CN107421625A - 一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体地说是一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，包括分布式光纤传感系统，其特征在于：还包括OPPC光缆和远程监控终端；所述的分布式光纤传感系统中的激光器依次连接电光调制器、隔离器的信号输入端，所述的环形器的三个端口依次连接隔离器的信号输出端、OPPC光缆中的任意一根OPPC光纤、滤波器的信号输入端；滤波器的信号输出端依次连接光电探测器、数据采集卡，数据采集卡与远程监控终端通讯。本发明基于分布式光纤传感技术，只需利用OPPC光纤本身作为感知单元，即可进行长距离连续分布测量，无需任何传感装置。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体地说是一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统。
背景技术
随着电网覆盖率的快速提高，目前越来越多的输电线路建设在高山峻岭、人烟稀少、交通条件较差的区域。这些区域风害突出，并且线路运维水平低，当输电线路长时间剧烈舞动时，极有可能发生舞动事故，给人民正常生活和工业生产造成巨大损失。
现有的舞动监测装置有倾角传感器、加速度传感器和电磁式振动传感器等。这些舞动监测装置均是利用分立的电学传感元件进行测量，工程应用困难，对于长距离输电线缆监测需要大量的监测单元组网，系统结构冗繁，且各个单元的供电及维护也是问题，同时电学传感器测量本身具有安全隐患。
分布式光纤传感系统是一种利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质的传感系统。其工作原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的OTDR技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，采用分布式光纤传感技术，以OPPC光缆作为传感媒介，根据架空线缆发生风偏舞动时，OPPC光纤内各散射光的光强会发生突变，以此判定该发生光强突变的位置产生了线路舞动，根据光强突变的数值，以推断线路舞动的幅值和频率等信息，从而实现对输电线路舞动的实时监测。
为实现上述目的，设计一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，包括分布式光纤传感系统，其特征在于：
还包括OPPC光缆和内嵌MATLAB软件的远程监控终端；
所述的分布式光纤传感系统，包括激光器、电光调制器、隔离器、环形器、滤波器、光电探测器、数据采集卡；
所述的激光器，用于发出连续光；
所述的电光调制器，其输入端连接激光器的输出端，用于接收激光器发出的连续光，并将连续光调制成周期性光信号作为泵浦脉冲光从信号输出端输出；
所述的隔离器，其信号输入端连接电光调制器的信号输出端，用于接收隔离器输出的泵浦脉冲光，并隔离掉其中的反射光后从其信号输出端输出；
所述的环形器，其第一端口连接隔离器的信号输出端，其第二端口连接所述OPPC光缆的任意一根OPPC光纤；从第一端口接收到的泵浦脉冲光信号经第二端口进入OPPC光缆的任意一根OPPC光纤中，该泵浦脉冲光信号沿OPPC光缆传输时产生的后向布里渊散射光再从其第三端口输出；
滤波器，其信号输入端连接环形器的第三端口，将接收到的泵浦脉冲光信号滤除杂波后，再经其信号输出端输出；
光电探测器，其信号输入端连接滤波器的信号输出端，将接收到的光信号转变为电信号，再从其信号输出端输出；
数据采集卡，其信号输入端连接光电探测器的信号输出端，通过MATLAB软件将接收到的电信号进行分析处理，得到沿OPPC光纤的传感长度上的频移量和幅值，并解调出沿OPPC光纤传感长度上的舞动信息，并在远程监控终端进行显示，当OPPC光纤某一处舞动剧烈，超过设定的导线伸长量的阈值，即可触发报警器，并在远程监控终端上显示预警信息；所述的舞动信息包括舞动幅值、舞动频率。
所述的数据采集卡中将接收到的电信号进行分析处理，以获得沿OPPC光纤的传感长度上的频移，是根据如下公式计算而获得：
vB(ε)＝vB0+Cε·ε；
其中，vB(ε)为相应应力下OPPC光纤的频移量，VB0为OPPC光纤的应力为0时的频移量；Cε为与应变相关的系数，Cε等于OPPC光纤的折射率、OPPC光纤的杨氏模量、OPPC光纤的泊松比和OPPC光纤的材料密度的应变系数之和；ε为应变；可根据上式，计算舞动时OPPC光纤的应变ε，然后根据应变ε与水平张力之间的关系，计算出光纤所受的张力；
输电导线，其舞动前的静长度Ls的计算公式为：
其中，W为导线单位长度的荷载，单位为N/m；β为高差角，T0为导线水平张力；I为档距；
根据弹性变形的“胡克定律”，导线水平张力变化量为：
其中，△L为导线伸长量，m为偶数；n为奇数；E为导线的综合弹性模量，单位为N/mm2；A为导线的横截面积，单位为mm2；W为导线单位长度重量，单位为N/m；a0为舞动幅值，单位为m；n为舞动半波数；ω为舞动频率，单位为rad/s，通过上式，即可拟合出线路的舞动幅值和舞动频率。
所述的激光器为窄线宽激光器，线宽≤100kHz，输出功率40～80mW。
所述的滤波器采用拉曼波分复用器。
所述的隔离器的隔离度≥40dB。
所述的光电探测器采用雪崩光电二极管，响应度≥0.7A/W。
所述的数据采集卡的采样率为50MS/s。
所述的远程监控终端与数据采集卡之间进行有线或无线通讯。
本发明的技术优势在于，基于分布式光纤传感技术，只需接入OPPC光缆中的任意一根OPPC光纤，利用OPPC光纤本身作为感知单元，即可进行长距离连续分布测量，无需任何传感装置；能对输电线路导线的舞动进行全天候实时监测，抗干扰能力强，信号处理系统可以对数据进行智能处理，减少了劳动量，在需要的时候可以通过远程监控终端接入查询舞动的实时数据。
附图说明
图1为本发明的连接示意图。
具体实施方式
现结合附图及实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
参见图1，一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，包括分布式光纤传感系统，其特征在于：
还包括OPPC光缆和内嵌MATLAB软件的远程监控终端；
所述的分布式光纤传感系统，包括激光器、电光调制器、隔离器、环形器、滤波器、光电探测器、数据采集卡；
所述的激光器1，用于发出连续光；
所述的电光调制器2，其输入端连接激光器1的输出端，用于接收激光器发出的连续光，并将连续光调制成周期性光信号作为泵浦脉冲光从信号输出端输出；
所述的隔离器3，其信号输入端连接电光调制器的信号输出端，用于接收隔离器输出的泵浦脉冲光，并隔离掉其中的反射光后从其信号输出端输出；
所述的环形器4，其第一端口连接隔离器3的信号输出端，其第二端口连接所述OPPC光缆8的任意一根OPPC光纤；从第一端口接收到的泵浦脉冲光信号经第二端口进入OPPC光缆的任意一根OPPC光纤中，该泵浦脉冲光信号沿OPPC光缆传输时产生的后向布里渊散射光再从其第三端口输出；
滤波器5，其信号输入端连接环形器4的第三端口，将接收到的泵浦脉冲光信号滤除杂波后，再经其信号输出端输出；
光电探测器6，其信号输入端连接滤波器5的信号输出端，将接收到的光信号转变为电信号，再从其信号输出端输出；
数据采集卡7，其信号输入端连接光电探测器的信号输出端，通过MATLAB软件将接收到的电信号进行分析处理，得到沿OPPC光纤的传感长度上的频移量和幅值，并解调出沿OPPC光纤传感长度上的舞动信息，并在远程监控终端进行显示，当OPPC光纤某一处舞动剧烈，超过设定的导线伸长量△L的阈值，即可触发报警器，并在远程监控终端上显示预警信息；所述的舞动信息包括舞动幅值、舞动频率。
所述的数据采集卡7中将接收到的电信号进行分析处理，以获得沿OPPC光纤的传感长度上的频移，是根据如下公式计算而获得：
vB(ε)＝vB0+Cε·ε；
其中，vB(ε)为相应应力下OPPC光纤的频移量，VB0为OPPC光纤的应力为0时的频移量，可通过实验获知；Cε为与应变相关的系数Cε等于OPPC光纤的折射率、OPPC光纤的杨氏模量、OPPC光纤的泊松比和OPPC光纤的材料密度的应变系数之和；ε为应变；可根据上式，计算舞动时OPPC光纤的应变ε，根据胡克定律在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系，应力与应变的比例常数E被称为弹性系数或扬氏模量，不同的材料有其固定的扬氏模量，由此可以得出应力值；然后根据应力与张力的关系，即导线张力＝导线应力*导线截面积，计算出光纤所受的张力；
输电导线，其舞动前的静长度Ls的计算公式为：
其中，W为导线单位长度的荷载，单位为N/m；
β为高差角，T0为导线水平张力；I为档距；
根据弹性变形的“胡克定律”，导线水平张力变化量为：
其中，△L为导线伸长量，m为偶数；n为奇数；E为导线的综合弹性模量，单位为N/mm2；A为导线的横截面积，单位为mm2；W为导线单位长度重量，单位为N/m；a0为舞动幅值，单位为m；n为舞动半波数；ω为舞动频率，单位为rad/s，通过上式，即可拟合出线路的舞动幅值和舞动频率。
进一步的，所述的激光器为窄线宽激光器，线宽≤100kHz，输出功率40～80mW。
进一步的，所述的滤波器采用拉曼波分复用器。
进一步的，所述的隔离器的隔离度≥40dB。
进一步的，所述的光电探测器采用雪崩光电二极管，响应度≥0.7A/W。
进一步的，所述的数据采集卡的采样率为50MS/s。
进一步的，所述的远程监控终端与数据采集卡之间进行有线或无线通讯。
Claims (8)
1.一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，包括分布式光纤传感系统，其特征在于：
还包括OPPC光缆和内嵌MATLAB软件的远程监控终端；
所述的分布式光纤传感系统，包括激光器(1)、电光调制器(2)、隔离器(3)、环形器(4)、滤波器(5)、光电探测器(6)、数据采集卡(7)；
所述的激光器(1)，用于发出连续光；
所述的电光调制器(2)，其输入端连接激光器(1)的输出端，用于接收激光器发出的连续光，并将连续光调制成周期性光信号作为泵浦脉冲光从信号输出端输出；
所述的隔离器(3)，其信号输入端连接电光调制器的信号输出端，用于接收隔离器输出的泵浦脉冲光，并隔离掉其中的反射光后从其信号输出端输出；
所述的环形器(4)，其第一端口连接隔离器(3)的信号输出端，其第二端口连接所述OPPC光缆(8)的任意一根OPPC光纤；从第一端口接收到的泵浦脉冲光信号经第二端口进入OPPC光缆的任意一根OPPC光纤中，该泵浦脉冲光信号沿OPPC光缆传输时产生的后向布里渊散射光再从其第三端口输出；
滤波器(5)，其信号输入端连接环形器(4)的第三端口，将接收到的泵浦脉冲光信号滤除杂波后，再经其信号输出端输出；
光电探测器(6)，其信号输入端连接滤波器(5)的信号输出端，将接收到的光信号转变为电信号，再从其信号输出端输出；
数据采集卡(7)，其信号输入端连接光电探测器的信号输出端，通过MATLAB软件将接收到的电信号进行分析处理，得到沿OPPC光纤的传感长度上的频移量和幅值，并解调出沿OPPC光纤传感长度上的舞动信息，并在远程监控终端进行显示，当OPPC光纤某一处舞动剧烈，超过设定的导线伸长量的阈值，即可触发报警器，并在远程监控终端上显示预警信息；所述的舞动信息包括舞动幅值、舞动频率。
2.如权利要求1所述的一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，其特征在于：
所述的数据采集卡(7)中将接收到的电信号进行分析处理，以获得沿OPPC光纤的传感长度上的频移，是根据如下公式计算而获得：
vB(ε)＝vB0+Cε·ε；
其中，υB(ε)为相应应力下OPPC光纤的频移量，VB0为OPPC光纤的应力为0时的频移量；Cε为与应变相关的系数，Cε等于OPPC光纤的折射率、OPPC光纤的杨氏模量、OPPC光纤的泊松比和OPPC光纤的材料密度的应变系数之和；ε为应变；可根据上式，计算舞动时OPPC光纤的应变ε，然后根据应变ε与水平张力之间的关系，计算出光纤所受的张力；
输电导线，其舞动前的静长度Ls的计算公式为：
其中，W为导线单位长度的荷载，单位为N/m；
β为高差角，T0为导线水平张力；l为档距；
根据弹性变形的“胡克定律”，导线水平张力变化量为：
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其中，ΔL为导线伸长量，m为偶数；n为奇数；E为导线的综合弹性模量，单位为N/mm2；A为导线的横截面积，单位为mm2；W为导线单位长度重量，单位为N/m；a0为舞动幅值，单位为m；n为舞动半波数；ω为舞动频率，单位为rad/s，通过上式，即可拟合出线路的舞动幅值和舞动频率。
3.如权利要求1所述的一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的激光器为窄线宽激光器，线宽≤100kHz，输出功率40～80mW。
4.如权利要求1所述的一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的滤波器采用拉曼波分复用器。
5.如权利要求1所述的一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的隔离器的隔离度≥40dB。
6.如权利要求1所述的一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的光电探测器采用雪崩光电二极管，响应度≥0.7A/W。
7.如权利要求1所述的一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的数据采集卡的采样率为50MS/s。
8.如权利要求1所述的一种适用于输电线路舞动监测的分布式光纤传感系统，其特征在于：所述的远程监控终端与数据采集卡之间进行有线或无线通讯。
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