CN104635079A - 一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，在两站点间架设新型OPPC线路，所述新型OPPC内设置有两个光单元，其中第一光单元位于光缆中心，至少有一根没有余长的紧套光纤，第二光单元位于光缆绞合层，至少有一根余长为0.5-0.8%的松套光纤，紧套光纤和松套光纤的一端分别与监测装置的两个光端口相连，紧套光纤和松套光纤的另一端分别进入光纤配线架后相连，启动该监测装置开始导线和环境温度、风速测量；通过测量数据、载流量稳态和暂态计算模型，获取线路导线载流量。本发明所提出的一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，实现电力架空线路载流量实时监测，保障电网安全运行。

Description

一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法

技术领域

本发明涉及对OPPC输电线路的监测，特别是一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法。

背景技术

线路输电能力与导线运行温度直接相关。导线的载流量与导线的温度、环境温度、风速、日照强度、导线表面状态等有关。对于确定的环境条件，导线的允许载流量直接取决于其发热允许温度，允许温度越高，允许载流量越大。但是导线发热允许温度受导线载流发热后的强度损失制约，因此架空导线的允许载流量一般是按一定气象条件下导线不超过某一温度来计算的，目的在于尽量减少导线的强度损失，以提高或确保导线的使用寿命。

近年来，国内外提出了将光传感系统用于电力架空光缆线路在线监测领域，实现光缆温度、载流量等参数测量。中国专利CN 103235226 A“OPPC动态增容在线监测装置及监测方法”，提出采用内置测温光纤监测导线稳态时的温度，采用微气象站监测导线稳态时的气象信息，将稳态时的输电线路微气象和导线温度信息传至监控中心主机，利用载流量稳态计算模型软件计算线路的载流量。中国专利CN 102840928 A“一种OPPC光缆应力和载流量测量计算系统”，提出采用光纤光栅监测OPPC的温度，通过载流量处理模块计算OPPC的载流量。由于现有的测温光纤或光纤光栅传感器，一般只能采集光纤温度的离散值，存在测量不准确问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，以达到对电力架空光缆线路载流量全程连续监测的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，其特征在于，按照如下步骤：

S1：在两个站点之间架设OPPC线路，在其中一个站点内设置第一光纤配线架和监测装置，在另一个站点内设置第二光纤配线架，所述线路的两端分别通过导引光缆引入对应的站点；所述新型OPPC包括：第一光单元和第二光单元，且沿所述新型OPPC径向由内向外依次设置有中心层和绞合层；在所述新型 OPPC的中心层设置所述第一光单元；在所述第一光单元内置有至少一根没有余长紧套光纤；在所述新型OPPC的绞合层设置所述第二光单元，在所述第二光单元内置有至少一根有余长的松套光纤；所述导引光缆采用与所述新型OPPC中第一光单元和第二光单元同类型同数量光纤的ADSS或普通光缆；

S2：分别获取所述线路和两条导引光缆对应端口内的紧套光纤和松套光纤；将所述线路一端和其中一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在一接续盒内，且该接续盒设置在一终端塔上；将所述线路另一端和另一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在另一接续盒内，且该接续盒设置在另一终端塔上；分别将两条导引光缆另一端分别对应成端于所述第一光纤配线架和所述第二光纤配线架；用跳纤将所述第一光纤配线架与所述监测装置相连，用跳纤将成端于所述第二光纤配线架上的紧套光纤和松套光纤进行连接，以构成一监测回路；

S3：在所述线路上布设环境温度监测模块和风速监测模块；

S4：启动所述监测装置，对所述线路中光纤温度进行实时全程连续测试，并每隔T秒自动记录和保存一组采集的温度值；每隔T小时自动记录和保存一组采集的环境温度和风速值；根据测量数据以及载流量稳态数学模型和载流量暂态数学模型获取所述线路中的载流量。

在本发明一实施例中，所述的监测装置中设置有温度分离计算模块，并采用如下方式计算所述线路的的温度：其中L为光单元到监测装置的距离，△υ_B2(L)为第二光单元的布里渊频谱分布信息，△T₂(L)为第二光单元温度的变化量，为第二光单元布里渊频移温度系数。

在本发明一实施例中，所述第二光单元布里渊频移温度系数通过测试所述新型OPPC中第二光单元中松套光纤获取。

在本发明一实施例中，所述监测装置具有两个光端口，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二光端口用于发送脉冲激光信号，同时具有接收反馈的布里渊频谱信号功能；所述的监测装置从第二光端口接收到反馈信号后解调出光纤温度值。

在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，所述载流量稳态数学模型为：所述载流量暂态数学模型为： 其中，I为载流量，Q_c为对流散热功率，Q_r为辐射散热功率，Q_s为日照辐射吸热功率，R(t_c)为导线表面温度为t_c时的导线单位长度的交流电阻，m为单位长度导线的质量，C_p为导线的比热容。

在本发明一实施例中，在所述新型OPPC中还设置有铝包钢线和/或铝线；所述铝包钢线和/或铝线设置于所述新型OPPC的绞合层。 

在本发明一实施例中，所述接续盒是一种能抗高压、绝缘性能良好的专用接续盒。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，通过对线路中新型OPPC温度以及其对应周围环境温度的实时测量，实现了长度不大于75km输电线路全程温度实时监测，线路采样间隔达0.1～1m；每隔20S测量一组温度数据，温度精度达±1℃，温度分辨率为0.1℃。并通过载流量稳态计算模型和暂态计算模型实时获取线路中全程导线的载流量，实现了对线路载流量的实时监测与控制，有效地提高了输电线路中导线的使用寿命。

附图说明

图1为本发明中通过OPPC光纤温度测量导线载流量方法的流程图。

图2为本发明中由新型OPPC构成的线路温度监测系统连接示意图。

图3为本发明中新型OPPC的结构图。

图4为本发明一实施例中被测线路与测试装置的连接示意图。

图5为本发明一实施例中环境温度值曲线值；

图6为本发明一实施例中载流量暂态模型计算OPPC温度与电流的响应关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，其特征在于，如图1所示，按照如下步骤：

S1：如图2所示，在两个站点之间架设OPPC线路，在其中一个站点内设置第一光纤配线架和监测装置，在另一个站点内设置第二光纤配线架，所述线路的两端分别通过导引光缆引入对应的站点；所述新型OPPC包括：第一光单元和第二光单元，且沿所述新型OPPC径向由内向外依次设置有中心层和绞合层；在所述新型OPPC的中心层设置所述第一光单元；在所述第一光单元内置有至少一根没有余长紧套光纤；在所述新型OPPC的绞合层设置所述第二光单元，在所述第二光单元内置有至少一根有余长的松套光纤；所述导引光缆采用与所述新型OPPC中第一光单元和第二光单元同类型同数量光纤的ADSS或普通光缆；

S2：分别获取所述线路和两条导引光缆对应端口内的紧套光纤和松套光纤；将所述线路一端和其中一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在一接续盒内，且该接续盒设置在一终端塔上；将所述线路另一端和另一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在另一接续盒内，且该接续盒设置在另一终端塔上；分别将两条导引光缆另一端分别对应成端于所述第一光纤配线架和所述第二光纤配线架；用跳纤将所述第一光纤配线架与所述监测装置相连，用跳纤将成端于所述第二光纤配线架上的紧套光纤和松套光纤进行连接，以构成一监测回路；

S3：在所述线路上布设环境温度监测模块和风速监测模块；

S4：启动所述监测装置，对所述线路中光纤温度进行实时全程连续测试，并每隔T秒自动记录和保存一组采集的温度值；每隔T小时自动记录和保存一组采集的环境温度和风速值；根据测量数据以及载流量稳态数学模型和载流量暂态数学模型获取所述线路中的载流量。

进一步的，所述的监测装置中设置有温度分离计算模块，在本实施例中，温度分离计算模块采用一布里渊光时域分析仪，布里渊光时域分析仪是一种实时测量光纤布里渊频谱分布的新型设备，布里渊频谱同时对光纤的温度、应变交叉敏感，因此利用布里渊光时域分析仪可以获得光纤沿线的温度或/和应变分布信息。布里渊光时域分析仪接收到电力架空光缆内部第一光单元、第二光单元内光纤散射信号后，实时计算出第一光单元内光纤的布里渊频谱全程分 布信息△υ_B1(L)和第二光单元内光纤的布里渊频谱全程分布信息△υ_B2(L)，L为光单元到布里渊光时域分析仪的距离。第一光单元、第二光单元内光纤的布里渊频谱与温度及应变的对应关系分别记为如下公式：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B1}\left(L\right)=C_1^T\mathrm{\Δ}{T}_1\left(L\right)+C_1^{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_1\left(L\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B2}\left(L\right)=C_2^T\mathrm{\Δ}{T}_2\left(L\right)+C_2^{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_2\left(L\right)---\left(2\right)$

式中分别为第一光单元、第二光单元的布里渊频移温度系数， 分别为第一光单元、第二光单元的布里渊频移应变系数。△T₁(L)、△T₂(L)分别为第一光单元、第二光单元温度的变化量，△ε₁(L)、△ε₂(L)分别为第一光单元、第二光单元应变的变化量。

在架空光缆相同位置，第一光单元、第二光单元内光纤所承受的温度变化量相同，即△T₁(L)＝△T₂(L)；并且第一光单元和第二单元均处于电力架空光缆的内部，其外部为多层铝绞线，架空线横截面可近似为一个均匀分布的热场，即第一光单元、第二光单元内光纤的温度变化△T₁(L)、△T₂(L)可等效为架空光缆的温度变化，另外由于第二光单元内部为余长较大的松套光纤，即使架空光缆存在应变而发生拉伸形变时，也并不会使松套光纤受力，因此第二光单元中的松套光纤仅仅与架空线路的温度有关，而与应变无关，即△ε₂(L)始终为0。通过式(2)中第二光单元的布里渊频移得出第一光单元、第二光单元相同位置的温度变化量为：

$\mathrm{\Δ}{T}_1\left(L\right)=\mathrm{\Δ}{T}_2\left(L\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\υ}}_{B2}\left(L\right)}{C_2^T}---\left(3\right)$

第一光单元、第二光单元布里渊频移温度系数及第一光单元、第二光单元布里渊频移应变系数可以通过标定得出，因此通过式(3)可以得到电力架空光缆温度的全程分布。进一步的，第一光单元、第二光单元布里渊频移温度系数及第一光单元、第二光单元布里渊频移应变系数 通过测试所述新型OPPC中第一光单元、第二光单元中紧套光纤和松套光纤获取。

所述监测装置具有两个光端口，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二光端口用于发送脉冲激光信号，同时具有接收反馈的布里渊频谱信号 功能；所述的布里渊光时域分析从第二光端口接收到反馈信号后解调出光纤温度值。

在本实施例中，如图3所示，所述新型OPPC包括：第一光单元1、第二光单元2、铝包钢线3和铝线4，且沿所述光纤复合架空相线径向由内向外依次为中心层和绞合层；所述第一光单元1设置于所述光纤复合架空相线的中心层；所述第一光单元1内设置有用于输电线路应变监测的2芯紧套光纤11，且该紧套光纤11的余长为零，芯直径为0.9mm；进一步的，所述第一光单元1还包括用于放置所述紧套光纤11的不锈钢管，且该不锈钢管直径为2.7mm；此外，所述第一光单元1还填充有油膏。所述第二光单元2和所述铝包钢线3均设置于所述光纤复合架空相线的绞合层；所述第二光单元2内设置有用于输电线路温度监测的12芯松套光纤21，且该松套光纤21的与余长为0.5％～0.8％，芯直径为250微米；进一步的，所述第二光单元2还包括用于放置所述松套光纤21的不锈钢管，且该不锈钢管直径为2.7mm；此外，所述第二光单元2内还均填充有油膏。在本实施例中，分别取第一光单元1中的1芯紧套光纤11用于应变监测和第二光单元2中的1芯松套光纤21用于温度采集。

在本实施例中，所述绞合层包括5根铝包钢线，且每根铝包钢线的直径为2.7mm。进一步的，所述铝线4绞合在所述绞合层的外围；在本实施例中，在所述绞合层的外围绞合有两层直径为3.45mm的铝线，其中，第一层绞合有10根铝线，第二层绞合有16根铝线，且整个光纤复合架空相线的直径是21.90mm。此外，在本实施例中，设置在绞合层的铝包钢线3可采用铝线。

在本实施例中，所述接续盒是一种能抗高压、绝缘性能良好的专用接续盒。

为了让本领域技术人员进一步理解本发明所提出的一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，下面结合具体实例，以验证所述线路采用载流量稳态和暂态计算模型计算得出的温度数据与通过本发明方法所获得实测数据间的异同处，从而证明测试方法的科学性。

在本实施例中，如图4所示，将新型OPPC构成的线路的两端分别连接到大电流发生器的OPPC接头处，将线路中新型OPPC的一端中紧套光纤的一端与松套光纤的一端熔接，将线路中新型OPPC的另一端中紧套光纤的一端与松套光纤的一端分别经光纤跳线接入布里渊型光时域分析仪。

按照以下步骤进行：

步骤1：确保试验环境温度稳定，无风无日照。记录环境温度。

步骤2：开启布里渊型光时域分析仪，实现在线监测，布里渊型光时域分析仪每隔50s记录保存一组温度数据。

步骤3：线路中的新型OPPC空载测量20分钟之后，加载100A交流电流。该电流保持90分钟；之后施加200A电流，保持90分钟；300A电流保持90分钟；400A电流保持90分钟；500A电流保持90分钟。在试验中每隔10分钟，用钳形电流表测量一次电流，以确定电流是否稳定。

步骤4：关闭大电流发生器，线路断电降温，持续1小时。

在整个过程中，如图5所示，环境温度稳定，处在21℃～22℃之间，平均环境温度21.44℃。在测量过程中，新型OPPC每加载一档电流，90分钟之后，温度基本上稳定，负载电流与新型OPPC温度的对应数据，如表1所示：

表1

已知环境温度和新型OPPC输电线路的平均温度，根据载流量稳态计算模型可以计算出当前新型OPPC中导线负载电流的理论预测值，如表2所示为载流量稳态模型计算值与实测值比较，与测量电流对比发现，二者的偏差在2％以内，说明载流量计算的稳态模型对于OPPC待测光纤温度与导线电流的关系具有较高精度的计算能力。

表2

OPPC负载电流每隔90分钟增加100A，增加到500A后断电60分钟，因而总计时间约30600s。根据载流量暂态模型计算OPPC温度与电流的响应关系(室温21.44℃，无风无日照)，如图6所示，并与光纤温度测量结果对比。

从图6可知，在OPPC整个电流加载过程中，载流量暂态计算模型计算的温度变化与试验测量值的变化趋势吻合的相当好。仅在OPPC加载500A电流时，二者出现些许偏差。当OPPC电流负载增大，温度上升过程中，偏差不超过3℃，而且在100A～400A的过程中，差异量基本上维持在1℃以内，仅在OPPC加载至500A时，偏差量才增至约2℃(相当于约3％的百分偏差)。OPPC 切断负载后，理论预测降温速度较实测要稍微快些，但二则差别也保持在4℃以内。载流量计算的暂态模型同样保持较高精度的计算能力，预测温度偏差不超过3％。

在本实施例中，所述载流量稳态计算模型为：

所述载流量暂态计算模型为： $\frac{{\mathrm{dT}}_c}{\mathrm{dt}}=\frac{I^{2}R\left(T_c\right)+Q_s-Q_c-Q_r}{m{C}_p};$

其中，I为载流量，Q_c为对流散热功率，Q_r为辐射散热功率，Q_s为日照辐射吸热功率，R(t_c)为导线表面温度为t_c时的导线单位长度的交流电阻，m为单位长度导线的质量，C_p为导线的比热容。

其中，Q_c＝λNuπ(t_c-t_a)，式中：t_a——环境温度；Nu——欧拉数，受环境风速与导线直径影响。Q_r＝πεDσ[(t_c+273)⁴-(t_a+273)⁴]，式中：ε——导线表面的辐射系数，取决于导线金属的种类和表面氧化的程度；D——导线直径；单位m；σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，σ＝5.67*10-8W·m-2·K-4。Q_s＝αDq_s，式中：α——导线表面的系数，其取值一般与导线表面的辐射系数相同；q_s——导线所处环境的日照辐射强度；单位W/m2。

载流量计算的导线温度模型按下式计算

I²R(T_c)+Q_s＝h(T)(T_c-T_a)+Q_r

式中，h(T)为热传递系数，表示环境温度和风速、风向的综合影响，是通过已知的导线温度、导线电流等参数来求取的，消除了因为风速测量的不准确而带来的误差。其余参数与气象模型中的意义相同，辐射散热和日照辐射吸热的计算方法同气象模型。导线温度模型通过以下过程求出导线热容量(下标70代表导线温度达到最大允许温度70℃时对应的量)：

$h\left(T\right)=\frac{I^{2}R\left(T_c\right)+Q_s-Q_r}{T_c-T_a}$

h₇₀(T)≈h(T)

$I^{\′}=\sqrt{\frac{h_{70}\left(T\right)(70-T_a)+Q_r-Q_s}{R_{70}}}$

由导线运行时的温度和电流求取热传递系数h(T)，然后由h(T)近似为h₇₀(T)求得导线最高允许温度70℃时的热容量。当环境温度和风不变，导线温度变化时，热传递系数的值变化很微小，热容量的变化率为千分之几，而且随导线温度升高变化率迅速下降；环境温度和导线温度不变，风速变大，在2m/s以内，热容量的变化率还不到千分之一。在较小风速和较高导线温度时，温度模型计算所得的导线热容量值比较准确。

对于所述载流量暂态计算模型为：假设比热容C_p(T)在0～100℃内为常数C_p(25℃)，则得  $\frac{{\mathrm{dT}}_c}{\mathrm{dt}}=\frac{I^{2}R\left(T_c\right)+Q_s-Q_c\left(T_c\right)-Q_r\left(T_c\right)}{m{C}_p}=f\left(T_c\right);$

微分用差分近似：(I为设置的目标电流)

(1)假设导线初始温度为T₀

(2)T₁＝T₀+f(T₀)△t，△t单位s，例如△t＝60s

(3)T₀＝T₁

(4)重复2～3，直至重复次数>3600/△t

(5)绘制T_c～t曲线微分用差分近似。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，其特征在于，按照如下步骤：

S1：在两个站点之间架设OPPC线路，在其中一个站点内设置第一光纤配线架和监测装置，在另一个站点内设置第二光纤配线架，所述线路的两端分别通过导引光缆引入对应的站点；所述新型OPPC包括：第一光单元和第二光单元，且沿所述新型OPPC径向由内向外依次设置有中心层和绞合层；在所述新型OPPC的中心层设置所述第一光单元；在所述第一光单元内置有至少一根没有余长紧套光纤；在所述新型OPPC的绞合层设置所述第二光单元，在所述第二光单元内置有至少一根有余长的松套光纤；所述导引光缆采用与所述新型OPPC中第一光单元和第二光单元同类型同数量光纤的ADSS或普通光缆；

S2：分别获取所述线路和两条导引光缆对应端口内的紧套光纤和松套光纤；将所述线路一端和其中一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在一接续盒内，且该接续盒设置在一终端塔上；将所述线路另一端和另一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在另一接续盒内，且该接续盒设置在另一终端塔上；分别将两条导引光缆另一端分别对应成端于所述第一光纤配线架和所述第二光纤配线架；用跳纤将所述第一光纤配线架与所述监测装置相连，用跳纤将成端于所述第二光纤配线架上的紧套光纤和松套光纤进行连接，以构成一监测回路；

S3：在所述线路上布设环境温度监测模块和风速监测模块；

S4：启动所述监测装置，对所述线路中光纤温度进行实时全程连续测试，并每隔T秒自动记录和保存一组采集的温度值；每隔T小时自动记录和保存一组采集的环境温度和风速值；根据测量数据以及载流量稳态数学模型和载流量暂态数学模型获取所述线路中的载流量。

2.根据权利要求1所述的一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，其特征在于：所述的监测装置中设置有温度分离计算模块，并采用如下方式计算所述线路的的温度：其中L为光单元到监测装置的距离，△υ_B2(L)为第二光单元的布里渊频谱分布信息，△T₂(L)为第二光单元温度的变化量，为第二光单元布里渊频移温度系数。

3.权利要求2所述的一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，其特征在于：所述第二光单元布里渊频移温度系数通过测试所述新型OPPC中第二光单元中松套光纤获取。

4.根据权利要求2所述的一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，其特征在于：所述监测装置具有两个光端口，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二光端口用于发送脉冲激光信号，同时具有接收反馈的布里渊频谱信号功能；所述的监测装置从第二光端口接收到反馈信号后解调出光纤温度值。

5.根据权利要求1所述的一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，其特征在于：在所述步骤S4中，所述载流量稳态数学模型为：

所述载流量暂态数学模型为：其中，I为载流量，Q_c为对流散热功率，Q_r为辐射散热功率，Q_s为日照辐射吸热功率，R(t_c)为导线表面温度为t_c时的导线单位长度的交流电阻，m为单位长度导线的质量，C_p为导线的比热容。

6.根据权利要求1所述的一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，其特征在于：在所述新型OPPC中还设置有铝包钢线和/或铝线；所述铝包钢线和/或铝线设置于所述新型OPPC的绞合层。

7.根据权利要求1所述的一种基于全程分布式的电力架空光缆载流量监测方法，其特征在于：所述接续盒是一种能抗高压、绝缘性能良好的专用接续盒。