CN116026445A - 一种输电线路振动事件定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路振动事件定位装置，该装置包括脉冲激光模块、光脉冲放大器、光纤环形器、光纤起偏器、传感光纤、光电探测器、数据采集卡、数据处理与控制器。它利用输电线路自带的光纤或单独敷设的光纤作为传感光纤，光脉冲在传感光纤中传输的同时产生瑞利散射信号，而输电线路上的振动事件扰动瑞利散射信号的偏振态和相位，从而使得到的光时域反射曲线在传感光纤上被引起振动的位置前后出现噪声收敛的巨大差异，于是，通过判断收敛起始点进行定位。该装置适用于准静态的输电线路外部振动源定位，具有监测覆盖距离长、定位精度高、误报率低等优点。

Description

一种输电线路振动事件定位装置

技术领域

本发明属于电力传感技术领域，具体涉及一种输电线路振动事件定位装置。

背景技术

随着我国市政建设的迅猛发展，非法施工、野蛮施工等对输电线路的破坏将持续存在巨大威胁。因此，对输电线路进行实时或准实时的在线监测与智能运维，是电力行业关注的重要议题。电力行业本身具有丰富的光纤资源，光纤复合地线、相线及自承式电缆在电力输、配、用等环境广泛使用。因此，利用光纤作为传感介质，发展光纤传感器具有天然的优势。而且，光纤具有无源、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、质量轻以及易延展敷设等特点，在电力设备及设施传感应用方面较为广泛。当前，输电线路运维中，外力破坏在线路故障因素中占有很大比例，然而，通常则是在线路故障发生过后才去寻找故障源，无法做到事故前预警和防范。特别是，事故过后，对故障点的定位难度较大，无法做到快速定位故障并快速恢复线路供电。目前，多利用输电线路导电特性来进行定位，比如，直流冲击法，它利用球隙放电产生脉冲电压，该电压在护层绝缘破损处产生多频谱放电电流、声、光及磁场等放电信号，然后通过现场检测放电信号来对故障点进行精确定位，但这种方法容易受到输电线路环境的干扰，实际操作过程比较复杂。

随着光纤传感技术的不断发展，输电运维逐渐采用光纤传感器对输电线路本体及其环境参量，如电压、电流、温度、局放、湿度、振动等，进行监测。其中，针对输电线路外力破坏监测的光纤传感器，目前推广应用非常迅速。已授权的发明专利“光纤振动传感器及应用其的输电线路微风振动监测系统”(申请号：CN201310542441.X，申请日期：2013-11-05)提出了一种基于光纤光栅传感技术的光纤复合架空输电线路振动传感器，即利用在光纤复合架空线路中串接光纤光栅，利用光谱解调方法获取线路振动信息。这种方法，是一种多点式或准分布式传感方式，但是光纤光栅被设置在特殊节点，如光纤接续盒处，监测覆盖的范围十分有限。发明专利“一种输电线路振动在线监测系统”(申请号：CN202010376693.X，申请日期：2020-05-07)，通过在输电线路设置振动传感器，通过无线通信模块回传振动数据，实现对线路振动情况的监测。该方法需要对传感器供电及组网，要实现全线路高密度监测覆盖，传感节点必然增多，组网和数据通信面临困难。针对上述缺点，本发明基于分布式光纤传感技术架构，基于振动事件对光纤中光信号偏振和相位的扰动影响，提出了一种新的输电线路振动事件定位装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种输电线路振动事件定位装置，根据振动事件对传感光纤中瑞利信号相位和偏振态的调制，从而使光时域反射曲线在振动位置前后收敛特性的急剧变化，进而通过判断收敛起始位置实现振动事件定位。

本发明公开了一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述装置：包括脉冲激光模块、光脉冲放大器、光纤环形器、光纤起偏器、传感光纤、光电探测器、数据采集卡、数据处理与控制器；

所述数据处理与控制器控制所述数据采集卡，使所述数据采集卡输出电脉冲信号；

所述电脉冲信号接入所述脉冲激光模块，驱动所述脉冲激光模块输出光脉冲；

所述光脉冲接入所述光脉冲放大器，由所述光脉冲放大器提升输出的光脉冲的峰值功率，并从所述光纤环形器的1端口进入，再从所述光纤环形器的2端口输出，再经所述光纤起偏器接入所述传感光纤；

光脉冲在所述传感光纤中传输，同时产生背向瑞利散射信号；所述背向瑞利散射信号经所述光纤起偏器再从光纤环形器的2端口输入，并由所述光纤环形器的3端口输出到所述光电探测器；

所述光电探测器将背向瑞利散射信号转换成电压信号；所述电压信号由所述数据采集卡采集并转换成带有时间和电压幅值信息的光时域反射信号电压数据；

所述数据采集卡具有数据累加功能，所述数据处理与控制器设定累加次数，所述数据采集卡根据所述数据处理与控制器设定的累加次数采集相应的连续测量周期的光时域反射信号电压数据，并将采集得到的光时域反射信号电压数据进行加法运算，将经加法运算后得到的光时域反射信号电压数据传送给所述数据处理与控制器，然后，开始下一次数据采集、累加与数据传送；

所述数据处理与控制器利用振动事件判别和定位算法处理所述光时域反射信号电压数据，然后定位振动事件。

较佳地，所述振动事件判别和定位算法，包括以下步骤：

1)对所述数据采集卡传送来的光时域反射信号电压数据进行平均运算，得到平均运算后的光时域反射信号电压数据；

2)在经平均运算后的光时域反射电压数组数据中，选取其末端的避开光纤瑞利散射峰位置的长度为20的子数组数据；

3)对子数组数据求均值、最大值和最小值；将得到的最大值、最小值分别与均值作差再取绝对值，取绝对值较大者作为参考值；再将参考值除以均值，并将得到的结果作为判别值；若所述判别值小于既定的阈值，则判定输电线路存在振动事件，否则，判定输电线路不存在振动事件；

4)若判定输电线路存在振动事件，则记录所述子数组数据的第一个元素在所述平均运算后的光时域反射电压数组数据中的序数，作为标定序数，由标定序数前面一个序数对应的数组元素与标定序数对应的数组元素相除，得到定位参考值；

若定位参考值不在定位值范围内，则将标定序数减1作为新的标定序数，由新的标定序数前面一个序数对应的数组元素与此新的标定序数对应的数组元素相除，得到新的定位参考值；

若定位参考值在定位值范围内，则判定此时的标定序数为位置标定序数，位置标定序数的位置对应振动事件的位置；

5)根据位置标定序数计算振动事件位置对应的传感光纤距离位置。

较佳地，所述脉冲激光模块选择脉冲电流直接驱动的脉冲光激光器。

较佳地，所述脉冲激光模块选择连续光激光器与光脉冲调制器的组合模块。

较佳地，所述脉冲激光模块输出的激光光谱线宽小于10MHz。

较佳地，在所述数据处理与控制器中设置电脉冲的脉冲宽度、周期并控制所述数据采集卡输出电脉冲信号。

较佳地，所述数据采集卡的最大数据累加次数不低于1024次。

较佳地，所述既定的阈值为0.005。

较佳地，所述定位值范围为：小于0.97或大于1.03。

较佳地，所述振动位置对应的光纤距离位置由位置标定序数除以所述数据采集卡的采样率再乘以光脉冲在传感光纤中的传播速度再除以2得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明直接利用光纤作为传感介质，具有无源、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、易敷设等优点，它能克服传统的电子式传感器、无线传感器供电困难、组网复杂、传感节点多、节点布置难度大等弊端；

2、本发明采用外界振动事件对光纤中的瑞利散射信号的相位和偏振态调制的方式快速降低光时域反射曲线中的衰落噪声，且利用平均的方式抑制相位和偏振态随机性因素的影响，从而能有效地提高对输电线路上振动事件的判别准确性和定位精度，具有监测覆盖距离长、定位精度高、误报率低等优点。

附图说明

图1为本实施例的一种输电线路振动事件定位装置结构示意图；

图2为光时域反射信号电压数据示意图；

图3为平均过后的光时域反射信号电压数据示意图；

图4为避开光纤瑞利散射峰位置的子数组选择示意图；

图5为标定序数选择示意图；

图6为基于位置标定序数的振动定位示意图。

图中数字表示：

101-脉冲激光模块；102-光脉冲放大器；103-光纤环形器；104-光纤起偏器；105-传感光纤；106-光电探测器；107-数据采集卡；108-数据处理与控制器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本实施例提供了一种输电线路振动事件定位装置，所述装置如图1所示：包括脉冲激光模块101、光脉冲放大器102、光纤环形器103、光纤起偏器104、传感光纤105、光电探测器106、数据采集卡107、数据处理与控制器108。

所述数据处理与控制器108控制所述数据采集卡107，使所述数据采集卡107输出电脉冲信号；所述电脉冲信号接入所述脉冲激光模块101，驱动所述脉冲激光模块101输出光脉冲；所述脉冲激光模块101选择脉冲电流直接驱动的脉冲光激光器，激光光谱线宽为3MHz。

所述光脉冲接入所述光脉冲放大器102，由所述光脉冲放大器102提升输出的光脉冲的峰值功率，并从所述光纤环形器103的1端口进入，再从所述光纤环形器103的2端口输出，再经光纤起偏器104后接入所述传感光纤105。

光脉冲在所述传感光纤105中传输，同时产生背向瑞利散射信号；所述背向瑞利散射信号经光纤起偏器104及光纤环形器103的2端口输入，并由所述光纤环形器103的3端口输出到所述光电探测器106；所述光电探测器106选用雪崩光电探测器。

所述光电探测器106将背向瑞利散射信号转换成电压信号；所述电压信号由所述数据采集卡107采集并转换成带有时间和电压幅值信息的光时域反射信号电压数据，如图2所示；所述数据采集卡107具有数据累加功能，最大累加次数为65536次，所述数据处理与控制器108设定累加次数，所述数据采集卡107根据所述数据处理与控制器108设定的累加次数采集相应的连续测量周期的光时域反射信号电压数据，并进行加法运算，将经加法运算后得到的光时域反射信号电压数据传送给所述数据处理与控制器108，然后，进行下一次数据采集、累加与数据传送。

所述数据处理与控制器108利用振动事件判别和定位算法，处理所述光时域反射信号电压数据，然后定位振动事件；

所述振动事件判别和定位算法，包括以下步骤：

1)对所述数据采集卡107传送来的光时域反射信号电压数据进行平均运算，得到平均过后的光时域反射信号电压数组数据，如图3所示；

2)在所述平均运算后的光时域反射电压数组数据中，选取末端的避开光纤瑞利散射峰位置的长度为20的子数组数据，如图4所示；

3)对所述的子数组数据求均值、最大值和最小值；将所得到的最大值、最小值分别与均值作差再取绝对值，取绝对值较大者作为参考值；再将参考值除以均值，作为判别值；若所述判别值小于既定的阈值，所述既定的阈值设置为0.005，则判定输电线路存在振动事件，否则，判定输电线路不存在振动事件；

4)若判定输电线路存在振动事件，记录所述子数组数据的第一个元素在所述平均运算后的光时域反射电压数组数据中的序数，作为标定序数，如图5所示，由标定序数前面一个序数对应的数组元素与标定序数对应的数组元素相除，得到定位参考值；

若定位参考值不在定位值范围内，所述定位值范围设置为：小于0.97及大于1.03，则将标定序数减1作为新的标定序数，由新的标定序数前面一个序数对应的数组元素与此新的标定序数对应的数组元素相除，得到新的定位参考值；

若定位参考值落在定位值范围内，则判定此时的标定序数为位置标定序数，对应振动事件的位置；

用上述方法对图3中的数组数据进行计算，得到位置标定序数为5000，此时定位参考值为0.96，满足定位值范围的要求，可以判断位置标定序数所在位置即为振动事件的位置。

5)根据所确定的位置标定序数，计算出振动事件位置对应的传感光纤距离位置。如图6所示，所述振动事件位置对应的光纤距离位置为位置标定序数5000除以所述数据采集卡7的采样率100Msps再乘以光脉冲在传感光纤中的传播速度2×10⁸m/s，再除以2,得到振动事件位置对应的传感光纤距离位置在5km处。

本发明中一种输电线路振动事件定位装置，利用输电线路自带的光纤或单独敷设的光纤作为传感光纤，光脉冲在传感光纤中传输的同时产生瑞利散射信号，而输电线路上的振动事件扰动瑞利散射信号的偏振态和相位，从而使得到的光时域反射曲线在传感光纤上被引起振动的位置前后出现噪声收敛的巨大差异，于是，通过判断收敛起始点进行定位。该定位装置适用于准静态的输电线路外部振动源定位，具有监测覆盖距离长、定位精度高、误报率低等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述装置：包括脉冲激光模块(101)、光脉冲放大器(102)、光纤环形器(103)、光纤起偏器(104)、传感光纤(105)、光电探测器(106)、数据采集卡(107)、数据处理与控制器(108)；

所述数据处理与控制器(108)控制所述数据采集卡(107)，使所述数据采集卡(107)输出电脉冲信号；

所述电脉冲信号接入所述脉冲激光模块(101)，驱动所述脉冲激光模块(101)输出光脉冲；

所述光脉冲接入所述光脉冲放大器(102)，由所述光脉冲放大器(102)提升输出的光脉冲的峰值功率，并从所述光纤环形器(103)的1端口进入，再从所述光纤环形器(103)的2端口输出，再经所述光纤起偏器(104)接入所述传感光纤(105)；

光脉冲在所述传感光纤(105)中传输，同时产生背向瑞利散射信号；所述背向瑞利散射信号经所述光纤起偏器(104)再从光纤环形器(103)的2端口输入，并由所述光纤环形器(103)的3端口输出到所述光电探测器(106)；

所述光电探测器(106)将背向瑞利散射信号转换成电压信号；所述电压信号由所述数据采集卡(107)采集并转换成带有时间和电压幅值信息的光时域反射信号电压数据；

所述数据采集卡(107)具有数据累加功能，所述数据处理与控制器(108)设定累加次数，所述数据采集卡(107)根据所述数据处理与控制器(108)设定的累加次数采集相应的连续测量周期的光时域反射信号电压数据，并将采集得到的光时域反射信号电压数据进行加法运算，将经加法运算后得到的光时域反射信号电压数据传送给所述数据处理与控制器(108)，然后，进行下一次数据采集、累加与数据传送；

所述数据处理与控制器(108)利用振动事件判别和定位算法，处理所述光时域反射信号电压数据，然后定位振动事件。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述振动事件判别和定位算法，包括以下步骤：

1)对所述数据采集卡(107)传送来的多组光时域反射信号电压数据进行平均运算，得到平均运算后的光时域反射信号电压数组数据；

2)在经平均运算后的光时域反射电压数组数据中，选取其末端的避开光纤瑞利散射峰位置的长度为20的子数组数据；

3)对子数组数据求均值、最大值和最小值；将得到的最大值、最小值分别与均值作差再取绝对值，取绝对值较大者作为参考值；再将参考值除以均值，并将得到的结果作为判别值；若所述判别值小于既定的阈值，则判定输电线路存在振动事件，否则，判定输电线路不存在振动事件；

4)若判定输电线路存在振动事件，则记录所述子数组数据的第一个元素在所述平均运算后的光时域反射电压数组数据中的序数，作为标定序数，由标定序数前面一个序数对应的数组元素与标定序数对应的数组元素相除，得到定位参考值；

若定位参考值不在定位值范围内，则将标定序数减1作为新的标定序数，由新的标定序数前面一个序数对应的数组元素与此新的标定序数对应的数组元素相除，得到新的定位参考值；

若定位参考值在定位值范围内，则判定此时的标定序数为位置标定序数，位置标定序数的位置对应振动事件的位置；

5)根据位置标定序数计算振动事件位置对应的传感光纤距离位置。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述脉冲激光模块(101)选择脉冲电流直接驱动的脉冲光激光器。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述脉冲激光模块(101)选择连续光激光器与光脉冲调制器的组合模块。

5.根据权利要求1所述的一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述脉冲激光模块(101)输出的激光光谱线宽小于10MHz。

6.根据权利要求1所述的一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，在所述数据处理与控制器(108)中设置电脉冲的脉冲宽度、周期并控制所述数据采集卡(107)输出电脉冲信号。

7.根据权利要求1所述的一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述数据采集卡(107)的最大数据累加次数不低于1024次。

8.根据权利要求2所述的一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述既定的阈值为0.005。

9.根据权利要求2所述的一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述定位值范围为：小于0.97或大于1.03。

10.根据权利要求1所述的一种输电线路振动事件定位装置，其特征在于，所述振动位置对应的光纤距离位置由位置标定序数除以所述数据采集卡(107)的采样率再乘以光脉冲在传感光纤中的传播速度再除以2得到。

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