CN110441651A - 一种基于opgw的输电线路状态检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于OPGW的输电线路状态检测方法和系统，将BOTDA系统中探测光的传输视作信息在信道中的传递过程，将受激布里渊作用对探测光的影响看作对信道的损伤并加以监测，通过OFDM信道估计技术即可实现信道响应提取，从而重构布里渊谱，这一方案不仅避免了频率扫描操作，大大提升测量效率，有利于在动态场景中的应用，而且能够同时测量布里渊增益谱和相位谱，实现更加稳定可靠的传感系统。

Description

一种基于OPGW的输电线路状态检测方法和系统

技术领域

本发明涉及输电线路监控领域，尤其涉及一种基于OPGW的输电线路状态检测方法和系统。

背景技术

作为电力传输通道的110kV以上的高压输电线路也日益增多。在通信网络构建上，随着光纤复合架空地线(OPGW)在高压输电线路上大规模使用，沿输电线路采用基于OPGW的光纤通信技术成为可能，如今，利用输电线路中已布设的OPGW，应用分布式光纤传感技术监测输电线路的运营状态成为行业的常用手段。由于高压输电线路多采用架空线路，不但要承载自身重量的机械力作用，同时还受到恶劣气候导致的风力、冰雪的影响，运行条件恶劣。特别是在冬季，覆冰的导线再加上风偏舞动的影响会损坏杆塔金具和绝缘子，严重时甚至会引起电力系统故障，引发重大社会影响。电力系统输电线路日常巡视是有效保证输电线路及其设备安全的一个重要环节。

如今，分布式光纤传感系统广泛应用于电力系统，在一定程度上能够为输电线路运行维护人员提供线路的状态信息，其存在以下问题：

(1)状态监测系统受限于其监测目标，监测手段和监测对象有限，利用率不高，经济效益较低，应用范围很有限；

(2)由于使用分布式光纤传感技术会使用到布里渊光时域分析技术(BrillouinOptical Time-Domain Analysis，BOTDA)，传统的BOTDA普遍采用逐点扫描的探测方式，通过扫描泵浦光或探测光频率来重构布里渊增益谱，进而确定布里渊频移沿光纤的分布，并且需要大量平均操作来提高信噪比，测量非常耗时，这在根本上限制了系统测量效率。

因此，为解决上述问题，本发明提供一种基于OPGW的输电线路状态检测方法和系统，可以全面监测环境对输电线路的影响，并确定由环境因素造成的电力故障位置，提高输电线路运行维护人员的工作效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于OPGW的输电线路状态检测方法和系统，可以全面监测环境对输电线路的影响，并确定由环境因素造成的电力故障位置，提高输电线路运行维护人员的工作效率。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于OPGW的输电线路状态检测系统，其包括OPGW光缆，脉冲光源，以及通过OPGW光缆连通的光监控主机A和光监控主机B，还包括对脉冲光源进行OFDM信道编码的OFDM信道编码器；

OFDM信道编码器输出OFDM信号；

脉冲光源的输出端通过OFDM信道编码器与OPGW光缆的一端电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，OFDM信道编码器采用伪随机信号进行BPSK星座映射，通过厄密共轭操作，得到用于强度调制的OFDM信号。

进一步优选的，OFDM信号的帧结构包括多个循环前缀CP和时隙TS1～TSn；

帧结构的第一个字段为循环前缀CP，第二字段为TS1，第三个字段为循环前缀CP，依次类推。

进一步优选的，OFDM信号的带宽为500MHz，子载波数目128～512。

在以上技术方案的基础上，优选的，光监控主机A包括第一检偏器、第一滤波器、第一数据采集卡和第一处理器；

光监控主机B包括第二检偏器、第二滤波器、第二数据采集卡和第二处理器；

OPGW光缆一端上的光信号通过第一检偏器与第一处理器电性连接，OPGW光缆上的电流信号通过第一滤波器与第一数据采集卡电性连接，第一数据采集卡的输出端与第一处理器电性连接，OPGW光缆另一端上的光信号通过第二检偏器与第二处理器电性连接，OPGW光缆上的电流信号通过第二滤波器与第二数据采集卡电性连接，第二数据采集卡的输出端与第二处理器电性连接。

另一方面，本发明提供一种基于OPGW的输电线路状态检测方法，包括以下步骤：

S1、以OPGW光缆内部光纤作为传感器，OPGW光缆两端架设光监控主机，光监控主机包括检偏器、滤波器和数据采集卡，将经过OPGW信道编码后的光信号输入OPGW光缆中；

S2、若OPGW光缆发生雷击，在雷击点处产生向两端传播的雷电流，雷电流改变OPGW光缆中光信号的偏振态，通过位置固定的检偏器检测光强变化，根据光强变化判断光偏振态信号突变；

S3、由OPGW光缆两端滤波器对雷电流进行滤波处理，并由OPGW光缆两端的数据采集卡采集雷电流，并记录两端雷电流到达的时间，根据双端测距算法确定雷击位置；

S4、由OPGW光缆两端的光监控主机接收经过OPGW信道编码后的光信号并进行解调，提取信道响应，获取采样信号的增益谱和相位谱，布里渊相位谱与布里渊频移成线性关系，通过线性拟合即可得到布里渊频移，根据布里渊频移的计算公式，得出OPGW光缆的纤芯折射率，通过纤芯折射率判断风害等级；

S5、实时监测OPGW光缆的温度，根据布里渊频移与光纤温度和应变的线性变化关系式得出OPGW光缆的温度变化，进而得知脱冰时的温度和时间。

进一步优选的，S3中双端测距算法为：和

式中，L为OPGW光缆两端的长度，t₁为雷电流到达OPGW光缆一端的时间，t₂为雷电流到达OPGW光缆另一端的时间，v为光纤中的声波速度。

进一步优选的，S4中布里渊频移的计算公式为：

式中，f_B为布里渊频移，n为光纤的纤芯折射率，λ_c为光信号在真空中的波长，v为光纤中的声波速度。

进一步优选的，S5中布里渊频移与光纤温度和应变的线性变化关系式为：

f_B＝f₀+C_T(T-T₀)+C_ε(ε-ε₀)；

式中，f_B、T、ε、T₀、ε₀和f₀分别为布里渊频移、光纤温度、光纤应变、光纤初始温度、光纤初始应变和初始频移；C_T为布里渊频移的温度参数；C_ε为布里渊频移的应变参数。

本发明的一种基于OPGW的输电线路状态检测方法和系统相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)将BOTDA系统中探测光的传输视作信息在信道中的传递过程，将受激布里渊作用对探测光的影响看作对信道的损伤并加以监测，通过OFDM信道估计技术即可实现信道响应提取，从而重构布里渊谱，这一方案不仅避免了频率扫描操作，大大提升测量效率，有利于在动态场景中的应用，而且能够同时测量布里渊增益谱和相位谱，实现更加稳定可靠的传感系统；

(2)传统的布里渊频移(BGS)获取方法为：光信号从光纤的一端输入后，在同一端测量后向返回的自发布里渊散射光，通过将后向自发布里渊散射光与一个频率较为接近的参考光进行差频相干，测量频率较低的拍频信号来得到布里渊频移，传统的BGS提取往往是通过对BGS进行非线性拟合得到，具有较高的计算复杂度；本发明通过解析OFDM信号，可以获取采样信号的增益谱和相位谱，而布里渊相位谱在布里渊频移附近近似线性关系，可以通过简单的线性拟合即可得到BFS，进而可以降低计算的复杂度；

(3)可以确定雷击位置，检测风害等级和覆冰情况。

附图说明

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

图1为本发明一种基于OPGW的输电线路状态检测系统的结构图；

图2为散射光频谱图；

图3为本发明一种基于OPGW的输电线路状态检测系统的架构图；

图4为本发明一种基于OPGW的输电线路状态检测方法的流程图。

具体实施方式

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

如图1所示，本发明的一种基于OPGW的输电线路状态检测系统，其包括OPGW光缆，脉冲光源，通过OPGW光缆连通的光监控主机A和光监控主机B，以及对脉冲光源进行OFDM信道编码的OFDM信道编码器。脉冲光源的输出端通过OFDM信道编码器与OPGW光缆的一端电性连接。

如图2所示，由于光在光纤中传播时在传播的反方向会产生散射光，其背向散射光包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。在频谱上，拉曼散射光离瑞利散射光较远，便于对信号的进行提取，可以大大降低设备的复杂度，从而降低成本，但是拉曼散射光功率小，无法进行长距离传感，并且拉曼散射光只对温度敏感，因此只能用来温度单参量的短距离检测。布里渊散射光功率比拉曼散射大得多，因此可以进行长距离传感，并且布里渊散射光同时对温度和应变敏感，因此可以进行双参量的测量。因此，本实施例选用布里渊散射光测量温度和应变。因此，需要对布里渊散射光进行时域分析，传统的布里渊光时域分析仪技术(Brillouin Optical Time-Domain Analysis，BOTDA)普遍采用逐点扫描的探测方式，通过扫描泵浦光或探测光频率来重构布里渊增益谱，进而确定布里渊频移沿光纤的分布，并且需要大量平均操作来提高信噪比，测量非常耗时，这在根本上限制了系统测量效率，而且也从根本上阻碍了其进一步发展，也是由于同样的原因，传统的系统设计思路都难以获得布里渊散射谱的全部信息。而在通信系统中，信道估计算法能够获得信道的全部信息，如果将这种实现方式和分析手段引入到BOTDA系统，则能够实现布里渊复谱的全部信息的测量，同时还将大大提高测量的效率。然而，一方面，考虑到通信系统中的信道估计算法不具备时空分辨的能力，而BOTDA系统是一种分布式定位系统，要求具有空间分辨的能力；另一方面，针对BOTDA系统中布里渊散射谱的特点，需要选择合适的信道估计编码方式和解调算法。基于这两点，并结合目前通信前沿的调制/编解码与传输技术，采用基于OFDM信号调制的信道估计技术。因此，本实施例将BOTDA系统中探测光的传输视作信息在信道中的传递过程，将受激布里渊作用对探测光的影响看作对信道的损伤并加以监测，通过OFDM信道估计技术即可实现信道响应提取，从而重构布里渊谱，这一方案不仅避免了频率扫描操作，大大提升测量效率，有利于在动态场景中的应用，而且能够同时测量布里渊增益谱和相位谱，实现更加稳定可靠的传感系统，又由于布里渊相位谱在布里渊频移(BFS)附近近似线性关系，可以通过简单的线性拟合即可得到BFS，进而可以降低计算的复杂度。本实施例的具体实施方案如下：

脉冲光源产生脉冲光，脉冲光经OFDM信道编码器调制成OFDM信号，在本实施例中，OFDM信号的帧结构包括多个循环前缀CP和时隙TS1～TSn；帧结构的第一个字段为循环前缀CP，第二字段为TS1，第三个字段为循环前缀CP，依次类推。CP的作用是消除符号干扰(ISI)和信道间干扰(ICI)；TS2负责进行信道监测，为了实现更高的空间分辨能力并方便解调，每一个TS2只包含一个符号，因此，脉冲光被有序重复排列的OFDM信号帧所调制，每一个帧都可以用于信道估计，在与脉冲泵浦光发生受激布里渊作用之后，信号帧将携带布里渊谱的信息；为了实现空间分辨能力和准确定位，我们给编码信号加上了用于定时同步的训练序列TS1，从而能够准确的找到编码信道的起始位置并与光纤的空间位置对应起来。在OFDM帧设计上，采用伪随机信号(PRBS)进行BPSK星座映射，通过厄密共轭操作，便可以得到用于强度调制的OFDM信号。伪随机信号的低相关性可以降低信号的PAPR，而BPSK的星座映射可以提升系统对噪声的容忍度，通过共轭操作最终得到的实值信号，可以实现强度调制和直接探测(IM/DD)，与相干系统相比，其仅需一个激光器和探测器即可实现而且信道估计算法较为简单，降低系统复杂度的同时提高了稳定性。进一步优选的，从频谱精度、测量动态范围等方面考虑，拟设计OFDM信号带宽为500MHz、子载波数目128-512，既满足了布里渊传感的需要，又不增加系统对器件的要求以及算法复杂度。

在本实施例中，以OPGW光缆内部光纤作为传感器，光监控主机A和光监控主机B放置在变电站机房，与OPGW光缆内部一芯备用纤相连，无需额外在线路上安装传感器，即可实现整条线路多个状态监测。光监控主机A和光监控主机B通过OPGW光缆连通，两者结构相同，因此在此只介绍光监控主机A。在本实施例中，如图1和图3所示，光监控主机A包括第一检偏器、第一滤波器、第一数据采集卡和第一处理器，光监控主机B包括第二检偏器、第二滤波器、第二数据采集卡和第二处理器；其中，OPGW光缆一端上的光信号通过第一检偏器与第一处理器电性连接，OPGW光缆上的电流信号通过第一滤波器与第一数据采集卡电性连接，第一数据采集卡的输出端与第一处理器电性连接，OPGW光缆另一端上的光信号通过第二检偏器与第二处理器电性连接，OPGW光缆上的电流信号通过第二滤波器与第二数据采集卡电性连接，第二数据采集卡的输出端与第二处理器电性连接。

进一步优选的，第一处理器或第二处理器对接收的信号进行解调，提取信道响应，获取采样信号的增益谱和相位谱，而布里渊相位谱在布里渊频移(BFS)附近近似线性关系，这表明可以通过简单的线性拟合即可得到BFS，进而可以降低计算的复杂度。

本实施例的检测雷击与闪络故障定位的原理是：当雷击中OPGW光缆时，瞬时电流高达数十至数百千安；光监控主机A和光监控主机B通过探测OPGW沿线光纤背向布里渊散射光偏振态的变化，实现雷击准确定位。若OPGW光缆发生雷击，在雷击点处产生向两端传播的雷电流，雷击电流产生的强磁场、强电场会使OPGW光缆内部传输光的偏振态发生变化，通过位置固定的第一检偏器或第二检偏器检测光强变化，根据光强变化判断光偏振态信号突变，当第一检偏器或第二检偏器检测到光强变化时，判定OPGW光缆发生雷击。雷电流在OPGW光缆正反两个方向传播，第一滤波器和第二滤波器对雷电流进行滤波处理后，由OPGW光缆两端的第一数据采集卡和第二数据采集卡采集雷电流，并记录两端雷电流到达的时间，第一处理器或者第二处理器根据双端测距算法确定雷击位置；其中，双端测距算法为：和式中，L为OPGW光缆两端的长度，t₁为雷电流到达OPGW光缆一端的时间，t₂为雷电流到达OPGW光缆另一端的时间，v为光纤中的声波速度，L、t₁、t₂和v均属于已知量，通过上述原理，可确定雷击点的位置。

本实施例在线监测分布式风害的原理是：风激励会导致OPGW内部光纤的折射率发生改变，不同等级的风对内部光折射率影响存在差别，通过监测内部光纤光折射率可实现不同等级风对缆线影响的监测。在本实施例中，根据布里渊相位谱与布里渊频移(BFS)近似线性关系得到布里渊频移(BFS)，根据布里渊频移的计算公式，得出OPGW光缆的纤芯折射率，通过纤芯折射率判断风害等级，其中，布里渊频移的计算公式为：式中，f_B为布里渊频移，n光纤的纤芯折射率，λ_c为光信号在真空中的波长，v为光纤中的声波速度，f_B由第一处理器或者第二处理器得出，f_B、λ_c和v均是已知条件，通过布里渊频移的计算公式可以得出纤芯折射率n的值，进而得知风害等级。

本实施例在线监测分布式覆冰融冰的原理是：温度为基础测量参量，在融冰时可准确测量过程温度，此外，融冰过程覆冰逐渐脱落，当覆冰脱落后，在感应电流作用下OPGW缆线温度会迅速升高，通过监测脱冰实时温度，可掌握融冰过程中各覆冰段融冰时间。实时监测OPGW光缆的温度，根据布里渊频移与光纤温度和应变的线性变化关系式得出OPGW光缆的温度变化，进而得知脱冰时的温度和时间。其中，布里渊频移与光纤温度和应变的线性变化关系式为：f_B＝f₀+C_T(T-T₀)+C_ε(ε-ε₀)；式中，f_B、T、ε、T₀、ε₀和f₀分别为布里渊频移、光纤温度、光纤应变、光纤初始温度、光纤初始应变和初始频移；C_T为布里渊频移的温度参数；C_ε为布里渊频移的应变参数。

实施例二、

在实施例一的基础上，本实施例提供一种基于OPGW的输电线路状态检测方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1、以OPGW光缆内部光纤作为传感器，OPGW光缆两端架设光监控主机，光监控主机包括检偏器、滤波器和数据采集卡，将经过OPGW信道编码后的光信号输入OPGW光缆中；

S2、若OPGW光缆发生雷击，在雷击点处产生向两端传播的雷电流，雷电流改变OPGW光缆中光信号的偏振态，通过位置固定的检偏器检测光强变化，根据光强变化判断光偏振态信号突变；

S3、由OPGW光缆两端滤波器对雷电流进行滤波处理，并由OPGW光缆两端的数据采集卡采集雷电流，并记录两端雷电流到达的时间，根据双端测距算法确定雷击位置；

S4、由OPGW光缆两端的光监控主机接收经过OPGW信道编码后的光信号并进行解调，提取信道响应，获取采样信号的增益谱和相位谱，布里渊相位谱与布里渊频移成线性关系，通过线性拟合即可得到布里渊频移(BFS)，根据布里渊频移的计算公式，得出OPGW光缆的纤芯折射率，通过纤芯折射率判断风害等级；

S5、实时监测OPGW光缆的温度，根据布里渊频移与光纤温度和应变的线性变化关系式得出OPGW光缆的温度变化，进而得知脱冰时的温度和时间。

进一步优选的，S3中双端测距算法为：和

式中，L为OPGW光缆两端的长度，t₁为雷电流到达OPGW光缆一端的时间，t₂为雷电流到达OPGW光缆另一端的时间，v为光纤中的声波速度。

进一步优选的，S4中布里渊频移的计算公式为：

式中，f_B为布里渊频移，n光纤的纤芯折射率，λ_c为光信号在真空中的波长，v为光纤中的声波速度。

进一步优选的，S5中布里渊频移与光纤温度和应变的线性变化关系式为：

f_B＝f₀+C_T(T-T₀)+C_ε(ε-ε₀)；

式中，f_B、T、ε、T₀、ε₀和f₀分别为布里渊频移、光纤温度、光纤应变、光纤初始温度、光纤初始应变和初始频移；C_T为布里渊频移的温度参数；C_ε为布里渊频移的应变参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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 (9)

1.一种基于OPGW的输电线路状态检测系统，其包括OPGW光缆，脉冲光源，以及通过OPGW光缆连通的光监控主机A和光监控主机B，其特征在于：还包括对脉冲光源进行OFDM信道编码的OFDM信道编码器；

所述OFDM信道编码器输出OFDM信号；

所述脉冲光源的输出端通过OFDM信道编码器与OPGW光缆的一端电性连接。

2.如权利要求1所述的一种基于OPGW的输电线路状态检测系统，其特征在于：所述OFDM信道编码器采用伪随机信号进行BPSK星座映射，通过厄密共轭操作，得到用于强度调制的OFDM信号。

3.如权利要求2所述的一种基于OPGW的输电线路状态检测系统，其特征在于：OFDM信号的帧结构包括多个循环前缀CP和时隙TS1～TSn；

所述帧结构的第一个字段为循环前缀CP，第二字段为TS1，第三个字段为循环前缀CP，依次类推。

4.如权利要求3所述的一种基于OPGW的输电线路状态检测系统，其特征在于：所述OFDM信号的带宽为500MHz，子载波数目128～512。

5.如权利要求1所述的一种基于OPGW的输电线路状态检测系统，其特征在于：所述光监控主机A包括第一检偏器、第一滤波器、第一数据采集卡和第一处理器；

所述光监控主机B包括第二检偏器、第二滤波器、第二数据采集卡和第二处理器；

所述OPGW光缆一端上的光信号通过第一检偏器与第一处理器电性连接，OPGW光缆上的电流信号通过第一滤波器与第一数据采集卡电性连接，第一数据采集卡的输出端与第一处理器电性连接，OPGW光缆另一端上的光信号通过第二检偏器与第二处理器电性连接，OPGW光缆上的电流信号通过第二滤波器与第二数据采集卡电性连接，第二数据采集卡的输出端与第二处理器电性连接。

6.一种基于OPGW的输电线路状态检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、以OPGW光缆内部光纤作为传感器，OPGW光缆两端架设光监控主机，光监控主机包括检偏器、滤波器和数据采集卡，将经过OPGW信道编码后的光信号输入OPGW光缆中；

S2、若OPGW光缆发生雷击，在雷击点处产生向两端传播的雷电流，雷电流改变OPGW光缆中光信号的偏振态，通过位置固定的检偏器检测光强变化，根据光强变化判断光偏振态信号突变；

S3、由OPGW光缆两端滤波器对雷电流进行滤波处理，并由OPGW光缆两端的数据采集卡采集雷电流，并记录两端雷电流到达的时间，根据双端测距算法确定雷击位置；

S4、由OPGW光缆两端的光监控主机接收经过OPGW信道编码后的光信号并进行解调，提取信道响应，获取采样信号的增益谱和相位谱，布里渊相位谱与布里渊频移成线性关系，通过线性拟合即可得到布里渊频移，根据布里渊频移的计算公式，得出OPGW光缆的纤芯折射率，通过纤芯折射率判断风害等级；

S5、实时监测OPGW光缆的温度，根据布里渊频移与光纤温度和应变的线性变化关系式得出OPGW光缆的温度变化，进而得知脱冰时的温度和时间。

7.如权利要求6所述的一种基于OPGW的输电线路状态检测方法，其特征在于：所述S3中双端测距算法为：和

式中，L为OPGW光缆两端的长度，t₁为雷电流到达OPGW光缆一端的时间，t₂为雷电流到达OPGW光缆另一端的时间，v为光纤中的声波速度。

8.如权利要求6所述的一种基于OPGW的输电线路状态检测方法，其特征在于：所述S4中布里渊频移的计算公式为：

式中，f_B为布里渊频移，n光纤的纤芯折射率，λ_c为光信号在真空中的波长，v为光纤中的声波速度。

9.如权利要求6所述的一种基于OPGW的输电线路状态检测方法，其特征在于：所述S5中布里渊频移与光纤温度和应变的线性变化关系式为：

f_B＝f₀+C_T(T-T₀)+C_ε(ε-ε₀)；

式中，f_B、T、ε、T₀、ε₀和f₀分别为布里渊频移、光纤温度、光纤应变、光纤初始温度、光纤初始应变和初始频移；C_T为布里渊频移的温度参数；C_ε为布里渊频移的应变参数。