CN114636378A - 一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法。所述方法包括建立未覆冰与覆冰工况下的输电线路温度场模型、根据仿真结果得到光纤温度与风速、温度和覆冰厚度的关系、计算输电线路覆冰临界风速、根据临界风速判断覆冰监测准确程度。本发明通过建立物理模型，采用仿真计算方法求解温度场以逼近真实情况，该方法具有自身成本低、试验研究范围广的优点，并且本发明通过环境温度变化率和覆冰厚度估算临界风速，然后对比外界风速和临界风速的大小，可以判断覆冰监测的结果是否准确。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路监测领域，具体涉及一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法。
背景技术
输电线路覆冰易导致输电线路的机械和电气性能急剧下降，不仅造成巨大的经济损失，还严重影响电力系统的安全稳定运行。监测输电线路的运行状态以估计覆冰所造成的威胁，及时采取相应的措施以抑制覆冰造成的危害显得尤为重要，同时输电线路覆冰监测和预警还为线路防冰和除冰提供必要的决策支持。但输电线路覆冰监测可能会因温度、风速等周围环境的影响而导致监测失效。
传统的输电线路覆冰监测一般分为称重法、图像法、导线倾角法、模拟导线法等，这几种监测方法各有特色，可以降低成本和保障系统的安全稳定运行。但上述的几种方法有一定的局限性，如容易受环境的影响，数据传输可靠性差，无法准确全面地监测输电线路的状态等。分布式光纤传感技术具有较好的电绝缘性，很强的抗电磁干扰能力和较高灵敏度，同时理论上能监测线路全长，非常适合在输电线路的高电压、强电磁干扰、强腐蚀等恶劣环境下工作，且较其它方法而言更能保障测量数据的精确度及监测系统工作的稳定性。于是，分布式光纤传感技术在电力行业中的应用逐渐成为国内外学者研究的热点。为了探究分布式光纤传感在覆冰在线监测中的实用性，有的学者利用布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)传感系统对某电力公司的全介质自承式(All-Dielectric Self-Supporting，ADSS)光缆进行了实地监测，实现了对16km的ADSS光缆温度/应变的在线监测，指出了BOTDA传感技术在输电线路监测方面有着很好的应用前景；为了提高覆冰在线监测中的系统温度精度，有的学者设计了基于布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR)技术的覆冰识别系统，在昭通成功实现了75km长光纤架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW)的实地监测，所设计的系统温度精度达到了±2℃，系统所监测出来的覆冰情况与巡线人员观察的覆冰情况一致；有的学者利用BOTDR技术实现了对OPGW导线的监测，在覆冰实验基地实验证实了温度监测可以对线路覆冰的情况进行有效识别，实验效果较好，且监测结果与人工观测结果一致。
以上方法都表明利用分布式光纤传感技术实现输电线路覆冰在线监测的可行性、有效性与准确性，但在实际运行中，一定程度上忽略了风速对架空线路温度变化的影响。现有研究并没有涉及架空导线温度变化与环境温度、风速和覆冰厚度等因素之间的关系研究，也未涉及环境温度对基于分布式光纤传感输电线路覆冰监测的影响，更未提及常见范围环境温度和覆冰厚度下的临界风速对覆冰监测准确度的影响。
发明内容
本发明的目的在于，针对风速与环境温度和覆冰厚度之间的关系，提出一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法。
本发明的技术方案是：
一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法，临界风速基于环境温度变化速率和覆冰厚度进行估算；
所述估算方法包括以下步骤：
步骤1：建立未覆冰与覆冰工况下的输电线路温度场模型；
步骤2：根据仿真结果得到光纤温度与风速、温度和覆冰厚度的关系；
步骤3：计算输电线路覆冰临界风速；
步骤4：根据临界风速判断覆冰监测准确程度。
所述步骤1中建立未覆冰与覆冰工况下的输电线路温度场模型包括：采用光纤复合相线(Optical Phase Conductor，OPPC)作为实例模型，对OPPC部分线路增加覆冰层，并对线路表面和覆冰层表面的热通量参数进行设置，均采用外部强制对流形式；输电线路的直径、厚度等参数依据表1进行设置。
所述步骤2中根据仿真结果得到光纤温度与风速、环境温度和覆冰厚度的关系包括：风速对架空线路中光纤的温度影响很大，温差对风速很敏感；架空线路中光纤的温度变化与经温度初始值无关，与环境温度变化率相关；覆冰越厚，架空线路中光纤温差的增长速率就越接近环境温度变化率，但是不会达到环境温度变化率。
所述步骤3中输电线路覆冰临界风速可由拟合公式(1)得到：
其中：Vc为临界风速，单位：m/s；ΔTamb为环境温度变化率，单位：℃/h；b为覆冰厚度，单位：mm。
所述步骤4中，根据环境温度变化率和覆冰厚度估算临界风速，若外界风速超过临界风速，则覆冰监测结果存在误差。
采用上述技术方案所取得的技术效果在于：
本发明通过建立物理模型，采用仿真计算方法求解温度场的方式可以逼近真实情况，并且其具有自身成本低、试验研究范围广的优点。本发明通过环境温度变化率和覆冰厚度估算临界风速，通过对比外界风速和临界风速的大小，可以判断覆冰监测的结果是否准确。
附图说明
图1为基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法流程图；
图2是OPPC物理模型简化示意图；
图3是输电线路三维物理模型示意图；
图4是不同风速下光纤温差；
图5是不同初始环境温度下的光纤温差；
图6是不同温度变化率下的光纤温差；
图7是不同覆冰厚度下的光纤温差；
图8是临界风速与环境温度变化率和覆冰厚度的拟合曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
图1为基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法流程图，根据该流程图可通过环境温度变化率和覆冰厚度估算临界风速，用以判断覆冰监测准确性。
一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法，临界风速基于环境温度变化速率和覆冰厚度进行估算；
所述估算方法包括以下步骤：
步骤1：建立未覆冰与覆冰工况下的输电线路温度场模型；
步骤2：根据仿真结果得到光纤温度与风速、温度和覆冰厚度的关系；
步骤3：计算输电线路覆冰临界风速；
步骤4：根据临界风速判断覆冰监测准确程度。
所述步骤1中建立未覆冰与覆冰工况下的输电线路温度场模型包括：采用光纤复合相线(Optical Phase Conductor，OPPC)作为实例模型，对OPPC部分线路增加覆冰层，并对线路表面和覆冰层表面的热通量参数进行设置，均采用外部强制对流形式；输电线路的直径、厚度等参数依据表1进行设置。
所述步骤2中根据仿真结果得到光纤温度与风速、环境温度和覆冰厚度的关系包括：风速对架空线路中光纤的温度影响很大，温差对风速很敏感；架空线路中光纤的温度变化与经温度初始值无关，与环境温度变化率相关；覆冰越厚，架空线路中光纤温差的增长速率就越接近环境温度变化率，但是不会达到环境温度变化率。
所述步骤3中输电线路覆冰临界风速可由拟合公式(1)得到：
其中：Vc为临界风速，单位：m/s；ΔTamb为环境温度变化率，单位：℃/h；b为覆冰厚度，单位：mm。
所述步骤4中，根据环境温度变化率和覆冰厚度估算临界风速，若外界风速超过临界风速，则覆冰监测结果存在误差。
建立线路无覆冰光纤温度场模型和线路覆冰光纤温度场仿真模型，获得无覆冰和覆冰情况下光纤温度与周围环境温度、风速和覆冰厚度之间的关系。具体地，通过以下步骤建立输电线路的有限元仿真模型：
本实施例中采用的OPPC光缆型号为OPPC-24B1-240/30，其结构如图2(a)所示，本实验中考虑到计算机性能，为提高计算效率，对OPPC架空导线进行了以下的简化：
(1)OPPC是层绞式，忽略里面的填充油膏；
(2)OPPC里面的24芯光纤等效为1根；
(3)不计内部钢芯铝线层之间和钢芯与光纤之间的距离；
(4)认为材料是各向同性的，并且将6根钢芯等效为1根嵌套光纤的钢芯，24根铝线等效为1根套筒状的铝线；
(5)OPPC各部分的传热系数不会随着温度的改变而改变。
OPPC简化前的物理模型横截面如图2(b)所示，经过简化后的物理模型截面如图2(c)所示。
从仿真与实际情况分析，模型尺寸选择越大则准确性越高，但计算负荷会明显增大，因此模型尺寸的大小对有限元分析的温度场的准确性和计算量的影响非常大，设置合适的模型尺寸是架空线路温度场建模分析的一个关键问题。在建立OPPC架空线路覆冰的三维模型时，结合实际覆冰情况及经验，设此模型中OPPC长5m，分为5段各1m，设第2段和第4段覆冰，为便于计算，设冰层均匀覆盖线路，其余未覆冰，如图3所示，仿真计算过程中各结构参数和材料属性在表1中列出。
尽可能地提高该型号OPPC输电导线在COMSOL中建立的温度场模型的准确性，是保障最终确定的临界风速估算正确性的基础，因此需要确定合适的边界条件。在研究架空导线覆冰温度分布情况过程中，热源主要为架空导线流经电流所产生的焦耳热和环境对架空导线辐照所产生的热量；热量传递主要有架空导线各部分以及冰层之间的热传导，架空导线各部分以及冰层对环境的热辐射和对流散热，因此在固体传热物理场中，对OPPC导线表面和覆冰表面的热通量均采用外部强制对流的形式；在表面对表面辐射物理场中，漫反射表面的部分辐射功率均采用黑体/灰体形式，且外部辐射源的太阳辐射度取200W/m2；但通过仿真可知，考虑与不考虑焦耳热温度场的计算仿真结果仅相差0.09℃，焦耳热对实验影响很小，且本文采用的判断架空导线是否覆冰的依据是光纤温差，有无焦耳热对温差曲线趋势基本上没有影响，五小时后两条曲线的温差值相差0.04℃，焦耳热对温差研究结果的影响可以忽略，因此为了减小计算量，不再考虑添加焦耳热的温度场进行计算。
最后为兼顾计算效率以及结果精确度，仿真计算前对所建立的物理模型进行网格划分，采用了自由四面体网格进行剖分。网格密度方面，理论上网格密度越大，计算值与理论结果更为接近，但是存在求解时不收敛的问题，同时还会减缓计算的速度，故本文选择了最为合适的网格密度，既保证了求解时的收敛性，又保证了计算结果合理正确，全部设置完成后，进行温度场计算。
对流散热和辐射散热主要与线路所处环境的风速、温度、覆冰厚度和覆冰长度等因素有关，研究暂时先考虑环境温度下降时的光纤温度变化。
为研究光纤温度与风速的关系，设环境初始温度为0℃，环境温度以每小时1.5℃下降，覆冰厚度10mm，覆冰长度1m，风速分别为0m/s、0.025m/s、0.05m/s、0.075m/s、0.1m/s、0.15m/s、0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s和1m/s进行研究，仿真5小时后得到不同风速条件下的架空导线覆冰段与未覆冰段随着时间变化的光纤温度曲线(图4)，由图4可知风速为0m/s的温差曲线与风速不为0的情况的差异明显很大，这说明在此环境条件下，风速对架空导线的温度影响很大，温差对风很敏感。
为研究光纤温度与环境温度初始值的关系，设环境温度是以1.5℃/h下降，架空导线覆冰厚度为10mm，覆冰长度为1m，风速为0m/s，选择不同的环境温度初始值(0℃、-1℃、-2℃、-3℃、-4℃)进行仿真，仿真5小时后得到不同环境温度初始值情况下的架空导线光纤温差随时间变化曲线(图5)，由图5可知可以得出光纤温度变化速度与环境温度初始值的大小无关，光纤温差的变化也与环境温度初始值的大小无关。
为研究光纤温度与环境温度变化率的关系，设环境温度初始值为0℃，风速为0m/s，覆冰厚度为10mm，覆冰长度为1m，环境温度分别以0℃/h、1℃/h、2℃/h、3℃/h和4℃/h下降，仿真5小时后得到不同环境温度变化率情况下的线路光纤温差随时间变化曲线(图6)，由图6可知，光纤温差与环境温度变化率有关。
为研究光纤温度与覆冰厚度的关系，设初始环境温度为0℃，环境温度以每小时1.5℃下降，风速为0m/s，覆冰长度为1m，覆冰厚度分别取10mm、15mm、20mm、25mm、30mm和35mm。仿真时长5小时后，得到不同厚度情况下的覆冰段和未覆冰段的光纤温度随时间的变化曲线(图7)，由图7可知，光纤温差与覆冰厚度有关。
由上述分析可知光纤温差与风速、环境温度变化率和覆冰厚度之间具有相关性。
覆冰临界风速是在不同环境温度变化率和不同覆冰厚度情况下，考虑到BOTDA温度测量准确性的基础上，可以有效识别出架空导线覆冰状态允许的最大风速值。考虑到仪器的准确性，本文研究的是以温差0.5℃作为覆冰判据时的临界风速，可构建临界风速关于环境温度变化率和覆冰厚度之间的关系。
研究不同环境温度变化率和覆冰厚度情况下的临界风速值，覆冰厚度分别取10mm、15mm、20mm、25mm、30mm和35mm，环境温度变化率分别以0.8℃/h、1℃/h、1.5℃/h、2℃/h、2.5℃/h、3℃/h、3.5℃/h和4℃/h下降，设环境温度初始值为0℃，覆冰长度为1m，得到临界风速与环境温度变化和覆冰厚度的关系图(图8)，以及具体的风速值(表2)。
根据表2中数据可以通过插值的方式获得不同环境温度变化率和覆冰厚度下的临界风速值Vc，也可以根据表2数据采用最小二乘拟合获得不同环境温度变化率和覆冰厚度下的临界风速值Vc计算公式(1)。得到临界风速值Vc后，即可判断当前覆冰监测准确程度。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
表1
表2
Claims (5)
1.一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法，其特征在于，临界风速基于环境温度变化率和覆冰厚度进行估算；
所述估算方法包括以下步骤：
步骤1：建立未覆冰与覆冰工况下的输电线路温度场模型；
步骤2：根据仿真结果得到光纤温度与风速、环境温度和覆冰厚度的关系；
步骤3：计算输电线路覆冰临界风速；
步骤4：根据临界风速判断覆冰监测准确程度。
2.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法，其特征在于：
所述步骤1中建立未覆冰与覆冰工况下的输电线路温度场模型包括：采用光纤复合相线(Optical Phase Conductor，OPPC)作为实例模型，对OPPC部分线路增加覆冰层，并对线路表面和覆冰层表面的热通量参数进行设置，均采用外部强制对流形式；输电线路的直径、厚度等参数依据表1进行设置。
表1
3.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法，其特征在于：
所述步骤2中根据仿真结果得到光纤温度与风速、环境温度和覆冰厚度的关系包括：风速对架空线路中光纤的温度影响很大，光纤温差对风速很敏感；架空线路中光纤的温度变化与温度初始值无关，与环境温度变化率相关；覆冰越厚，架空线路中光纤温差的增长速率就越接近环境温度变化率，但是不会达到环境温度变化率。
4.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法，其特征在于：
所述步骤3中输电线路覆冰临界风速可由拟合公式(1)得到：
其中：Vc为临界风速，单位：m/s；ΔTamb为环境温度变化率，单位：℃/h；b为覆冰厚度，单位：mm。
5.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤温度传感覆冰厚度监测中临界风速的估算方法，其特征在于：
所述步骤4中，根据环境温度变化率和覆冰厚度估算临界风速，若外界风速超过临界风速，则覆冰监测结果存在误差。
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