设置有顶板，顶板上设置有顶盖，顶板的下表面设置有固定柱，固定柱连接有光纤玻璃环，光纤玻璃环的两端分别连接有发射端固定柱和接收端固定柱，发射端固定柱和接收端固定柱上分别连接有发射端固定后盖和接收端固定后盖，中空壳体内设置有监测装置板，监测装置板分别与发射端固定后盖和接收端固定后盖相连接。

本发明的特点还在于，

监测装置板包括微控制器，微控制器上分别连接有激光发射模块、激光接收模块、通信模块、数据存储模块、电源模块和温湿度采集模块，温湿度采集模块伸出中空壳体外。

激光发射模块通过导线与发射端固定后盖相连接，激光接收模块通过导线与接收端固定后盖相连接。

光纤玻璃环为开口环状。

固定柱的下端设置有固定孔，光纤玻璃环穿过固定孔连接到固定柱上。

本发明采用的第二技术方案是：一种在线测量盐密的方法，采用一种基于光波的输电线路等值盐密传感器，包括中空的壳体，壳体的底部设置有底板，壳体的顶端设置有顶板，顶板上设置有顶盖，所述顶板的下表面设置有固定柱，固定柱连接有光纤玻璃环，光纤玻璃环的两端分别连接有发射端固定柱和接收端固定柱，发射端固定柱和接收端固定柱上分别连接有发射端固定后盖和接收端固定后盖，中空壳体内设置有监测装置板，监测装置板分别与发射端固定后盖和接收端固定后盖相连接；监测装置板包括微控制器，微控制器上分别连接有激光发射模块、激光接收模块、通信模块、数据存储模块、电源模块和温湿度采集模块，温湿度采集模块伸出所述中空壳体外；激光发射模块通过导线与发射端固定后盖相连接，激光接收模块通过导线与接收端固定后盖相连接；光纤玻璃环为开口环状；微控制器采用MSP430单片机；固定柱的下端设置有固定孔，光纤玻璃环穿过固定孔连接到固定柱上；具体按照以下步骤实施：

步骤1、通信模块采集指令传给微控制器，其中的采集指令包括初始的光功率衰减量Φ、环境温度T和相对湿度数据H；

步骤2、采集光功率衰减量Φ、环境温度T和相对湿度数据H；

步骤3、建立关于光功率衰减量Φ、相对湿度H的神经网络模型，计算出等值盐密值。

本发明的特点还在于：

所述采集光功率衰减量Φ、环境温度T和相对湿度数据H，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、微控制器将步骤1中采集到的指令发送给温湿度采集模块，温湿度采集模块采集环境温度T和相对湿度数据H；

步骤2.2、微控制器将步骤1中采集到的指令发送给激光发射模块与激光接收模块；激光发射模块接收到指令后，发射光束，其光强为P_i，激光接收模块接收到指令后，接收光束，其光强为P_o；光功率衰减量：

Φ=P_i—P_o。

建立关于光功率衰减量Φ、相对湿度H的神经网络模型，计算出等值盐密值；具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、建立关于光功率衰减量Φ、相对湿度的神经网络模型，其中，输入神经元数目为4，分别为采集数据中最大相对湿度HA、最小相对湿度HB、及最大光功率衰减量ΦA和最小光功率衰减量ΦB；隐含层设为2层，每层神经元数目为4；输出神经元数目为1，即等值盐密值ESDD；

步骤3.2、基于matlab平台用盐密实验测量的光功率衰减量Φ和相对湿度H数据来训练神经网络；相关参数设置如下：输入层设置参数为tansig，隐含层设置参数为logsig，输出层设置参数为purelin，网络训练方式为traingdm；训练神经网络模型用到的实际输入为盐密实验测量得到的光功率衰减量Φ和相对湿度数据H，用到的期望输出为盐密实验测量得到的等值盐密值ESDD1；基于此训练神经网络得到一个2*4维矩阵，利用步骤2中采集得到的光功率衰减量Φ、相对湿度数据H，通过该矩阵计算出等值盐密值ESDD2。

盐密实验参照GB/T4585-2004交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验的规定。

本发明的有益效果是：

基于光波的输电线路等值盐密传感器，利用介质光波导中的广场分布理论和光能损耗的机理，置于大气中的低损耗石英棒是一个以棒为芯、大气为包层的多模介质光波导。在石英棒上无污染时，由光波导中的基模和高次模共同传输光的能量，其中绝大部分光能在光波导的芯中传输，但有少部分光能将沿芯包界面的包层传输，光波传输过程中光的损耗很小。当石英玻璃棒上有污染时，污染物改变了高次模及基模的传输条件，同时，污染粒子对光能的吸收和散射等产生光能损耗，通过检测光能参数能计算出传感器表面盐份多少，从而得出输电线路现场绝缘子污秽度。

通过测量传感器的光功率衰减量、环境温度、相对湿度等数据，利用已建立好的神经网络模型推导出具有较高准确度的绝缘子等值盐密，可以实时/定时、准确的在线监测输电线路现场绝缘子的污秽。

（1）对运行环境要求低，不受电磁干扰，稳定性好，可以得到具有较高准确度的绝缘子等值盐密值；

（2）光源采用主动控温技术，避免模式跳变，并保证波长的稳定性；配装非球面玻璃透镜，使输出光束准直性好；

（3）可以实时/定时、在线监测输电线路现场绝缘子的污秽，无需在断电情况下将绝缘子拆下来进行离线试验；

（4）通过测量光传感器的光功率衰减量、环境温度、相对湿度等数据，利用已建立好的神经网络模型推导出具有较高准确度的绝缘子等值盐密。

附图说明

图1是本发明型基于光波的输电线路等值盐密传感器的硬件框图；

图2是本发明型基于光波的输电线路等值盐密传感器的结构示意图；

图3是本发明型基于光波的输电线路等值盐密传感器的神经网络模型示意图；

图中，1.底板，2.支撑架，3.顶板，4.顶盖，5.顶板，6.光纤玻璃环，7.发射端固定柱，8.发射端固定后盖，9.接收端固定柱，10.接收端固定后盖，11.光纤玻璃环，12.温湿度采集模块，13.微控制器，14.激光发射模块，15.激光接收模块，16.通信模块，17.数据存储模块，18.电源模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于光波的输电线路等值盐密传感器，如图1所示，包括中空的壳体2，壳体2的底部设置有底板1，壳体2的顶端设置有顶板3，顶板3上设置有顶盖4，顶板3的下表面设置有固定柱11，固定柱11连接有光纤玻璃环6，光纤玻璃环6的两端分别连接有发射端固定柱7和接收端固定柱9，发射端固定柱7和接收端固定柱9上分别连接有发射端固定后盖8和接收端固定后盖10，中空壳体2内设置有监测装置板，监测装置板分别与发射端固定后盖8和接收端固定后盖10相连接。

如图2所示，监测装置板包括微控制器13，微控制器13上分别连接有激光发射模块14、激光接收模块15、通信模块16、数据存储模块17、电源模块18和温湿度采集模块12；激光发射模块14通过导线与发射端固定后盖8相连接，激光接收模块15通过导线与接收端固定后盖10相连接；光纤玻璃环6为开口环状。微控制器13采用MSP430单片机。固定柱11的下端设置有固定孔5，光纤玻璃环6穿过固定孔5连接到固定柱11上。

其中，微控制器13采用MSP430单片机，用于控制激光的发射和接收，测量光衰减量、环境温度、相对湿度等数据并进行存储；此外，该模块还控制通信模块的工作方式与工作状态等。光纤玻璃环6采用高性能特制石英作为光纤传感器，感受与瓷质绝缘子相似的污秽状态，其在形状上，采用开口环形，可以增加单位长度的全反射次数。为激光发射模块14、激光接收模块15及通信模块16供电的电压为5V；为微控制器13、温湿度采集模块12及数据存储模块17供电的电压为3.3V。

本发明还提供一种在线测量盐密的方法，采用一种基于光波的输电线路等值盐密传感器，包括中空的壳体2，壳体2的底部设置有底板1，壳体2的顶端设置有顶板3，顶板3上设置有顶盖4，顶板3的下表面设置有固定柱11，固定柱11连接有光纤玻璃环6，光纤玻璃环6的两端分别连接有发射端固定柱7和接收端固定柱9，发射端固定柱7和接收端固定柱9上分别连接有发射端固定后盖8和接收端固定后盖10，中空壳体2内设置有监测装置板，监测装置板分别与发射端固定后盖8和接收端固定后盖10相连接，监测装置板包括微控制器13，微控制器13上分别连接有激光发射模块14、激光接收模块15、通信模块16、数据存储模块17、电源模块18和温湿度采集模块12，激光发射模块14通过导线与发射端固定后盖8相连接，激光接收模块15通过导线与接收端固定后盖10相连接，光纤玻璃环6为开口环状，微控制器13采用MSP430单片机，具体按照以下步骤实施：

步骤1、通信模块16采集指令传给微控制器13，其中的采集指令包括光功率衰减量Φ、环境温度T和相对湿度数据H；

步骤2、采集光功率衰减量Φ、环境温度T和相对湿度数据H；

步骤2.1、微控制器13将步骤1中采集到的指令发送给温湿度采集模块12，温湿度传感器12采集环境温度T和相对湿度数据H；

步骤2.2、微控制器13将步骤1中采集到的指令发送给激光发射模块14与激光接收模块15；激光发射模块14接收到指令后，发射光束，其光强为P_i，激光接收模块15接收到指令后，接收光束，其光强为P_o；光功率衰减量：

Φ=P_i—P_o

步骤3、建立关于光功率衰减量Φ、相对湿度H的神经网络模型，计算出等值盐密值；具体按照以下步骤实施：

步骤3.2、基于matlab平台用盐密实验测量的光功率衰减量Φ和相对湿度H数据来训练神经网络；相关参数设置如下：输入层设置参数为tansig，隐含层设置参数为logsig，输出层设置参数为purelin，网络训练方式为traingdm；训练神经网络模型用到的实际输入为盐密实验测量得到的光功率衰减量Φ和相对湿度数据H，用到的期望输出为盐密实验测量得到的等值盐密值ESDD1；基于此训练神经网络得到一个2*4维矩阵，利用步骤2中采集得到的光功率衰减量Φ、相对湿度数据H，通过该矩阵计算出等值盐密值ESDD2；其中，盐密实验是参照GB/T4585-2004交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验规定的方法。

实施例

要完成输电线路等值盐密ESDD2的在线测量，首先要在盐密实验条件下，测量基于光波的输电线路等值盐密传感器的光功率衰减量Φ、相对湿度H、环境温度T及其等值盐密值ESDD1，并测量从现场取下来的绝缘子的等值盐密值ESDD2，得到ESDD1与ESDD2的关系表，如表1所示。接着，利用光功率衰减量Φ、相对湿度H、环境温度T及其等值盐密值ESDD1训练神经网络，可以得到一个2*4维矩阵，该矩阵可表征神经网络模型。最后，将该矩阵及ESDD1与ESDD2关系表嵌入到微控制器内，传感器便可以在线测量等值盐密值ESDD2。

参照GB/T4585-2004，对XWP-70型绝缘子进行喷污实验并测量盐密，共12片分四组进行，分别采用四种浓度不同的盐溶液。对第一组绝缘子采用“喷污法”染污，对基于光波的输电线路等值盐密传感器采用“浇染法”染污，待充分干燥后，用一定量的蒸馏水清洗第一组绝缘子，测量其等值盐密值ESDD2并记录染污后的传感器的等值盐密值ESDD1。依次将该组的其他绝缘子清洗，并最终求出盐密平均值，然后清洗绝缘子与传感器，干燥后再对剩余三组绝缘子和本传感器进行染污及测量。

表1盐密实验时所测数据

本装置的优点在于：基于介质光波导中的广场分布理论和光能损耗的机理，通过检测传感器光功率衰减量，计算出传感器表面盐份含量。利用建立好的人工智能神经网络模型，进一步得出输电线路现场绝缘子污秽度。实现了实时/定时、在线、准确监测输电线路现场绝缘子的污秽度。

其中的光源采用主动控温技术，避免模式跳变，并保证波长的稳定性；配装非球面玻璃透镜，使输出光束准直性好；

其中的光纤玻璃环模块，采用高性能特制石英，感受与瓷质绝缘子相似的污秽状态。其在形状上，采用开口环形，即增加单位长度的全反射次数。

其中的激光发射模块，采用单根石英棒检测方案，辅以激光器恒稳功率控制、温度补偿和输入输出光强同步测量技术，测算光强衰减量。

Claims

1.一种基于光波的输电线路等值盐密传感器，其特征在于，包括中空的壳体（2），所述壳体（2）的底部设置有底板（1），所述壳体（2）的顶端设置有顶板（3），所述顶板（3）上设置有顶盖（4），所述顶板（3）的下表面设置有固定柱（11），所述固定柱（11）连接有光纤玻璃环（6），光纤玻璃环（6）的两端分别连接有发射端固定柱（7）和接收端固定柱（9），所述发射端固定柱（7）和接收端固定柱（9）上分别连接有发射端固定后盖（8）和接收端固定后盖（10），所述中空壳体（2）内设置有监测装置板，监测装置板分别与发射端固定后盖（8）和接收端固定后盖（10）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于光波的输电线路等值盐密传感器，其特征在于，所述的监测装置板包括微控制器（13），微控制器（13）上分别连接有激光发射模块（14）、激光接收模块（15）、通信模块（16）、数据存储模块（17）、电源模块（18）和温湿度采集模块（12），所述温湿度采集模块（12）伸出所述中空壳体（2）外。

3.根据权利要求2所述的基于光波的输电线路等值盐密传感器，其特征在于，所述的激光发射模块（14）通过导线与发射端固定后盖（8）相连接，所述激光接收模块（15）通过导线与接收端固定后盖（10）相连接。

4.根据权利要求2所述的基于光波的输电线路等值盐密传感器，其特征在于，所述的光纤玻璃环（6）为开口环状。

5.根据权利要求2所述的基于光波的输电线路等值盐密传感器，其特征在于，所述微控制器（13）采用MSP430单片机。

6.根据权利要求1所述的基于光波的输电线路等值盐密传感器，其特征在于，所述固定柱（11）的下端设置有固定孔（5），所述光纤玻璃环（6）穿过固定孔（5）连接到固定柱（11）上。

7.一种在线测量盐密的方法，其特征在于，采用一种基于光波的输电线路等值盐密传感器，包括中空的壳体（2），所述壳体（2）的底部设置有底板（1），所述壳体（2）的顶端设置有顶板（3），所述顶板（3）上设置有顶盖（4），所述顶板（3）的下表面设置有固定柱（11），所述固定柱（11）连接有光纤玻璃环（6），光纤玻璃环（6）的两端分别连接有发射端固定柱（7）和接收端固定柱（9），所述发射端固定柱（7）和接收端固定柱（9）上分别连接有发射端固定后盖（8）和接收端固定后盖（10），所述中空壳体（2）内设置有监测装置板，监测装置板分别与发射端固定后盖（8）和接收端固定后盖（10）相连接；监测装置板包括微控制器（13），微控制器（13）上分别连接有激光发射模块（14）、激光接收模块（15）、通信模块（16）、数据存储模块（17）、电源模块（18）和温湿度采集模块（12），所述温湿度采集模块（12）伸出所述中空壳体（2）外；所述的激光发射模块（14）通过导线与发射端固定后盖（8）相连接，所述激光接收模块（15）通过导线与接收端固定后盖（10）相连接；所述的光纤玻璃环（6）为开口环状；微控制器（13）采用MSP430单片机；所述固定柱（11）的下端设置有固定孔（5），所述光纤玻璃环（6）穿过固定孔（5）连接到固定柱（11）上；具体按照以下步骤实施：

步骤1、通信模块（16）采集指令传给微控制器（13），其中的采集指令包括初始的光功率衰减量Φ、环境温度T和相对湿度数据H；

步骤2、采集光功率衰减量Φ、环境温度T和相对湿度数据H；

8.根据权利要求7所述的在线测量盐密的方法，其特征在于，所述采集光功率衰减量Φ、环境温度T和相对湿度数据H，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、微控制器（13）将步骤1中采集到的指令发送给温湿度采集模块（12），温湿度采集模块（12）采集环境温度T和相对湿度数据H；

步骤2.2、微控制器（13）将步骤1中采集到的指令发送给激光发射模块（14）与激光接收模块（15）；激光发射模块（14）接收到指令后，发射光束，其光强为P_i，激光接收模块（15）接收到指令后，接收光束，其光强为P_o；光功率衰减量：

Φ=P_i—P_o。

9.根据权利要求7所述的在线测量盐密的方法，其特征在于，所述建立关于光功率衰减量Φ、相对湿度H的神经网络模型，计算出等值盐密值；具体按照以下步骤实施：

10.根据权利要求9所述的在线测量盐密的方法，其特征在于，所述盐密实验参照GB/T4585-2004交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验的规定。