CN106530575A - 一种输电线路分布式山火监测和预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路分布式山火监测和预警方法，采用布里渊光时域反射仪监测得到输电线路架空线温度分布；计算与数据处理单元根据设定的温度阈值判断输电线路是否存在山火和山火的分布；通过航拍获取输电线路三维走廊信息；结合输电线线路分布式弧垂信息，建立输电线导线与障碍物间的绝缘电气距离分布；计算线路上的分布式大气击穿电压分布；通过线路电压等级设定击穿电压阈值进行山火预警分析和判断，实现输电线路的分布式山火监测和预警。本发明具有监测方法智能化程度高，且只需采用一台设备在变电站进行安装就能实现输电线路分布式山火在线监测和预警的特点，可以广泛应用于输电线路上进行输电线路分布式山火在线监测和预警。

Description

一种输电线路分布式山火监测和预警装置及方法

技术领域

本发明涉及一种监测和预警装置及方法，特别是涉及一种输电线路分布式山火监测和预警装置及方法，属于输电线路领域。

背景技术

我国森林火灾频繁发生，极有可能造成附近高压输电线路发生电气击穿、跳闸、重合闸失败继而使得线路停运等线路事故，严重威胁到山火附近高压输电线路的安全稳定运行。为有效避免这种事故的发生，需要采用有效的手段对输电线路山火进行在线监测及预警。由于输电线路比较长，山火的发生地有较大的随机特性，而实际输电线路运行情况下的山火监测多为点式监测设备，如图像识别、激光雷达等监测设备，这些设备尽管精度较高，但是不能进行全线路的在线监测，存在监测盲区，因此需要研究开发一套进行输电线路分布式山火监测和预警的系统，实现输电线路山火的分布式监测和预警。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种输电线路的分布式山火监测和预警方法，利用一种输电线路的分布式山火监测和预警方法解决传统的监测方法智能化程度不高，需采用多台设备在变电站进行安装才能实现输电线路分布式山火在线监测和预警，无法广泛应用于输电线路上进行输电线路分布式山火在线监测和预警的问题。

本发明提供的技术方案为一种输电线路分布式山火监测和预警装置，包括计算与数据处理单元、布里渊光时域反射仪和分布式光纤传感器，所述的分布式光纤传感器通过变电站内光纤配线屏内的光纤接口与布里渊光时域反射仪的光纤接口通过光纤跳线连接，布里渊光时域反射仪再和计算与数据处理单元通过USB接口相连。

所述的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线OPGW内的一根传感光纤。

其输电线路分布式山火监测和预警方法，包括如下步骤：

步骤一、采用布里渊光时域反射仪监测得到输电线路架空线温度分布；

步骤二、计算与数据处理单元根据设定的温度阈值判断输电线路是否存在山火和山火的分布；

步骤三、通过航拍获取输电线路三维走廊信息；

步骤四、结合输电线线路分布式弧垂信息，建立输电线导线与障碍物间的绝缘电气距离分布；

步骤五、计算输电线路上的分布式大气击穿电压分布；

步骤六、通过线路电压等级设定击穿电压阈值进行山火预警分析和判断，实现输电线路的分布式山火监测和预警。

所述的三维走廊信息为以沿线被监测点作y轴坐标原点，采集监测点左右水平距各15m障碍物顶高程信息，其数学表达式为：

H＝H(x_i,y)y∈[-15,15]i＝0,1,2,3...S/△x

式中，下标i为监测点编号，x_i为被监测点空间坐标(m)，S为输电线长度(m)；△x为系统空间分辨率(m)，H为被监测点x_i处障碍物顶高程(m)，y为障碍物在以监测点x_i为y轴坐标原点的y轴坐标值(m)。

所述的绝缘电气距离分布表达式为：

其中，j为被监测档距编号，t为时间，l_j为j号档距的档距大小(m)，h_j为j号档距内左杆塔的呼称高(m)，h_j+1为j号档距内右杆塔的呼称高(m)，F_j为左杆塔所在海拔(m)；X_ij为输电线路上监测点x_i在档距l_j内的局部坐标(m)；f(x_i,t)为监测点x_i处的弧垂值(m)，y为障碍物在以监测点x_i为y轴坐标原点的y轴坐标值(m)，R(x_i,t)为监测点x_i处的电气绝缘距离(m)，H为被监测点x_i处障碍物顶高程(m)。

所述的大气击穿电压分布数学表达式为：

式中，t为时间，T_a为标准条件下的空气温度(℃)，E_a为标准条件下的击穿场强(kV/m)，T(x_i,r,t)为输电线路监测点处导线与最近障碍物之间的温度分布(℃)，r为监测点处导线与最近障碍物之间的距离(m),在监测获取输电线路分布式温度T(x_i,t)后可通过推算获取，V_max(x_i,t)为被监测点x_i处在t时刻的大气击穿电压(kV)。

所述的击穿电压阈值为标准条件下大气击穿电压的50％，其数学表达式为：

V_th(x_i,t)＝V_a(x_i,t)/2

式中，V_th(x_i,t)为击穿电压阈值(kV)，V_a(x_i,t)为标准条件下的大气击穿电压(kV)。

采用本发明的技术方案，第一步采用布里渊光时域反射仪监测得到输电线路架空线温度分布；第二步计算与数据处理单元根据设定的温度阈值判断输电线路是否存在山火和山火的分布；第三步通过航拍获取输电线路三维走廊信息；第四步结合输电线线路分布式弧垂信息，建立输电线导线与障碍物间的绝缘电气距离分布；第五步计算线路上的分布式大气击穿电压分布；第六步通过线路电压等级设定击穿电压阈值进行山火预警分析和判断，实现输电线路的分布式山火监测和预警，采用本发明的技术方案不仅具有监测方法智能化程度高，而且只需采用一台设备在变电站进行安装就能实现输电线路分布式山火在线监测和预警的特点，可以广泛应用于输电线路上进行输电线路分布式山火在线监测和预警。

本发明的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线OPGW内的一根传感光纤，利用光纤复合架空地线中的一根光纤作为传感器，监测传感器的温度分布信息。

与现有技术相比，本发明输电线路分布式山火监测和预警方法，具有以下有益效果：采用布里渊光时域反射仪技术，通过监测输电线路架空线的温度分布，设定温度阈值进行输电线路山火的分布式监测，结合输电线路三维航拍数据、弧垂信息和温度数据实现输电线路山火的分布式监测预警。具有监测方法智能化程度高，且只需采用一台设备在变电站进行安装就能实现输电线路分布式山火在线监测和预警的特点，有着重要的经济和社会应用价值。

综上所述，利用一种输电线路的分布式山火监测和预警方法可以解决传统的监测方法智能化程度不高，需采用多台设备在变电站进行安装才能实现输电线路分布式山火在线监测和预警，无法广泛应用于输电线路上进行输电线路分布式山火在线监测和预警的问题。

附图说明

图1为本发明输电线路分布式山火监测和预警方法的流程示意图；

图2为本发明输电线路分布式山火监测和预警方法中涉及硬件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：

如图1～2所示，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

参见图1至图2，一种输电线路分布式山火监测和预警装置，包括计算与数据处理单元、布里渊光时域反射仪和分布式光纤传感器，分布式光纤传感器通过变电站内光纤配线屏内的光纤接口与布里渊光时域反射仪的光纤接口通过光纤跳线连接，布里渊光时域反射仪再和计算与数据处理单元通过USB接口相连。

本发明输电线路分布式山火监测和预警装置包括：BOTDR、分布式光纤传感器以及计算与数据处理单元，布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种基于光纤布里渊散射光频移(Brillouin Scattering)检测的技术，能够检测输电线路的温度分布状态，分布式光纤传感器为光纤复合架空地线OPGW(Optical fiber composite Ground Wire)内的一根传感光纤，光纤复合架空地线的分布式光纤传感器通过变电站内的接口接入BOTDR，BOTDR与计算与数据处理单元相连。

进一步的BOTDR的原理为向分布式光纤传感器中发射超窄线宽激光信号，光信号在光纤中传播时，受光纤内弹性声波场低频声子的影响会产生布里渊后向散射光信号，当光纤温度和应变发生变化时，光纤内的声波场会发生变化，从而引起温度应变变化区域后向散射光信号相对于入射光信号发生频移变化，通过检测后向布里渊散射光的返回时间和频移大小就可以计算温度和应变变化的大小。

进一步的分布式光纤传感器也就是光纤复合架空地线内的单模光纤，利用光纤复合架空地线中的一根单模光纤作为传感器，监测传感器的温度分布信息。

进一步的计算与数据处理单元通过USB接口分别与BOTDR连接，接收BOTDR发送的分布式光纤传感器各空间位置上的温度信息，并完成存储、管理、计算和显示信息，通过相应算法实现输电线路山火分布情况，实现输电线路分布式山火在线监测和预警。

在按照本发明的技术方案做好各个硬件设备的连接和测试以后，在确保各个设备均具备良好的运行状态后，即可按照下述方法进行试验。

试验时，输电线路沿线发生山火时，受到山火火场的热辐射和热气流作用，架空线的温度迅速升高，因此可通过监测输电线路的温度分布，并设定温度阈值实现输电线路山火分布监测的定性分析和判断。输电线的分布式监测温度表示如下：

T(x,t)_i＝T(x_i,t)i＝0,1,2,3...S/△x (1)

式中，下标i为监测点编号；S为输电线长度(m)；△x为系统空间分辨率(m)，T(x,t)_i表示为t时刻输电线上第i号监测点的温度(℃)，T(x_i,t)表示t时刻被监测点x_i处的温度值(℃)。

设定温度阈值T₀(x_i,t)进行分布式山火的判断：

式中T(x_i,t)表示t时刻被监测点x_i处的温度值(℃)，T₀(x_i,t)表示t时刻被监测点x_i处的发生山火的温度阈值(℃)。

为实现输电线路分布式山火的跳闸预警，首先需要获取输电线线路走廊的具体情况。通过携带有航拍设备的无人机对输电线路走廊进行航拍，获取线路走廊的三维数据信息；三维走廊信息可采用如下形式描述，以沿线被监测点为y轴坐标原点，采集监测点左右水平距各15m障碍物顶高程信息：

H＝H(x_i,y)y∈[-15,15]i＝0,1,2,3...S/△x (3)

式中：下标i为监测点编号，x_i为被监测点空间坐标(m)，S为输电线长度(m)；△x为系统空间分辨率(m)，H为被监测点x_i处障碍物顶高程(m)，y为障碍物在以监测点x_i为y轴坐标原点的y轴坐标值(m)。

为获取输电导线与障碍物之间的绝缘电气距离，首先需要获取输电线路各档距的实时弧垂信息：

式中，j为被监测档距编号，t为时间，l_j为j号档距的档距大小(m)，X_ij为输电线路上监测点x_i在档距l_j内的局部坐标，γ_j、β_j和σ_02j分别为架空线的比载(Mpa/m)、高差角(rad)和水平应力(Mpa)，f(x_i,t)为监测点x_i处的弧垂值(m)，其中，架空线水平应力需要结合输电线路初始架线参数采用架空线状态方程计算获取：

式中，j为档距编号，σ_01j和σ_02j分别为初始架线时的水平应力和温度变化后的水平应力；T_0j和T_j(℃)分别为初始架线时的缆线温度和本发明监测的温度；E_j为缆线的杨氏模量(Mpa)，α_j为缆线的热膨胀系数(/℃)，T_j和T_0j(℃)分别为监测的温度和架空线初始架设时的温度。

当获得了架空线弧垂分布后，结合输电线路航拍数据、输电线路塔高信息等，获取输电线路架空导线与障碍物之间的绝缘电气距离：

式中：j为被监测档距编号，t为时间，l_j为j号档距的档距大小(m)，h_j为j号档距内左杆塔的呼称高(m)，h_j+1为j号档距内右杆塔的呼称高(m)，F_j为左杆塔所在海拔(m)；X_ij为输电线路上监测点x_i在档距l_j内的局部坐标(m)；f(x_i,t)为监测点x_i处的弧垂值(m)，y为障碍物在以监测点x_i为y轴坐标原点的y轴坐标值(m)，R(x_i,t)为监测点x_i处的电气绝缘距离(m)，H为被监测点x_i处障碍物顶高程(m)。

为进行输电线路分布式山火跳闸预警，需要计算输电线路山火区域的大气击穿电压V_max(x_i,t)：

式中，t为时间，T_a为标准条件下的空气温度(℃)，E_a为标准条件下的击穿场强(kV/m)，T(x_i,r,t)为输电线路监测点处导线与最近障碍物之间的温度分布(℃)，r为监测点处导线与最近障碍物之间的距离(m),在监测获取输电线路分布式温度T(x_i,t)后可通过推算获取。

获取输电线路的大气击穿电压分布后，通过设定大气击穿电压阈值进行分布式山火跳闸预警，设定大气击穿电压阈值V_th(x_i,t)为标准条件下的大气击穿电压的50％：

V_th(x_i,t)＝V_a(x_i,t)/2 (8)

式中，标准条件下的击穿电压为

则分布式山火跳闸预警可采用如下形式表述：

最后就通过系统自动得到了输电线路分布式山火监测和预警的实际状况，从而由系统根据计算参数进行判断，以确定是否报警。

本发明输电线路分布式山火监测和预警方法，具有以下有益效果：采用布里渊光时域反射仪技术，通过监测输电线路架空线的温度分布，设定温度阈值进行输电线路山火的分布式监测，结合输电线路三维航拍数据、弧垂信息和温度数据实现输电线路山火的分布式监测预警。具有监测方法智能化程度高，且只需采用一台设备在变电站进行安装就能实现输电线路分布式山火在线监测和预警的特点，有着重要的经济和社会应用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种输电线路分布式山火监测和预警装置，包括计算与数据处理单元、布里渊光时域反射仪和分布式光纤传感器，其特征在于：所述的分布式光纤传感器通过变电站内光纤配线屏内的光纤接口与布里渊光时域反射仪的光纤接口通过光纤跳线连接，布里渊光时域反射仪再和计算与数据处理单元通过USB接口相连。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路分布式山火监测和预警装置，其特征在于：所述的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线OPGW内的一根传感光纤。

3.一种输电线路分布式山火监测和预警方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、采用布里渊光时域反射仪监测得到输电线路架空线温度分布；

步骤二、计算与数据处理单元根据设定的温度阈值判断输电线路是否存在山火和山火的分布；

步骤三、通过航拍获取输电线路三维走廊信息；

步骤四、结合输电线线路分布式弧垂信息，建立输电线导线与障碍物间的绝缘电气距离分布；

步骤五、计算输电线路上的分布式大气击穿电压分布；

步骤六、通过线路电压等级设定击穿电压阈值进行山火预警分析和判断，实现输电线路的分布式山火监测和预警。

4.根据权利要求3所述的输电线路分布式山火监测和预警方法，其特征在于：所述的三维走廊信息为以沿线被监测点作y轴坐标原点，采集监测点左右水平距各15m障碍物顶高程信息，其数学表达式为：

H＝H(x_i,y)y∈[-15,15]i＝0,1,2,3...S/△x

式中，下标i为监测点编号，x_i为被监测点空间坐标(m)，S为输电线长度(m)；△x为系统空间分辨率(m)，H为被监测点x_i处障碍物顶高程(m)，y为障碍物在以监测点x_i为y轴坐标原点的y轴坐标值(m)。

5.根据权利要求3所述的输电线路分布式山火监测和预警方法，其特征在于：所述的绝缘电气距离分布表达式为：

$\begin{array}{cc}R\left(x_i,t\right)=\min \left(\sqrt{{\left(\left(\frac{h_{j+1}-h_j}{l_j}{X}_{ij}+h_j+F_j\right)-f\left(x_i,t\right)-H\right)}^2+y^2}\right)& y\∈\[-15,15\]\end{array}$

其中，j为被监测档距编号，t为时间，l_j为j号档距的档距大小(m)，h_j为j号档距内左杆塔的呼称高(m)，h_j+1为j号档距内右杆塔的呼称高(m)，F_j为左杆塔所在海拔(m)；X_ij为输电线路上监测点x_i在档距l_j内的局部坐标(m)；f(x_i,t)为监测点x_i处的弧垂值(m)，y为障碍物在以监测点x_i为y轴坐标原点的y轴坐标值(m)，R(x_i,t)为监测点x_i处的电气绝缘距离(m)，H为被监测点x_i处障碍物顶高程(m)。

6.根据权利要求3所述的输电线路分布式山火监测和预警方法，其特征在于：所述的大气击穿电压分布数学表达式为：

$V_{max}(x_i,t)={\∫}_0^{R(x_i,t)}{E}_a\frac{T_a+273.15}{T(x_i,r,t)+273.15}dr$

式中，t为时间，T_a为标准条件下的空气温度(℃)，E_a为标准条件下的击穿场强(kV/m)，T(x_i,r,t)为输电线路监测点处导线与最近障碍物之间的温度分布(℃)，r为监测点处导线与最近障碍物之间的距离(m),在监测获取输电线路分布式温度T(x_i,t)后可通过推算获取，V_max(x_i,t)为被监测点x_i处在t时刻的大气击穿电压(kV)。

7.根据权利要求3所述的输电线路分布式山火监测和预警方法，其特征在于：所述的击穿电压阈值为标准条件下大气击穿电压的50％，其数学表达式为：

V_th(x_i,t)＝V_a(x_i,t)/2

式中，V_th(x_i,t)为击穿电压阈值(kV)，V_a(x_i,t)为标准条件下的大气击穿电压(kV)。