CN104913727A - 一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于架空输电线路覆冰监测技术领域，尤其涉及一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法，包括如下步骤：(1)不断测量OPGW履冰被拉伸应变时散射光信号的变化情况，(2)不断测量OPGW履冰实时获取测量光纤的温度T时散射光信号的变化情况，(3)确定光纤的应变分布和等值覆冰厚度h，(4)通过网络发送覆冰预警信息通过等值覆冰厚度h；本发明通过测量OPGW内部光纤由于OPGW覆冰增厚导致产生的拉伸应变与温度变化的方法，确定光纤的应变分布和等值覆冰厚度，很好地解决了现有覆冰测量方法的监测范围窄、故障率高、测量准确性差、稳定性差、实时性差的问题。

Description

一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法

技术领域

本发明属于架空输电线路覆冰监测技术领域，尤其涉及一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法。

背景技术

架空输电线路覆冰一直是电力企业关注的问题，我国许多地区都曾发生因冻雨覆冰而使输电线路的荷重增加，造成断线、倒塔、闪络等事故。光纤复合架空地线(OPGW,Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire)将光纤置于架空高压输电线的地线中，兼具普通地线和通信光缆的双重功能，是电力系统网络中一种可靠性较高、安装成本较低的通信方式，由于架空地线的温度近似于环境温度，而运行中的导线温度会高于环境温度，因此地线包括OPGW比导线更容易发生覆冰事故，在OPGW内部光纤由于OPGW覆冰增厚导致产生拉伸应变，而且OPGW承载负荷能力比导线小很多，更容易发生因覆冰导致弧垂过长产生导地线间闪络、OPGW断线等事故，影响生产和通信，因此在输电线路运行过程中，需要对OPGW的覆冰状况进行在线监测，同时监测OPGW的覆冰状况也能起到对导线覆冰的预警作用，预防断线、倒塔等事故的发生。

目前国内主要采用人工巡线观冰的方式对输电线路进行覆冰监测，实时性和准确性较差，测量准确性受环境影响较大，且不能全面掌握输电线路的覆冰状况，难以保证实时性，因此通过研究测量OPGW内部光纤的分布式拉伸应变和温度变化，对覆冰厚度进行测量预警，从而保护架空输电线路不受损害。

发明内容

本发明的目的为解决现有技术的上述问题，提供了一种测量准确率高、可靠性好的布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法,其特征在于：包括如下步骤：

(1)将测量OPGW覆冰厚度的系统安装在变电站通信机房内；

(2)将分布式光纤温度解调仪通过变电站内的光纤接口盘用跳线光纤与OPGW连接，并通过不断测量散射光信号的变化，实时获取OPGW上的履冰被拉伸应变时的散射光信号频移变化情况；

(3)将分布式光纤测温仪通过变电站内的光纤接口盘用跳线光纤与OPGW连接，并通过不断测量履冰温度分布信号，实时获取OPGW的内部光纤温度变化；

(4)通过测量获取OPGW内部由于覆冰增厚导致产生的拉伸应变与温度变化情况，确定OPGW的应变分布和等值覆冰厚度；

(5)当OPGW上覆冰的等值覆冰厚度达到输电线路覆冰厚度的预警值时，通过网络发送覆冰厚度预警信息。

优选地，所述光纤的拉伸应变、温度和散射光信号频移的变化关系为：f＝KT+Cε+f₀，

式中f为散射光频移分布，K为温度系数，T为OPGW的内部光纤温度，C为应变系数，ε为光纤的拉伸应变分布，f₀为散射光初始频移。

优选地，通过所述光纤的拉伸应变、OPGW的内部光纤温度和散射光信号的变化关系，确定光纤的拉伸应变分布ε，并根据以下模型计算等值覆冰厚度h：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{op}}=\mathrm{\ϵ}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{of}}\\ F_{\mathrm{op}1}=E_{\mathrm{op}}{S}_{\mathrm{op}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{op}}\\ {\mathrm{\γ}}_2=\sqrt{(\frac{E_{\mathrm{op}}{\mathrm{\γ}}_0{L}_d^2{S}_{\mathrm{op}}^3}{24F_{\mathrm{op}0}^2}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{op}}{E}_{\mathrm{op}}(T_0-T)+F_{\mathrm{op}1}-F_{\mathrm{op}0})\frac{24F_{\mathrm{op}1}^2}{E_{\mathrm{op}}{L}_d^2{S}_{\mathrm{op}}^3}}\\ \mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_0\\ h=-\frac{D}{2}+\sqrt{\frac{D^2}{4}+\frac{1000\mathrm{\γ}{S}_{\mathrm{op}}}{0.9\mathrm{\πg}}}\end{array}\right.,$

该模型中ε_op为OPGW拉伸应变，ε为光纤应变，Δε_of为OPGW内部光纤余长，F_op1为OPGW张力，E_op为OPGW弹性系数，S_op为OPGW承载截面积，γ₂为覆冰后OPGW比载，γ₀为OPGW自重比载，L_d为代表档距，F_op0为OPGW设计运行张力，β_op为OPGW热膨胀系数，T₀为OPGW初始温度，T为OPGW的内部光纤温度，γ为覆冰比载，h为等值覆冰厚度，D为OPGW外径，g重力加速度。

优选地，所述测量光纤复合架空地线覆冰厚度的系统包括信息处理单元、分布式光纤温度解调仪、分布式光纤测温仪、光纤接口盘和续接盒，所述光纤接口盘的输出端分别与分布式光纤温度解调仪和分布式光纤测温仪连接，所述分布式光纤温度调节仪还分别与分布式光纤测量仪和信息处理单元连接，所述光纤接口盘输入端通过跳线光纤与续接盒连接，所述续接盒与OPGW进行连接，所述分布式光纤温度解调仪用于解调光纤复合架空地线覆的分布式温度信号，所述分布式光纤测温仪用于调制测量光纤复合架空地线上的分布式温度信号，所述信息处理单元用于控制分布式光纤温度解调仪与分布式光纤测温仪的运行和采集数据，并利用分布式温度的调制测量信号和解调采集的温度信号进行计算得到OPGW上分布式覆冰的状态。

优选地，所述发送覆冰厚度预警信息通过GPRS无线网络、GSM无线通信网络或有线网络发送

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过测量OPGW内部光纤由于OPGW覆冰增厚导致产生的拉伸应变与温度变化的方法，确定OPGW的应变分布和等值覆冰厚度，很好地解决了现有覆冰测量方方法的监测范围窄、故障率高、测量准确性差、稳定性差、实时性差的问题；

(2)本发明所使用的设备均装在变电站内，避免了输电线路在线监测设备存在的电源、环境和通信的三大问题；

(3)本发明建立了OPGW内部光纤应变与OPGW等值覆冰厚度间的关系，很简洁地对覆冰厚度进行测量预警，从而保护架空输电线路不受损害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法的测量流程图。

图2是本发明一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的系统原理图。

附图中，1-杆塔，2-门型架，3-变电站通信机房内，4-覆冰，6-光纤接口盘，7-分布式光纤测量仪，8-分布式光纤温度解调仪，9-信息处理单元，10-续接盒，51-跳线光纤，52-OPGW(光纤复合架空地线)。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1.一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法,其特征在于：包括如下步骤：

(1)将测量OPGW覆冰厚度的系统安装在变电站通信机房3内；

(2)将分布式光纤温度解调仪8通过变电站通信机房3内的光纤接口盘6连接的跳线光纤51，并通过不断测量散射光信号的变化，实时获取光纤复合架空地线52(OPGW)上的履冰4被拉伸应变时的散射光信号频移变化情况；

(2)将分布式光纤温度解调仪8通过变电站通信机房3内的光纤接口盘6用跳线光纤51与光纤复合架空地线52(OPGW)连接，并通过不断测量散射光信号的变化，实时获取光纤复合架空地线52(OPGW)上的履冰4被拉伸应变时的散射光信号频移变化情况；

(3)将分布式光纤测温仪7通过变电站通信放3内的光纤接口盘6用跳线光纤51与OPGW连接，并通过不断测量履冰温度分布信号，实时获取光纤复合架空地线52(OPGW)的内部光纤温度变化；

在本发明实施例中，所述光纤的拉伸应变、温度和散射光信号频移的变化关系为：f＝KT+Cε+f₀，式中f为散射光频移分布，即为分布式光纤温度解调仪的测量输出信号，K为温度系数，T为OPGW的内部光纤温度，C为应变系数，ε为光纤的拉伸应变分布，f₀为散射光初始频移；

(4)通过测量获取光纤复合架空地线52(OPGW)内部由于覆冰增厚导致产生的拉伸应变与温度变化情况，确定光纤复合架空地线52(OPGW)的应变分布和等值覆冰厚度；

(5)当光纤复合架空地线52(OPGW)上覆冰的等值覆冰厚度达到输电线路覆冰厚度的预警值时，通过网络发送覆冰厚度预警信息。本发明中，可采用GPRS无线网络、GSM无线通信网络或有线网络发送覆冰厚预警信息。

在本发明实施例中，通过所述光纤的拉伸应变、温度T和散射光信号的变化关系，确定光纤的拉伸应变分布ε，并根据以下模型计算等值覆冰厚度h,

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{op}}=\mathrm{\ϵ}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{of}}\\ F_{\mathrm{op}1}=E_{\mathrm{op}}{S}_{\mathrm{op}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{op}}\\ {\mathrm{\γ}}_2=\sqrt{(\frac{E_{\mathrm{op}}{\mathrm{\γ}}_0{L}_d^2{S}_{\mathrm{op}}^3}{24F_{\mathrm{op}0}^2}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{op}}{E}_{\mathrm{op}}(T_0-T)+F_{\mathrm{op}1}-F_{\mathrm{op}0})\frac{24F_{\mathrm{op}1}^2}{E_{\mathrm{op}}{L}_d^2{S}_{\mathrm{op}}^3}}\\ \mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_0\\ h=-\frac{D}{2}+\sqrt{\frac{D^2}{4}+\frac{1000\mathrm{\γ}{S}_{\mathrm{op}}}{0.9\mathrm{\πg}}}\end{array}\right.,$

在该模型中，ε_op为OPGW拉伸应变，ε为光纤应变，Δε_of为OPGW内部光纤余长，在无覆冰的情况下，OPGW内部的光纤处于较松弛状态，即是有余长Δε_of，覆冰时OPGW拉伸变长，光纤产生应变，OPGW应变即光纤应变与余长之和；F_op1为OPGW张力，E_op为OPGW弹性系数，S_op为OPGW承载截面积，γ₂为覆冰后OPGW比载，γ₀为OPGW自重比载，L_d为代表档距，F_op0为OPGW设计运行张力，β_op为OPGW热膨胀系数，T₀为OPGW初始温度，T为OPGW的内部光纤温度，γ为覆冰比载，h为等值覆冰厚度，D为OPGW外径，g重力加速度，

如图2所示，将信息处理单元9、分布式光纤温度解调仪8、分布式光纤测温仪7、光纤接口盘6安装在变电站通信机房3内，在变电站通信机房3附近将接续盒10安装在门型架2上，再用跳线光纤光51接入变电站通信机房3内的光纤接口盘6内，其中，光纤接口盘6与续接盒10之间连接有若干根跳线光纤光51，通过抽取任意两根跳线光纤进行连接测量光纤复合架空地线52(OPGW)的信息；

如图2所示，从杆塔1上安装的光纤复合架空地线52(OPGW,Optical FiberComposite Overhead Ground Wire)内部抽取一根光纤接入接续盒10，当OPGW产生覆冰4时，在OPGW内部光纤由于OPGW产生覆冰4而增厚导致拉伸应变，覆冰4越厚，其拉伸和应变程度越强烈，所述分布式光纤温度解调仪8用于解调光纤复合架空地线覆冰分布式的温度信号，分布式光纤温度解调仪8在不断发射的激光信号的同时也接收的光反馈能量信号，通过测量光的反馈能量信号的强度来获取覆冰4的厚度和温度调制信号，所述分布式光纤测温仪7用于调制测量光纤复合架空地线52(OPGW)上的分布式温度信号，所述信息处理单元9用于控制分布式光纤温度解调仪8与分布式光纤测温仪7的运行和采集数据，并利用分布式温度的调制测量信号和解调采集的温度信号进行计算得到光纤复合架空地线52(OPGW)上分布式覆冰4的状态。

通过本发明的测量光纤复合架空地线覆冰厚度的系统和测量方法对OPGW上的覆冰测量数据如表1所示，表1为某输电线路在覆冰期间监测到的数据与计算结果，通过测量数据OPGW的覆冰与为散射光频移f、光纤温度T等之间的关系；

表1：某输电线路在覆冰期间监测到的数据与计算结果

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法,其特征在于：包括如下步骤：

(1)将测量OPGW覆冰厚度的系统安装在变电站通信机房内；

(2)将分布式光纤温度解调仪通过变电站内的光纤接口盘用跳线光纤与OPGW连接，并通过不断测量散射光信号的变化，实时获取OPGW上的履冰被拉伸应变时的散射光信号频移变化情况；

(3)将分布式光纤测温仪通过变电站内的光纤接口盘用跳线光纤与OPGW连接，并通过不断测量履冰温度分布信号，实时获取OPGW的内部光纤温度变化；

(4)通过测量获取OPGW内部由于覆冰增厚导致产生的拉伸应变与温度变化情况，确定OPGW的应变分布和等值覆冰厚度；

(5)当OPGW上覆冰的等值覆冰厚度达到输电线路覆冰厚度的预警值时，通过网络发送覆冰厚度预警信息。

2.根据权利要求1所述的一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法,其特征在于：所述光纤的拉伸应变、OPGW的内部光纤温度和散射光信号频移的变化关系为：f＝KT+Cε+f₀，式中f为散射光频移分布，K为温度系数，T为OPGW的内部光纤温度，C为应变系数，ε为光纤的拉伸应变分布，f₀为散射光初始频移。

3.根据权利要求1或2所述的一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法,其特征在于：通过所述光纤的拉伸应变、OPGW的内部光纤温度和散射光信号的变化关系，确定光纤的拉伸应变分布ε，并根据以下模型计算等值覆冰厚度h：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{op}}=\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{\mathrm{of}}\\ F_{\mathrm{op}1}=E_{\mathrm{op}}{S}_{\mathrm{op}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{op}}\\ {\mathrm{\γ}}_2=\sqrt{(\frac{E_{\mathrm{op}}{\mathrm{\γ}}_0{L}_d^2{S}_{\mathrm{op}}^3}{24F_{\mathrm{op}0}^2}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{op}}{E}_{\mathrm{op}}(T_0-T)+F_{\mathrm{op}1}-F_{\mathrm{op}0})\frac{24F_{\mathrm{op}1}^2}{E_{\mathrm{op}}{L}_d^2{S}_{\mathrm{op}}^3}}\\ \mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_0\\ h=-\frac{D}{2}+\sqrt{\frac{D^2}{2}}+\sqrt{\frac{D^2}{4}+\frac{1000\mathrm{\γ}{S}_{\mathrm{op}}}{0.9\mathrm{\πg}}}\end{array}\right.,$

该模型中ε_op为OPGW拉伸应变，ε为光纤应变，Δε_of为OPGW内部光纤余长，F_op1为OPGW张力，E_op为OPGW弹性系数，S_op为OPGW承载截面积，γ₂为覆冰后OPGW比载，γ₀为OPGW自重比载，L_d为代表档距，F_op0为OPGW设计运行张力，β_op为OPGW热膨胀系数，T₀为OPGW初始温度，T为OPGW的内部光纤温度，γ为覆冰比载，h为等值覆冰厚度，D为OPGW外径，g重力加速度。

4.根据权利要求1所述的一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法，其特征在于：所述测量光纤复合架空地线覆冰厚度的系统包括信息处理单元、分布式光纤温度解调仪、分布式光纤测温仪、光纤接口盘和续接盒，所述光纤接口盘的输出端分别与分布式光纤温度解调仪和分布式光纤测温仪连接，所述分布式光纤温度调节仪还分别与分布式光纤测量仪和信息处理单元连接，所述光纤接口盘输入端通过跳线光纤与续接盒连接，所述续接盒与OPGW进行连接，所述分布式光纤温度解调仪用于解调光纤复合架空地线覆的分布式温度信号，所述分布式光纤测温仪用于调制测量光纤复合架空地线上的分布式温度信号，所述信息处理单元用于控制分布式光纤温度解调仪与分布式光纤测温仪的运行和采集数据，并利用分布式温度的调制测量信号和解调采集的温度信号进行计算得到OPGW上分布式覆冰的状态。

5.根据权利要求1所述的一种分布式测量光纤复合架空地线覆冰厚度的方法,其特征在于：所述发送覆冰厚度预警信息通过GPRS无线网络、GSM无线通信网络或有线网络发送。