一种分布式光纤传感装置
技术领域
本发明涉及架空输电线路监测技术领域,特别是涉及一种分布式光纤传感装置。
背景技术
目前常用的架空输电线路在线监测手段架构如图3所示,其在杆塔端采用成熟的电子式传感器作为数据收集装置,进行杆塔段运行信息的实时收集,例如摄像机、红外相机、紫外相机、微气象装置、故障录波装置以及行波测距装置等。这些装置技术成熟,在各行各业都有了广泛应用,在电子式在线监测装置收集到相关运行信息后,通过无线通信装置将信息无线传输到远程控制中心,并通过相关可视化技术实现在线监测数据的可视化展示,此外,考虑到电子式在线监测装置架设在杆塔端,不能直接采用高压输电线路传输的电能进行在线监测装置的供能,需要配套安装低压供能电源对监测装置进行供能。常用的手段包括蓄电池、太阳能电池以及感应取能几种手段,其中,感应取能的原理为采用耦合线圈,根据电磁感应原理从架空输电线路中获得感应电动势。
根据图3,目前采用的电子式在线监测装置主要分为供能电源、在线监测装置与无线通信装置三个部分,其中各个部分均具有一定缺点:
(1)供电可靠性低,蓄电池受到电池容量大小的制约,无法保证在线监测装置的长期可靠供能;太阳能电池受到环境的影响较大,供给的电能质量不稳定;感应取电装置直接从高压输电线路上提取电能,供电安全性较低。
(2)通信稳定性差,架空输电线路运行区段较为复杂,所处的地形变化多样,在山区等偏远区段的通讯受到公网信号以及高压强电磁场环境干扰的制约,无法保证数据的可靠传输。
(3)电子式在线监测装置的覆盖范围太小,仅可实现对安装杆塔端附近的数据进行检测,且一种电子式在线监测装置仅能测量一种状态量,要实现多物理量的全线路监测,成本过于高昂。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式光纤传感装置,能够实现对架空输电线路多物理量的全线路监测。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种分布式光纤传感装置,所述传感装置包括:光源模块以及设置于待监测线路两端的第一光波导测量终端和第二光波导测量终端,所述待监测线路上至少设置有两根光纤,所述光源模块和所述第一光波导测量终端连接;
所述第一光波导测量终端包括:多物理量测量模块和起偏器;所述第二光波导测量终端包括:检偏器;
所述起偏器与所述待监测线路第一光纤一端连接,所述检偏器与所述第一光纤另一端连接,所述起偏器将所述光源模块产生的光源转换为线偏振光,所述线偏振光经所述第一光纤传输至所述检偏器,所述检偏器用于对传输过来的线偏振光进行检偏得到偏转角;
所述多物理量测量模块包括:光源调制模块、环形器、波分复用器、解耦模块和上位机;
所述光源调制模块用于将所述光源模块产生的连续光源调制成脉冲光,并将所述脉冲光传输至所述环形器的第一端口,所述脉冲光由所述环形器的第二端口入射到第二光纤,所述脉冲光在所述第二光纤中产生的瑞利散射光和布里渊散射光返回到所述环形器的第二端口,并由所述环形器的第三端口射出至所述波分复用器;所述波分复用器用于将输入的所述瑞利散射光和所述布里渊散射光复合成一路目标光输出至所述解耦模块,所述解耦模块用于对所述目标光进行解耦,并提取设定波长下散射光的信息,并将提取的信息发送至所述上位机,所述上位机根据所述提取的信息得到所述第二光纤沿线的温度、应变和振动数据。
可选的,所述光源调制模块包括:第一耦合器、声光调制器、布里渊激光调制器、第一光纤放大器、第二光纤放大器、滤波器、扰偏器和第二耦合器;
所述光源模块和所述第一耦合器连接,所述第一耦合器用于将所述光源模块产生的光源按照设定比例调制为瑞利散射和布里渊散射,所述第一耦合器分别与所述声光调制器和所述布里渊激光调制器连接;
所述声光调制器用于将连续所述瑞利散射调制成脉冲瑞利散射,并将所述脉冲瑞利散射发送至所述第一光纤放大器,所述第一光纤放大器用于将所述脉冲瑞利散射进行能量的放大,并将放大后的脉冲瑞利散射发送至所述滤波器,所述滤波器用于对所述放大后的脉冲瑞利散射进行滤波,并将滤波后的脉冲瑞利散射发送至所述第二耦合器;
所述布里渊激光调制器用于将连续所述布里渊散射调制成脉冲布里渊散射,并将所述脉冲布里渊散射发送至所述第二光纤放大器,所述第二光纤放大器用于将所述脉冲布里渊散射进行能量的放大,并将放大后的脉冲布里渊散射发送至所述扰偏器,所述扰偏器用于将所述放大后的脉冲布里渊散射进行偏振,并将偏振后的脉冲布里渊散射发送至所述第二耦合器;
所述第二耦合器用于将滤波后的脉冲瑞利散射和偏振后的脉冲布里渊散射合并成一路传输至所述环形器的第一端口。
可选的,所述多物理量测量模块还包括:调制器驱动电路,所述调制器驱动电路输入端和所述上位机连接,所述调制器驱动电路输出端分别与所述声光调制器和所述布里渊激光调制器连接,所述上位机利用所述调制器驱动电路控制所述声光调制器和所述布里渊激光调制器的频率值和幅度值。
可选的,所述多物理量测量模块还包括:第三光纤放大器;
所述第三光纤放大器分别与所述波分复用器和所述解耦模块连接,所述第三光纤放大器用于将所述目标光进行能量放大,并将放大后的目标光传输至所述解耦模块中。
可选的,所述多物理量测量模块还包括:A/D转换器和数据采集模块;
所述A/D转换器和所述解耦模块连接,用于将提取的模拟信息转换成数字信息,并将所述数字信息发送至所述数据采集模块,所述数据采用模块用于将采集到的数字信息发送至所述上位机。
可选的,所述设定比例为9:1。
可选的,所述待监测线路两端分别设置有第一变电站和第二变电站,所述第一光波导测量终端设置于所述第一变电站内,所述第一变电站内的电源为所述第一光波导测量终端供电;所述第二光波导测量终端设置于所述第二变电站内,所述第二变电站内的电源为所述第二光波导测量终端供电。
可选的,所述第一变电站内设置有第一光缆接续盒,所述第二变电站内设置有第二光缆接续盒;
所述起偏器通过所述第一光缆接续盒与所述第一光纤一端连接,所述检偏器通过所述第二光缆接续盒与所述第一光纤另一端连接;
所述环形器第二端口通过所述第一光缆接续盒与所述第二光纤连接。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供一种分布式光纤传感装置,包括:光源模块以及设置于待监测线路两端的第一光波导测量终端和第二光波导测量终端,待监测线路上至少设置有两根光纤,光源模块和第一光波导测量终端连接;第一光波导测量终端包括:多物理量测量模块和起偏器;第二光波导测量终端包括:检偏器;起偏器将光源模产生的光源转换为线偏振光,线偏振光经第一光纤传输至检偏器,检偏器用于对传输过来的线偏振光进行检偏得到偏转角;利用所述多物理量测量模块获取第二光纤沿线的温度、应变和振动数据,实现对线路的状态监测,通过本发明的上述装置能够实现对线路全线的状态量监测。
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性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种分布式光纤传感装置的整体架构示意图;
图2为本发明实施例多物理量测量模块的结构示意图;
图3为现有架空输电在线监测手段架构示意图。
符号说明:
1、光源模块,2、第一光波导测量终端,21、多物理量测量模块,201、光源调制模块,211、第一耦合器,212、声光调制器,213、布里渊激光调制器,214、第一光纤放大器,215、第二光纤放大器,216、滤波器,217、扰偏器,218、第二耦合器,202、环形器,203、波分复用器,204、解耦模块,205、上位机,206、调制器驱动电路,207、第三光纤放大器,208、A/D转换器,209、数据采集模块,22、起偏器,3、第二光波导测量终端,31、检偏器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种分布式光纤传感装置,能够实现对架空输电线路多物理量的全线路监测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种分布式光纤传感装置的整体架构示意图,图2为本发明实施例多物理量测量模块的结构示意图,如图1-图2所示,一种分布式光纤传感装置,所述传感装置包括:光源模块1以及设置于待监测线路两端的第一光波导测量终端2和第二光波导测量终端3,所述待监测线路上至少设置有两根光纤,所述光源模块1和所述第一光波导测量终端2连接;
所述第一光波导测量终端2包括:多物理量测量模块21和起偏器22;所述第二光波导测量终端3包括:检偏器31;
所述起偏器22与所述待监测线路第一光纤一端连接,所述检偏器31与所述第一光纤另一端连接,所述起偏器22将所述光源模块1产生的光源转换为线偏振光,所述线偏振光经所述第一光纤传输至所述检偏器31,所述检偏器31用于对传输过来的线偏振光进行检偏得到偏转角。
具体的,根据偏转角大小的不同实现对雷击的故障定位。
所述多物理量测量模块21包括:光源调制模块201、环形器202、波分复用器203、解耦模块204和上位机205;
所述光源调制模块201用于将所述光源模块1产生的连续光源调制成脉冲光,并将所述脉冲光传输至所述环形器202的第一端口,所述脉冲光由所述环形器202的第二端口入射到第二光纤,所述脉冲光在所述第二光纤中产生的瑞利散射光和布里渊散射光返回到所述环形器202的第二端口,并由所述环形器202的第三端口射出至所述波分复用器203;所述波分复用器203用于将输入的所述瑞利散射光和所述布里渊散射光复合成一路目标光输出至所述解耦模块204,所述解耦模块204用于对所述目标光进行解耦,并提取设定波长下散射光的信息,并将提取的信息发送至所述上位机205,所述上位机205根据所述提取的信息得到所述第二光纤沿线的温度、应变和振动数据。
作为一种实施方式,本发明所述光源调制模块201包括:第一耦合器211、声光调制器212、布里渊激光调制器213、第一光纤放大器214、第二光纤放大器215、滤波器216、扰偏器217和第二耦合器218;
所述光源模块1和所述第一耦合器211连接,所述第一耦合器211用于将所述光源模块1产生的光源按照设定比例调制为瑞利散射和布里渊散射,所述第一耦合器211分别与所述声光调制器212和所述布里渊激光调制器213连接;
所述声光调制器212用于将连续所述瑞利散射调制成脉冲瑞利散射,并将所述脉冲瑞利散射发送至所述第一光纤放大器214,所述第一光纤放大器214用于将所述脉冲瑞利散射进行能量的放大,并将放大后的脉冲瑞利散射发送至所述滤波器216,所述滤波器216用于对所述放大后的脉冲瑞利散射进行滤波,并将滤波后的脉冲瑞利散射发送至所述第二耦合器218;
所述布里渊激光调制器213用于将连续所述布里渊散射调制成脉冲布里渊散射,并将所述脉冲布里渊散射发送至所述第二光纤放大器215,所述第二光纤放大器215用于将所述脉冲布里渊散射进行能量的放大,并将放大后的脉冲布里渊散射发送至所述扰偏器217,所述扰偏器217用于将所述放大后的脉冲布里渊散射进行偏振,并将偏振后的脉冲布里渊散射发送至所述第二耦合器218;
所述第二耦合器218用于将滤波后的脉冲瑞利散射和偏振后的脉冲布里渊散射合并成一路传输至所述环形器202的第一端口。
作为一种实施方式,本发明所述多物理量测量模块21还包括:调制器驱动电路206,所述调制器驱动电路206输入端和所述上位机205连接,所述调制器驱动电路206输出端分别与所述声光调制器212和所述布里渊激光调制器213连接,所述上位机205利用所述调制器驱动电路206控制所述声光调制器212和所述布里渊激光调制器213的频率值和幅度值。
具体的,调制电路的驱动信号由计上位机205控制调制器驱动电路206输出脉冲信号提供相关调制器。
作为一种实施方式,本发明所述多物理量测量模块21还包括:第三光纤放大器207;
所述第三光纤放大器207分别与所述波分复用器203和所述解耦模块204连接,所述第三光纤放大器207用于将所述目标光进行能量放大,并将放大后的目标光传输至所述解耦模块204中。
作为一种实施方式,本发明所述多物理量测量模块21还包括:A/D转换器208和数据采集模块209;
所述A/D转换器208和所述解耦模块204连接,用于将提取的模拟信息转换成数字信息,并将所述数字信息发送至所述数据采集模块209,所述数据采用模块209用于将采集到的数字信息发送至所述上位机205。
作为一种实施方式,本发明所述设定比例为9:1。
具体的,本发明所提出的基于光波导技术的多物理量监测模块21采用单端光源输入的方式,选取的光源为中心波长为1550nm的窄线宽激光器,与光纤放大器EDFA的增益谱峰值波长所适配,光源为连续光,线宽为3khz。
光源调制模块201分别针对瑞利散射与布里渊散射进行耦合设计,光源模块1和光源调制模块201输入端的第一耦合器211相连接,按照9:1的比例进行适配于瑞利散射与布里渊散射的光学调制,即瑞利散射占9份,布里渊散射占1份的形式,将连续光源调制为脉冲光,结果经EDFA放大与相关滤波装置处理后耦合输出。
作为一种实施方式,本发明所述待监测线路两端分别设置有第一变电站和第二变电站,所述第一光波导测量终端设置于所述第一变电站内,所述第一变电站内的电源为所述第一光波导测量终端供电;所述第二光波导测量终端设置于所述第二变电站内,所述第二变电站内的电源为所述第二光波导测量终端供电。
作为一种实施方式,本发明所述第一变电站内设置有第一光缆接续盒,所述第二变电站内设置有第二光缆接续盒;所述起偏器22通过所述第一光缆接续盒与所述第一光纤一端连接,所述检偏器31通过所述第二光缆接续盒与所述第一光纤另一端连接;所述环形器202第二端口通过所述第一光缆接续盒与所述第二光纤连接。
具体的,光波导测量终端与变电站中开关柜的光缆接续盒相连接,获得相关光信号,其中,光缆接头盒中的光纤为OPGW架空复合地线的ADSS引出线。第一光波导测量终端2占用2根光纤资源,第二光波导测量终端3占用1根光纤资源。其中,多物理量测量模块21占用1根光纤资源,第一光波导测量终端2的故障定位模块即起偏器22与第二光波导测量终端3的故障定位模块即检偏器31分别占用同1根光纤资源的两端。
本发明提出的故障定位是根据法拉第磁光效应搭建,在第一变电站安装的第一光波导测量终端2输入光源,光信号经过起偏器22后得到线偏振光,将偏振光输入开关柜中光缆接续盒的相关ADDS光纤,光信号通过OPGW架空复合地线输入到第二变电站端的第二光波导测量终端3。
第二光波导测量终端3从光缆接续盒中提取出第一光波导测量终端2发送的偏振光,通过检偏器31以后得到经过架空输电线路走廊后的偏转角,不同区域发生雷击故障时,第二光波导测量终端3监测到的偏转角会有区别,通过第二光波导测量终端3检测到的偏转角实现对雷击的故障定位。
滤波器216采用带通滤波器将预期频率范围以外频率的脉冲衰减掉,得到预期频率范围内的激光序列脉冲并发送至环形器202。
环形器202对预期频率范围内的激光序列脉冲进行耦合处理并将耦合处理后的激光脉冲发送至开关柜中光缆接续盒中的相应ADDS中。
ADDS与架空输电线路的OPGW架空复合地线中的光纤直接相连,当脉冲输入光源进入OPGW后,会沿线路走廊正向传播并将散射信号反向传播到ADDS中。反向散射信号传播到环形器2后,输入波分复用器203将不同特定波长的脉冲信号进行解耦,提取在特定波长下的散射信号特征。解耦后的信号结果经A/D转换器208与基于FPGA的数据采集模块209后将采集得到的散射信号输入到上位机205中,获取架空输电线路沿线的温度、应变与振动特征,并采用复杂通道物理环境的线路通道本体物理量与多维线路状态监测量的关联关系算法,将架空输电线路OPGW测得的温度、应变等特征物理量与输电走廊的气象、风速及线路覆冰厚度等运行状态物理量进行关联。上位机获取架空输电线路沿线的温度、应变与振动特征后,调用算法求解得到线路走廊的运行状态物理量,实现基于光波导技术的多物理量状态监测,本发明中的上位机即计算机。
本发明光波导测量终端均由变电站内的220V交流电供能,具有较强的供电可靠性,本发明采用单端光源输入,且光源接入第一光波导测量终端2。
本发明提出了一种分布式光纤传感装置,在借助架空输电线路中广泛使用的OPGW复合架空地线,采用分布式光波导技术研制一套高集成度的架空输电线路全线状态监测装置,通过一套装置实现线路全线状态的可靠监测,并占用较少的光纤资源,实现在线监测装置的集约化、高效化、低成本,解决了架空输电线路通道状态量难以获取的难题。
本发明采用OPGW作为分布式光纤传感装置的信号传输装置与监测装置,覆盖面广。
目前采用的在线监测装置主要有供电可靠性低、通信稳定性差、覆盖范围较小等问题,最大的问题在于其无法实现可接受的成本实现对多物理量的全线路监测。针对以上问题,本发明基于分布式光波导技术,研制了一套高集成度的架空输电线路全线状态监测装置,其主要优点有:
(1)供电可靠性高。本发明提出的分布式光纤传感装置无需在沿线杆塔上安装相关硬件,而是直接将OPGW架空复合地线作为监测装置,通过布里渊散射与瑞利散射等光学原理实现线路通道物理量的监测,仅需在两端的变电站中安装终端即可,可直接采用220V交流电进行供电,供电可靠性远高于在杆塔段安装的供电装置。
(2)通信稳定性好。本发明直接采用沿线OPGW作为通信线路,数据传输稳定,无需依靠网络进行数据传输,且不会受到高压电磁环境的干扰。
(3)覆盖范围广。架空输电线路中OPGW架空复合地线覆盖线路全线,可以实现对线路走廊全范围的状态量监测。
(4)成本低。本发明采用一套装置即可实现对线路全线的状态量监测,其监测成本远低于采用电子式在线监测设备。
(5)资源占用少。本发明装置仅需使用两根光纤资源即可实现对架空输电线路的温度、应变、振动以及电场多种物理量的监测,集成度高,资源占用少。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。