CN110018399A - 一种基于输电线路opgw中光信号偏振态的雷击故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于输电线路OPGW中光信号偏振态的雷击故障定位方法，可以有效避免“伪波头”现象带来的雷击点定位不准确问题。此方法利用光传感分布式雷击故障定位系统监测输电线路光纤通道的光信号，然后对采样信号进行滤波降噪处理，进而采用其导数绝对值在局部范围的最大值计算光信号受雷电流磁场调制后的波头时间，根据两次收到偏振态信号的时间差，可计算雷击点到光纤两端点的距离，也即实现了雷击点准确定位。

Description

一种基于输电线路OPGW中光信号偏振态的雷击故障定位方法

技术领域

本发明涉及电力运维领域，具体是一种基于输电线路OPGW中光信号偏振态的雷击故障定位方法。

背景技术

研究资料表明，雷击是造成我国输电线路故障的主要原因之一，架空输电线路的雷击事故严重威胁着输电线路的安全运行。到目前为止，在电力系统中被广泛实际应用的雷击定位技术主要是基于将定向定位与时差定位两种技术相结合的综合雷电定位系统以及基于行波法的输电线路雷击定位。前者无法识别故障性质、受气候条件影响较大且仅在跳闸故障发生时，才能实现雷击点的定位；后者的定位精度受制于线路参数、现场运行方式、行波波速不确定以及波头位置难以精确定位等因素，尤其是行波波速的不确定性是引起定位误差较大的最主要原因；因此在实际应用过程中这两种方法都存在较大的局限性。

随着智能电网的发展，兼具防雷地线和通信双重功能的光纤复合架空地线(OPGW)在电力系统中被广泛的应用。OPGW的广泛应用对电力系统高效安全运行贡献较大，但其被雷击的现象亦经常发生，严重威胁到电网的可靠运行和通信安全，如雷击OPGW造成的断股可能会导致通信中断问题。由于在工程上OPGW一般采用逐塔接地或分段接地的方式，致使雷击行波信号在OPGW地线上难以长距离传输，因此在电网导线上普遍使用的行波法在OPGW上并不适用。此外，由于光纤中光信号具有传播速度稳定、衰减小、抗外界干扰强等优势，使人们想到通过其自身的功能属性来实现雷击点的精确定位。基于光纤中光偏振态的变化实现雷击点精确定位的关键点在于对光偏振态信号的辨识、特征提取以及分析处理。最近，人们在利用OPGW光纤中光偏振态的变化进行雷击点定位的实际应用过程中发现存在“伪波头”的现象，致使波头标定严重偏离实际，导致定位不准确；“伪波头”产生的原因主要是在OPGW中雷电流信号的传播速度高于OPGW的光纤中光信号的传播速度，导致小部分雷电流早于雷击时刻受到调制的光信号到达OPGW线路两端，继而在上述受调制的光信号到达线路两端之前已经有光信号被雷电流所调制，形成“伪波头”现象。一般情况下人们采用信号过阈值判断法可得到信号的起点，继而计算雷击点与线路两端的距离，但是因为“伪波头”问题的干扰，在基于OPGW的雷击定位方案中该方法误差极大，并不适用。

因此迫切需要一种对OPGW中光偏振态信号波头进行快速且准确的定位计算方法，以便准确找到输电线路上的雷击点，及时掌握输电线路遭受雷击的情况，这对输电线路防雷设计与维护、快速恢复电网供电、保障电力系统安全可靠运行具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决的现有输电线路雷击故障定位技术存在的“伪波头”干扰的问题，提供一种基于输电线路OPGW中光信号偏振态的雷击故障定位新方法，该雷击点定位方法通过检测OPGW光缆中的光偏振态信号的导数局部极大值，可以有效避免“伪波头”干扰，实现输电线路雷击点的准确定位。

本发明的技术方法案是：

一种基于输电线路OPGW中光信号偏振态的雷击故障定位方法，根据光传感分布式雷击故障定位系统中主机A和主机B监测到的光偏振态信号，计算两端偏振态突变信号之间的时间差，结合光信号的传播速度、OPGW线路长度，求出雷击点距离两侧变电站的距离L₁、L₂，实现OPGW上的雷击定位计算。

进一步的，所述方法包括如下步骤：

步骤1：利用光传感分布式雷击故障定位系统中的设备采集光纤两端的偏振光信号偏转角变化量；

步骤2：对采集到的光信号偏转角变化量进行带通滤波、降噪处理，得到处理后的信号D1、D2；

步骤3：对上述处理后的信号D1、D2进行过阈值判断，得到过阈值时间T1、T2；

步骤4：分别计算两路降噪处理后信号D1、D2的导数的绝对值d1、d2；

步骤5：根据线路长度计算伪波头的最大持续时间ΔT_max；

式中，L为线路的总长度，在设备安装的时候可测得，单位为m；

c为光在真空中的传播速度，一般取3×10⁸m/s；

n_eff为光纤的折射率，根据光纤的参数可获取，典型值为1.4685，无量纲；

v_c为电流信号在OPGW中的传播速度，会受到OPGW的参数等因素影响，一般在(2.7～2.9)×10⁸m/s，此处为了取得持续时间ΔT_max的极限值，可以按照上限2.9×10⁸m/s选取。

步骤6：计算数据d1中[T1,T1+ΔT_max]范围内的最大峰值位置对应的时间t₁，计算数据d2中[T2,T2+ΔT_max]范围内的最大峰值位置对应的时间t₂；

步骤7：记录t₁、t₂，得到雷击故障点处偏振态变化信号的波头到达主机A、主机B的时间差；

Δt＝t₁-t₂ (2)

步骤8：根据步骤7计算的时间差，建立雷击点到OPGW两端主机A、B之间的距离L₁、L₂、线路总长度L之间的关系方法程：

即可计算雷击点到A、B两端之间的距离L₁、L₂：

本发明可以结合OPGW光缆自身的参数(如长度等信息)实现输电线路雷击点定位，避免了“伪波头”的干扰，该雷击点定位方法可以对输电线路雷击情况进行实时、在线监测，有效提升输电线路系统的运行以及通信的可靠性，降低人力物力成本。

附图说明

图1是输电线路雷击故障定位系统原理图；

图2是本发明的方法步骤流程图；

图3是某线路OPGW光缆两端光偏振态信号定位结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种基于输电线路OPGW中光信号偏振态的雷击故障定位方法，其特征在于以分布式光纤雷击监测系统测量的数据、光偏振态信号波头定位算法为基础来计算输电线路雷击点的位置。

当输电线路遭受雷击时，由于Faraday磁光效应，在OPGW光纤中传输的光的偏振态受到雷击强脉冲电流产生的感应磁场的调制，会使得在OPGW内部传输的光信号偏振态发生剧烈变化，该变化通过Faraday偏转角来体现，同时反映了线路上雷电流及其感应磁场的大小变化。因此，通过监测输电线路光通道的偏振态信号变化，就可以反演出输电线路的雷击情况。根据A、B两个主机监测到的光偏振态信号，计算两端偏振态突变信号之间的时间差，结合光信号的传播速度、OPGW线路长度，即可求出雷击点距离两侧变电站的距离L₁、L₂，实现OPGW上的雷击定位计算，输电线路雷击故障定位原理见图1。具体按照以下步骤进行：

步骤1：利用光传感分布式雷击故障定位系统中主机A往主机B发射连续的偏振光，主机B也会往主机A发射连续的偏振光，同时两者均具备纳秒级别的高精度时间校准装置，实现时间同步；当有雷击发生时，主机A发往主机B的偏振光会被雷电流的磁场所调制，导致该光信号偏振角发生变化；同时主机A也会接收到主机B发射过来的经过雷电流磁场调制后的偏振光；分布式雷击故障定位系统的主机A、B可以采集光纤两端的光信号偏转角变化量th1、th2。

步骤2：对采集到的光信号偏转角变化量th1、th2进行带通滤波、降噪处理，得到处理后的光信号偏转角变化量D1、D2，其中滤波器的通带频率选择为40Hz-50kHz；

步骤3：对上述处理后的信号D1、D2进行过阈值判断，得到过阈值时间T1、T2；

步骤4：分别计算两路降噪处理后信号D1、D2的导数的绝对值d1、d2；

步骤5：根据线路长度计算伪波头的最大持续时间ΔTmax

式中，L为线路的总长度，在设备安装的时候可测得，单位为m；

c为光在真空中的传播速度，一般取3×10⁸m/s；

n_eff为光纤的折射率，根据光纤的参数可获取，典型值为1.4685，无量纲；

v_c为电流信号在OPGW中的传播速度，会受到OPGW的参数等因素影响，一般在(2.7～2.9)×10⁸m/s，此处为了取得持续时间ΔT_max的极限值，可以按照上限2.9×10⁸m/s选取。

步骤6：计算数据d1中[T1,T1+ΔT_max]时间范围内的最大峰值位置对应的时间t₁，计算数据d2中[T2,T2+ΔT_max]时间范围内的最大峰值位置对应的时间t₂；

步骤7：记录t₁、t₂，计算雷击故障点处偏振态变化信号的波头到达主机A、主机B的时间差

Δt＝t₁-t₂ (2)

步骤8：根据步骤7计算的时间差Δt，建立雷击点到OPGW两端主机A、B之间的距离L₁、L₂以及线路总长度L之间的关系方法程：

即可计算雷击点到A、B两端之间的距离L₁、L₂

本发明结合OPGW光缆自身的参数(如长度等信息)实现输电线路雷击点定位，避免了“伪波头”的干扰，图3(a)为雷击OPGW时系统监测到的光信号，图3(b)为局部放大信号，可以见到存在明显的“伪波头”现象。

下面结合图3(b)详细分析“伪波头”的干扰问题。图3(b)中A信号基本不存在伪波头或持续时间极短可以忽略，B信号有较长的伪波头存在，说明雷击点靠近A侧主机，即雷击点到A、B两端之间的距离差应接近于线路总长度；从A、B原信号中的得到的信号起点分别为102.835ms、103.125ms，计算得到时间差为0.290ms；A、B导数极大值信号中的得到的信号起点分别为102.832ms、103.237ms，计算得到时间差为0.405ms；那么在本次数据中线路总长度L近似等于

其中Δt_c为本次雷击事件的电信号到达A、B两端的时间差0.290ms，那么计算得到的电流速度为

这与理论值电流速度在(2.7～2.9)×10⁸m/s是吻合的，说明本方法用于雷击点定位的结果是可靠的。

由于光纤中光信号的速度只与光纤的折射率相关，是一个已知的常量，而电流的速度受到线缆本身的电容/电感等参数、接地方式、甚至环境温湿度等因素有关，真实环境下电流速度的准确值难以获取；另外，由于“伪波头”本身的幅度一般较小，准确获取其起点也存在一定的困难。本方法中选择的光信号的速度稳定、波头位置相对明显，因此本方法可以有效避免“伪波头”的干扰。

该雷击点定位方法可以对输电线路雷击情况进行实时、在线监测，有效提升输电线路系统的运行以及通信的可靠性，降低人力物力成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于输电线路OPGW中光信号偏振态的雷击故障定位方法，其特征在于：根据光传感分布式雷击故障定位系统中主机A和主机B监测到的光偏振态信号，计算两端偏振态突变信号之间的时间差，结合光信号的传播速度、OPGW线路长度，求出雷击点距离两侧变电站的距离L₁、L₂，实现OPGW上的雷击定位计算。

2.如权利要求1所述的基于输电线路OPGW中光信号偏振态的雷击故障定位方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：利用光传感分布式雷击故障定位系统中的设备采集光纤两端的偏振光信号偏转角变化量；

步骤2：对采集到的光信号偏转角变化量进行带通滤波、降噪处理，得到处理后的信号D1、D2；

步骤3：对上述处理后的信号D1、D2进行过阈值判断，得到过阈值时间T1、T2；

步骤4：分别计算两路降噪处理后信号D1、D2的导数的绝对值d1、d2；

步骤5：根据线路长度计算伪波头的最大持续时间ΔT_max；

式中，L为线路的总长度，在设备安装的时候可测得，单位为m；c为光在真空中的传播速度；n_eff为光纤的折射率；v_c为电流信号在OPGW中的传播速度；

步骤6：计算数据d1中[T1,T1+ΔT_max]范围内的最大峰值位置对应的时间t₁，计算数据d2中[T2,T2+ΔT_max]范围内的最大峰值位置对应的时间t₂；

步骤7：记录t₁、t₂，得到雷击故障点处偏振态变化信号的波头到达主机A、主机B的时间差；

Δt＝t₁-t₂ (2)

步骤8：根据步骤7计算的时间差，建立雷击点到OPGW两端主机A、B之间的距离L₁、L₂、线路总长度L之间的关系方法程：

即可计算雷击点到A、B两端之间的距离L₁、L₂：

3.如权利要求1所述的基于输电线路OPGW中光信号偏振态的雷击故障定位方法，其特征在于：步骤5中光纤的折射率典型值为1.4685，电流信号在OPGW中的传播速度v_c为2.9×10⁸m/s。