CN110631638A - 一种基于光纤传感的电力铁塔监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的电力铁塔监测系统，属于电力铁塔监测领域，首先介绍了光纤传感技术的工作原理，重点阐述了监控系统的组成、工作原理以及软硬件的设计。该系统实现了对电力铁塔的温湿度、覆冰拉力、导线温度及应变等测量数据的实时采集，数据可以通过光纤复合架空地线OPGW传输到一定范围的监控中心，也可以通过GPRS网络无线传输到远程监控中心。监控中心实时显示各参量并将数据保存。在数据出现异常时可以报警提示。可以使用一块嵌入式主控板监测多个电力铁塔状态。

Description

一种基于光纤传感的电力铁塔监测系统

技术领域

本发明属于电力铁塔监测领域，更具体地，涉及一种基于光纤传感的电力铁塔监测系统。

背景技术

在电网运行中，电力铁塔的运行状态是工作人员一直关心的问题，温湿度、覆冰拉力、导线温度及应变等是电力铁塔运行状态的重要参数。比如线路覆冰可能会导致电力铁塔倾斜甚至倒塌。而电力铁塔的倒塌会导致大面积停电，短时间难以恢复，损害了电力系统的安全可靠运行。测量中，电力铁塔状态的关键点不是一点，而是有多个，为了获得电力铁塔比较完整的信息，需要采用多布点准分布式的传感测量系统，因此，如何采用多布点准分布式的传感测量系统，获得电力铁塔比较完整的信息是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于光纤传感的电力铁塔监测系统，由此解决如何采用多布点准分布式的传感测量系统获得电力铁塔完整信息的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤传感的电力铁塔监测系统，包括：光源模块、光环形器、光开关、光纤分路器、光解调器、光纤传感器、主控模块以及处理显示模块；

其中，由所述光源模块发出的光，接入所述光环形器的第一端口，并从所述光环形器的第二端口输出，通过所述光开关的循环切换后，经过光纤复合架空地线到达各待测电力铁塔，以实现时分复用，在每座电力铁塔中，光经过各待测电力铁塔对应的所述光纤分路器分别连到不同的光纤传感器，经各光纤传感器反射后，依次经过所述光纤分路器、所述光开关、所述光环形器的第二端口及所述光环形器的第三端口进入所述光解调器解调为电信号，然后由所述主控模块对所述电信号进行采集处理得到初始数据，再将所述初始数据发送到所述处理显示模块进行处理后显示待测量的值。

优选地，所述系统还包括传输模块；

所述主控模块将所述初始数据通过所述传输模块发送到远程服务器，以使所述远程服务器进行处理后显示待测量的值，以实现远程监控。

优选地，在所述光开关的同一路输出中所对应的光纤传感器的反射中心波长带宽不能有重叠且存在间隔，以区分各光纤传感器的信号，光开关不同路之间对应的光纤传感器的反射中心波长带宽允许重复相同或有重叠。

优选地，所述光解调器的解调范围与所述光源模块的光信号带宽一致。

优选地，所述主控模块，用于在所述光开关切换到目标铁塔对应的光路时，读取所述光解调器解调出的波长信息，将所述目标铁塔的监测数据保存到数组中，并将所述监测数据填充为固定字节数。

优选地，所述光纤传感器包括：温湿度传感器、覆冰拉力传感器、导线温度传感器及应变传感器。

优选地，所述温湿度传感器及所述导线温度传感器已通过外部包封工艺消除了应力对其中心波长的影响，所述覆冰拉力传感器及所述应变传感器已通过外部包封工艺消除了温度对其中心波长的影响，以使得仅使用各传感器反射回的光波长值进行各待测量计算。

优选地，所述系统还包括报警模块；

所述报警模块，用于在各待测量的值超出各自对应的预设阈值时，发出报警信号，以提示相应传感器测得的数据值异常。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明的基于光纤传感的电力铁塔监测系统，实现了对电力铁塔温湿度、覆冰拉力、导线温度及应变等参量的采集和传输、显示及保存。同时一个主控模块可同时监测多个电力铁塔。大大提高了对电力铁塔的监测效率。本发明通过更换传感器类型可用于不同的环境，比如通讯铁塔、气象铁塔、发电厂及变电站等电子元件易受干扰而需要光纤传感的监控工作中。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种光纤布拉格光栅的工作原理图；

图2是本发明实施例提供的一种基于光纤传感的电力铁塔监测系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光开光模块的电路设计示意图；

图4是本发明实施例提供的一种OPM解调器的基本操作流程图；

图5是本发明实施例提供的一种嵌入式主控模块的程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

对于本发明实施例中研究的电力铁塔，通常需要同时检测其温湿度、覆冰拉力、导线温度及应变等几个参量才能判断其健康状态。而光纤传感器，特别是光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器正在现代生活中大量应用，与电子类传感器相比，光纤传感器不怕雷击、可靠性好、抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、耐腐蚀、可以远距离传输且能复用，非常适合环境恶劣的电力铁塔中。不同铁塔间可以通过光纤复合架空地线(OpticalPower Grounded Waveguide，OPGW)连接到一块，实现使用光纤远程监测多个铁塔、多参量的功能。

光纤布拉格光栅可以经过外部的结构设计来感知外界的传感信息，外界的温度、压力等变量的改变会引起光纤布拉格光栅中心波长的位移，通过检测这些变量的变化就可以实现对相应参量的检测，例如温湿度、覆冰拉力及导线温度的检测等。

光纤布拉格光栅是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件，其工作原理如图1所示，当宽带光在FBG中传输时，中心波长满足公式(1)的相位匹配条件的光将被反射回来，其余光透射，即：

λ_B＝2n_effΛ (1)

其中，n_eff为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。

反射光波矢的中心波长λ_B跟光栅纤芯的有效折射率n_eff及光栅周期Λ有关，当外界的被测量引起FBG所受的温度和应力改变时，将会引起纤芯的有效折射率和光栅周期的改变，进而导致反射光中心波长的变化。光纤布拉格光栅的中心波长移动量和温度与应变的关系如公式(2)所示：

其中，λ_B为中心波长；α_f为光纤材料的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数；p_e为光纤的有效弹光系数；ΔT为温度变化；Δε为应变变化，Δλ_B表示光纤布拉格光栅的中心波长移动量。

利用FBG做传感器时要对温度或应力进行补偿，以解决温度与应变的交叉敏感问题。如本发明实施例中的温湿度传感器、导线温度传感器要消除应力对FBG中心波长的影响，覆冰拉力传感器要消除温度对FBG中心波长的影响。

如图2所示，基于光纤传感的电力铁塔监测系统由以下部分组成：放大自发辐射ASE光源、光环形器、光开关、光纤分路器、光解调器(OPM)、温湿度传感器、覆冰拉力传感器、导线温度传感器、应变传感器、嵌入式主控模块以及上位机。

图2中以两座被监测电力铁塔为例进行说明。由ASE光源发出带宽为某一范围(比如1520～1620nm)的光，接入环形器的端口1，从环形器的端口2输出，通过光开关后，经过光纤复合架空地线(OPGW光缆)到达各待测电力铁塔处，通过光开关的切换实现时分复用(即同一时间只有一个电力铁塔的光信号返回，光开关将光源循环传到不同的电力铁塔)。其中每座电力铁塔中，光经过光纤分路器(本图以1分3为例)分别连到不同的传感器，经传感器反射依次经过光纤分路器、光开关、光环形器的端口2、端口3进入光解调器OPM解调为电信号，由嵌入式主控模块进行初步处理，再通过接口将初始数据发送到本地上位机显示，或通过GPRS等传输模块将原始数据发送到远程服务器，实现远程监控。对原始数据进行计算和显示是通过本地上位机或远程服务器来实现。

在本发明实施例中，ASE光源是整个监测系统的光信号发出端，发出宽带光经过OPGW和各种光器件传输到各个光纤传感器；

光环形器是一种实现光非可逆传输的器件，是对反向传输光进行引导，将其与正向传输光从空间上分离开来，并从另一端口输出。这一特性对实现本发明实施例中的监测系统具有重要作用；

光开关是能使光纤线路换接的器件，本发明实施例中的监测系统中用以实现不同线路与嵌入式主控模块之间的分时传输，实现一个嵌入式主控模块监控多个线路铁塔的功能，比如光开关1号输出端口接第一座铁塔，2号输出端口接第二座铁塔，以此类推；

光纤分路器用来实现某座铁塔或相近的铁塔上不同光纤传感器光信号的分配，起到方便布线、节约成本的功能。

覆冰拉力、导线温度、温湿度及应变等传感器为前端安装，也可以根据实际需求增加数量或增加其他类型的光纤传感器，但光开关的同一路输出中所对应的传感器反射中心波长带宽不能有重叠，并应有适当的间隔，以区分各传感信号，光开关不同路之间对应的光纤传感器的反射中心波长带宽允许重复相同或有重叠；

OPM解调器用来将光信号解调为电信号，其解调范围应该能包括所有光传感器的对应波长，也即与ASE光源的光信号带宽一致；

嵌入式主控模块用来进行电信号的初步处理，通过接口将初始数据发送到本地上位机显示，实现本地监测，或通过GPRS等传输模块将原始数据发送到远程服务器，实现远程监测；

在本发明实施例中，不限于本地监测和GPRS监测，也可采用其他方式显示，本发明实施例不做唯一性限定。

在本发明实施例中，在对系统进行供电上，因为本系统的各个模块供电电压不同，其应该包括单片机工作电源、运算放大器工作电源、OPM解调器工作电源、ASE光源工作电源及GPRS工作电源等不同的电源模块。

在本发明实施例中，光开关是为了实现光纤传感监测的时分复用，即在不同时间内将不同光路上的光信号进行传输。以下以1×4的光开关(25:25:25:25)为例，仅使用其中两路，分别对应两座电力铁塔。光开关的控制是通过微控制器和驱动芯片对其相应管脚控制来实现的。光开光模块的电路设计示意如下图3所示。

在图3中，微控制器通过74HC245芯片来控制光开关，通过对光开关的6个控制引脚来切换不同的光通路。

在本发明实施例中，也可采用其他驱动芯片或控制方式，本发明实施例不做唯一性限定。

OPM解调器的基本操作流程如图4所示。OPM解调器可以精确的监测出光的波长。使用简便，只需要通过读写操作就可以完成对波长的读取。

在本发明实施例中，嵌入式主控模块通过异步接收/发送装置和GPRS模块进行数据通信。

如图5所示，以两个监测铁塔为例对本发明实施例中的嵌入式主控模块的操作过程进行说明。

开始后，首先进行系统初始化，包括嵌入式主控模块的各模块等的初始化；如果初始化时发生错误则返回相应的错误提示；

控制光开关切换到1号铁塔对应的光路，然后读取OPM解调器解调出的波长信息，将1号铁塔的监测数据保存到一个数组中；

控制光开关切换到2号铁塔对应的光路，然后读取OPM解调器解调出的波长信息，将2号铁塔的监测数据保存到一个数组中；

为了方便后期扩容不同种类、不同数量的传感器，将波长信息进行整合，并将数据填充为固定字节数；本发明实施例中以51个字节为例进行示意；

最后通过GPRS模块将数据发送到远程服务器或本地上位机进行处理和显示。

本系统的基于光纤光栅技术的传感器在制作时已经通过对相应的温度或应力进行补偿，以消除温度和应力的交叉敏感问题，在嵌入式主控模块中仅进行光波长的获得和传输，不涉及到对具体待测量(如拉力、温度等)的运算，具体待测量的运算是通过本地上位机或远程上位机软件来实现。如此可以降低嵌入式主控模块的运算量。

在本发明实施例中，光纤光栅传感器同时对温度和应力敏感，利用FBG制作传感器时要对温度或应力进行补偿，以解决温度与应变的交叉敏感问题。在本发明实施例中的温湿度传感器及导线温度传感器要消除应力对其中心波长的影响；覆冰拉力传感器及应变传感器要消除温度对其中心波长的影响。

在本发明实施例中，上位机的实现功能可采用多种开发环境和编程语言进行编写，本发明实施例中采用微软基础类库(MFC)完成，基础类库提供了一种在Windows平台上编程的框架，该框架是一个编写高效更专业应用的强大工具，缩短了开发时间，增强了代码的可移植性，在不减少编程的自由和灵活性的情况下提供了更多的支持。该上位机对嵌入式主控模块通过GPRS发来的数据进行处理，通过各传感器的计算公式得出相应待测量的值(如覆冰拉力、温度及风速等)，同时将各参量保存到数据库中。并设置了报警阈值，当由于环境剧烈变化引起铁塔的各参量值超出预设值时，系统随之及时报警，提示相应传感器“数据值异常”。

本发明的基于光纤传感的电力铁塔监测系统，实现了对电力铁塔温湿度、覆冰拉力、导线温度及应变等参量的采集和传输、显示、保存。同时一个嵌入式主控模块可同时监测多个电力铁塔。大大提高了对电力铁塔的监测效率。本发明通过更换传感器类型可用于不同的环境，比如通讯铁塔、气象铁塔、发电厂及变电站等电子元件易受干扰而需要光纤传感的监控工作中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光纤传感的电力铁塔监测系统，其特征在于，包括：光源模块、光环形器、光开关、光纤分路器、光解调器、光纤传感器、主控模块以及处理显示模块；

其中，由所述光源模块发出的光，接入所述光环形器的第一端口，并从所述光环形器的第二端口输出，通过所述光开关的循环切换后，经过光纤复合架空地线到达各待测电力铁塔，以实现时分复用，在每座电力铁塔中，光经过各待测电力铁塔对应的所述光纤分路器分别连到不同的光纤传感器，经各光纤传感器反射后，依次经过所述光纤分路器、所述光开关、所述光环形器的第二端口及所述光环形器的第三端口进入所述光解调器解调为电信号，然后由所述主控模块对所述电信号进行采集处理得到初始数据，再将所述初始数据发送到所述处理显示模块进行处理后显示待测量的值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括传输模块；

所述主控模块将所述初始数据通过所述传输模块发送到远程服务器，以使所述远程服务器进行处理后显示待测量的值，以实现远程监控。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述光开关的同一路输出中所对应的光纤传感器的反射中心波长带宽不能有重叠且存在间隔，以区分各光纤传感器的信号，光开关不同路之间对应的光纤传感器的反射中心波长带宽允许重复相同或有重叠。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的系统，其特征在于，所述光解调器的解调范围与所述光源模块的光信号带宽一致。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述主控模块，用于在所述光开关切换到目标铁塔对应的光路时，读取所述光解调器解调出的波长信息，将所述目标铁塔的监测数据保存到数组中，并将所述监测数据填充为固定字节数。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光纤传感器包括：温湿度传感器、覆冰拉力传感器、导线温度传感器及应变传感器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述温湿度传感器及所述导线温度传感器已通过外部包封工艺消除了应力对其中心波长的影响，所述覆冰拉力传感器及所述应变传感器已通过外部包封工艺消除了温度对其中心波长的影响，以使得仅使用各传感器反射回的光波长值进行各待测量计算。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括报警模块；

所述报警模块，用于在各待测量的值超出各自对应的预设阈值时，发出报警信号，以提示相应传感器测得的数据值异常。

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