CN110702235A - 一种基于光纤传感网环境下的光缆线路温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤传感网环境下的光缆线路温度监测系统，实现对光缆线路温度或异常信息进行监测分析，它属于物联网技术的范畴。该系统主要包括基于传感子系统和数据采集处理子系统两部分，重点在于对传感子系统的研究。传感子系统基于光纤传感技术，利用光纤和光栅信息材料构成的传感器，通过一定数量的Bragg光栅将待测的信息进行传感。传感信号被数据采集处理子系统进行采集处理为能够进行传输的数字信号，同时，传感信号也被存入监测数据库。被处理后的信号进入数据管理子系统后由专家进行安全评定。本发明最后对光缆线路温度监测系统进行了仿真实验，证明该系统能够对光缆线路温度或异常信息进行监测分析，提高运行效率。

Description

一种基于光纤传感网环境下的光缆线路温度监测系统

技术领域

本发明涉及一种光纤传感网环境下的光缆线路温度监测技术，属于物联网技术领域。

背景技术

电力工业中的光缆线路大都处在强电磁场中，一般电学传感器无法使用.很多 情况下需要测量的地方处在高压中，如高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发 电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量，这些地方的测量需要传感器具有 很好的绝缘性能，体积要小、而且是无源器件，光纤光栅传感器是进行这些测量的 最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方，如荒山野岭、沙漠荒原、山 地中的传输电缆和中继变电站，使用准分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极 大地减少设备维护费用。因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好，使用 光纤光栅可以极大地减轻测量的阻碍。

目前，现有的各类光缆线路需要管理维护，拓扑结构比较复杂，运维任务困难、 繁重。在本世纪初出现了光通信网络的光缆监测系统，对于P2MP结构的接入网， 特别是电力系统的配电网络，由于靠近用户，环境复杂，动物、施工、水浸等原因， 再加上用户电源、设备等多种因素直接导致光缆线路监测网络传输中断。无法通过 关联告警来有效区分用户侧是光缆、光路、设备还是电力故障原因导致通讯中断产 生。因此监测传感网络的研究和实验迫在眉睫。

目前电缆，光纤网络类型主要通过网元链接，光缆成环率不高，通信维护人员 少，站点之间距离远。网络故障或异常时，传统的检测手段费时费力且定位不准确， 靠人工开挖、爬杆查找等手段，严重影响了工作效率。不仅如此，不及时的查找并 排除故障对电网安全运行构成严重威胁。

本发明首先研究了光纤网检测技术，并建立了包含传感子系统、数据采集处理 子系统的光缆线路温度监测系统，最后进行了仿真实验，对光缆线路温度或异常信 息进行监测分析，提高了运行效率，建设现代化、信息化、智能化电网做出贡献。

发明内容

本发明提供了一种光纤传感网环境下的光缆线路温度监测技术，以用于解决对光缆线路的温度异常监测、管理维护、运维任务困难的问题。

本发明的技术方案是：通过研究光纤传感温度检测技术，建立了基于光纤传感 网的光缆线路温度监测系统。该监测系统主要包括传感子系统、数据采集处理子系 统，重点在于对光缆温度信号的传感部分研究。传感子系统基于光纤传感技术，利 用光纤和光栅信息材料构成的传感器，通过一定数量的Bragg光栅将待测的信息进行 传感。传感信号被数据采集处理子系统进行采集处理为能够进行传输的数字信号， 同时，传感信号也被存入监测数据库。被处理后的信号进入数据管理子系统后由专 家进行安全评定。

所述方法的具体步骤如下：

A、对光纤传感温度检测技术进行研究。对于光纤折射率分布α＝2的梯度光纤， 如果只在平面内产生微弯，可以证明其损耗的确切表达式。假设光纤轴与坐标系z 轴重合，并且其微弯的曲率脉冲形状为高斯系列。由功率谱密度对曲率函数进行推 导，可以得到高斯型曲率函数引起的微弯损耗为：

式中，Δn为光纤相对折射率差，N为光纤总微弯数，A0、W0分别为平均曲率 脉冲峰值和宽度，d光纤芯径。

考虑纤和宿主结构之间的热膨胀系数失配将产生附加应变，引入表观热应变T 和新的表观温度敏感系数S，可以得到温度变化与波长变化的关系：

B、对光缆温度信号进行监测，传感光栅在粘贴于弹性元件时，当温度发生了ΔT的变化，光栅将温度的变化信息进行传感，此时传感的是模拟信号；

C、数据采集处理子系统对光栅传感的表示光缆温度的模拟信号进行处理，将模拟信号转化为数字信号，便于进行下一步的传输；

D、通过实时在线监测光纤收光功率，根据温度信息为依据，进行判断，当收光 功率变化超常时，将以不同级别输出告警信息；

E、按照通信系统管理系统统一格式建立各种统计报表模型，建立光缆各个光纤配线节点、光缆接头盒位置、光传输设备和业务相关通信方式记录，并进行编辑、 创建、查询、显示、打印等。

F、用光纤传感器对温度进行仿真，得到在不同的温度下用光纤传感器采集到的光谱。

本发明的工作原理是：

1、对光纤传感温度检测技术进行研究。对于光纤折射率分布α＝2的梯度光纤， 如果只在平面内产生微弯，可以证明其损耗的确切表达式。假设光纤轴与坐标系z 轴重合，并且其微弯的曲率脉冲形状为高斯系列。由功率谱密度对曲率函数进行推 导，可以得到高斯型曲率函数引起的微弯损耗为：

式中，Δn为光纤相对折射率差，N为光纤总微弯数，A0、W0分别为平均曲率 脉冲峰值和宽度，d光纤芯径。

在对测量对象的测量过程中，由于传感光栅在粘贴于弹性元件时参考温度为T0，若结构不受任何外部机械荷载的作用，但温度发生了ΔT的变化，由于光纤和宿主结 构之间的热膨胀系数失配将产生附加应变。这种热致轴向应力可表示为：

Δσ＝Y_F(α_H-α_Λ)ΔT (2)

式中，H是宿主结构的热膨胀系数。把轴向应力代入上式，得：

若把温度变化改写为有效应变的变化，则上式可改写为：

式中，T为引入的表观热应变：

若引入新的表观温度敏感系数S：

S_α≡S_T+S_ε(α_H-α_Λ) (6)

则上式可改写为：

因此，解决热表观应变最常用的方法是独立地检测温度。

2、对光缆温度信号进行监测，传感光栅在粘贴于弹性元件时，当温度发生了ΔT的变化，光栅将温度的变化信息进行传感。此时传感信号为模拟信号，通过信号处 理子系统处理为便于传输的数字信号后，再进行传输供专家分析。

3、对监测数据进行统计、分析，发现光缆的衰减分布趋势，捕捉光缆缺陷、故 障的征兆，做到提前检修。通过实时在线监测光纤收光功率，根据温度信息为依据， 进行判断，当收光功率变化超常时，将以不同级别输出告警信息。

4、按照通信系统管理系统统一格式建立各种统计报表模型，建立光缆各个光纤配线节点、光缆接头盒位置、光传输设备和业务相关通信方式记录，并进行编辑、 创建、查询、显示、打印等。

本发明的有益效果是：

1、在光缆线路温度出现不稳定波动变化时，传感光栅将光缆的温度异常及时进行传感、传输，体现出监测信号获取的时效性和准确性。

2、对监测数据进行统计、分析，发现光缆的衰减分布趋势，捕捉光缆缺陷、故 障的征兆，做到提前检修。高效管理光缆资源，提高运行分析、设备分析、光缆在 线检修、工程切改、光缆网优化调整等管理水平

附图说明

图1为本发明的光缆线路温度监测系统图；

图2、图3、图4分别为本发明实施例2中温度为0度、80度、100度时对传感 器子系统的仿真图。

具体实施方式

实施例1：如图2和图3所示，一种光纤传感网环境下的光缆线路温度监测技术， 其特征在于：通过研究光纤传感温度检测技术，建立了基于光纤传感网的光缆线路 温度监测系统。该监测系统主要包括传感子系统、数据采集处理子系统，重点在于 对光缆温度信号的传感部分研究。传感子系统基于光纤传感技术，利用光纤和光栅 信息材料构成的传感器，通过一定数量的Bragg光栅将待测的信息进行传感。传感信 号被数据采集处理子系统进行采集处理为能够进行传输的数字信号，同时，传感信 号也被存入监测数据库。被处理后的信号进入数据管理子系统后由专家进行安全评 定。

2、根据权利要求1所述的基于光纤传感网环境下的光缆线路温度监测系统，其 特征在于：所述方法的具体步骤如下：

A、对光纤传感温度检测技术进行研究。对于光纤折射率分布α＝2的梯度光纤， 如果只在平面内产生微弯，可以证明其损耗的确切表达式。假设光纤轴与坐标系z 轴重合，并且其微弯的曲率脉冲形状为高斯系列。由功率谱密度对曲率函数进行推 导，可以得到高斯型曲率函数引起的微弯损耗为：

式中，Δn为光纤相对折射率差，N为光纤总微弯数，A0、W0分别为平均曲率 脉冲峰值和宽度，d光纤芯径。

考虑纤和宿主结构之间的热膨胀系数失配将产生附加应变，引入表观热应变T 和新的表观温度敏感系数S，可以得到温度变化与波长变化的关系：

B、对光缆温度信号进行监测，传感光栅在粘贴于弹性元件时，当温度发生了ΔT的变化，光栅将温度的变化信息进行传感，此时传感的是模拟信号；

C、数据采集处理子系统对光栅传感的表示光缆温度的模拟信号进行处理，将模拟信号转化为数字信号，便于进行下一步的传输；

D、通过实时在线监测光纤收光功率，根据温度信息为依据，进行判断，当收光 功率变化超常时，将以不同级别输出告警信息；

E、按照通信系统管理系统统一格式建立各种统计报表模型，建立光缆各个光纤配线节点、光缆接头盒位置、光传输设备和业务相关通信方式记录，并进行编辑、 创建、查询、显示、打印等。

F、用光纤传感器对温度进行仿真，得到在不同的温度下用光纤传感器采集到的光谱。

实施例2：如图4所示，基于光纤传感网环境下的光缆线路温度监测系统，其特 征在于：通过研究光纤传感温度检测技术，建立了基于光纤传感网的光缆线路温度

2、根据权利要求1所述的一种光纤传感网环境下的光缆线路温度监测技术，其 特征在于：所述方法的具体步骤如下：

A、对光纤传感温度检测技术进行研究。对于光纤折射率分布α＝2的梯度光纤， 如果只在平面内产生微弯，可以证明其损耗的确切表达式。假设光纤轴与坐标系z 轴重合，并且其微弯的曲率脉冲形状为高斯系列。由功率谱密度对曲率函数进行推 导，可以得到高斯型曲率函数引起的微弯损耗为：

式中，Δn为光纤相对折射率差，N为光纤总微弯数，A0、W0分别为平均曲率 脉冲峰值和宽度，d光纤芯径。

考虑纤和宿主结构之间的热膨胀系数失配将产生附加应变，引入表观热应变T 和新的表观温度敏感系数S，可以得到温度变化与波长变化的关系：

B、对光缆温度信号进行监测，传感光栅在粘贴于弹性元件时，当温度发生了ΔT的变化，光栅将温度的变化信息进行传感，此时传感的是模拟信号；

C、数据采集处理子系统对光栅传感的表示光缆温度的模拟信号进行处理，将模拟信号转化为数字信号，便于进行下一步的传输；

D、通过实时在线监测光纤收光功率，根据温度信息为依据，进行判断，当收光 功率变化超常时，将以不同级别输出告警信息；

E、按照通信系统管理系统统一格式建立各种统计报表模型，建立光缆各个光纤配线节点、光缆接头盒位置、光传输设备和业务相关通信方式记录，并进行编辑、 创建、查询、显示、打印等。

F、用光纤传感器对温度进行仿真，得到在不同的温度下用光纤传感器采集到的光谱。

仿真结果表明：应用光栅传感器，在不同的温度条件下，不同温度会让传感器 采集到不同的反射，采集到的会在反射谱中显示出来，在温度为0度时，光栅反射 谱中显示出一条反射线，温度为20度时，光栅反射谱同样也是一条，只是波形更为 规整；温度为40度时，光栅反射谱中会出现两条线；温度为60度时，则会出现3 条不同的线；80度时出现4条；100度时出现5条，在不同的温度下，出现的线的 条数不同，大概呈现出的规律就是在20以后到100度，每增加20度时，在光栅反 射谱中就会多出一条线，以此根据光栅传感器采集到的光谱，即，线的条数来推断 此时温度处于什么范围以及温度大概是多少度，从而起到监控温度的作用。然后根 据对温度大数据的处理得到相关信息，最后结合实际即可实现对光缆安全评定管理。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明 宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.基于光纤传感网环境下的光缆线路温度监测系统，其特征在于：通过研究光纤传感温度检测技术，建立了基于光纤传感网的光缆线路温度监测系统。该监测系统主要包括传感子系统、数据采集处理子系统，重点在于对光缆温度信号的传感部分研究。传感子系统基于光纤传感技术，利用光纤和光栅信息材料构成的传感器，通过一定数量的Bragg光栅将待测的信息进行传感。传感信号被数据采集处理子系统进行采集处理为能够进行传输的数字信号，同时，传感信号也被存入监测数据库。被处理后的信号进入数据管理子系统后由专家进行安全评定。本发明最后对光缆线路温度监测系统进行了仿真实验，证明该系统能够对光缆线路温度或异常信息进行监测分析，提高运行效率。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感网环境下的光缆线路温度监测系统，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

A、对光纤传感温度检测技术进行研究。对于光纤折射率分布α＝2的梯度光纤，如果只在平面内产生微弯，可以证明其损耗的确切表达式。假设光纤轴与坐标系z轴重合，并且其微弯的曲率脉冲形状为高斯系列。由功率谱密度对曲率函数进行推导，可以得到高斯型曲率函数引起的微弯损耗为：

式中，Δn为光纤相对折射率差，N为光纤总微弯数，A0、W0分别为平均曲率脉冲峰值和宽度，d光纤芯径。

考虑纤和宿主结构之间的热膨胀系数失配将产生附加应变，引入表观热应变T和新的表观温度敏感系数S，可以得到温度变化与波长变化的关系：

B、对光缆温度信号进行监测，传感光栅在粘贴于弹性元件时，当温度发生了ΔT的变化，光栅将温度的变化信息进行传感，此时传感的是模拟信号；

C、数据采集处理子系统对光栅传感的表示光缆温度的模拟信号进行处理，将模拟信号转化为数字信号，便于进行下一步的传输；

D、通过实时在线监测光纤收光功率，根据温度信息为依据，进行判断，当收光功率变化超常时，将以不同级别输出告警信息；

E、按照通信系统管理系统统一格式建立各种统计报表模型，建立光缆各个光纤配线节点、光缆接头盒位置、光传输设备和业务相关通信方式记录，并进行编辑、创建、查询、显示、打印等。

F、用光纤传感器对温度进行仿真，得到在不同的温度下用光纤传感器采集到的光谱。

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