CN211696444U - 一种可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤监测技术领域，具体公开了一种可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统，包括计算机以及分别与计算机连接的温度监测单元和应力监测单元，温度监测单元包括脉冲激光器、分光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一波分复用器、第二波分复用器、第一OPGW传感光纤、第二OPGW传感光纤以及信号处理单元，信号处理单元包括滤波器、光电探测器和信号放大及采集电路，应力监测单元包括光纤光栅波长解调仪、第三OPGW传感光纤、多个光纤光栅应变传感器、参考光纤以及参考光纤光栅应变传感器；可实现长距离的输电线路融冰温度监测，解决现有光纤监测系统中温度测量受应力影响以及关键参数温度测量不准确的问题。

Description

一种可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统

技术领域

本实用新型涉及光纤监测技术领域，更具体地，涉及一种可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统。

背景技术

光纤传感技术将光纤作为载体，利用光在光纤中传播发生散射的特性，通过检测入射光和反射光之间的某种变化，从而演变出外界环境的改变。经过几十年的研究，科研工作者发现了在光纤中产生的拉曼散射(Raman scattering)、布里渊散射(Brillouinscattering)、瑞利散射(Rayleigh scattering)与温度、应力等一些物理量之间的关系，研制出了用于温度监测的传感器。基于瑞利散射的温度传感技术，虽然其光强较大，但灵敏度非常弱，也很容易受到外界压力等非温度因素的干扰。因此应用效果不佳，实际应用较少。布里渊散射光温度传感上的应用将是一种很富有发展前景的技术,但是目前对于该方案的应用存在不少的局限性，布里渊散射阈值功率很低，而且频移相对于入射光来说很小，分光与检测不太容易实现。最重要的是布里渊散射光对应力敏感，为了消除温度和应力的交叉敏感现象，使得整套系统更加复杂。

目前，在电力输电线路融冰监测方面主要应用布里渊散射来实现。虽然，布里渊散射能够同时实现温度和应力的监测，非常适合融冰监测的需求，但正是其温度应力交叉敏感的原因，使得温度测量的准确性降低，对融冰过程存在威胁。

而基于拉曼散射的分布式光纤传感目前理论比较全面、成熟，相对开发的光电器件较多，系统更加容易实现。其只对温度敏感，使得它的温度测量更加准确。同时，采用反斯托克斯光和斯托克斯光的比值作为温敏信号的检测标准，能够消除光纤压力、弯曲等因素造成的误差。现有的分布式光纤温度拉曼传感器大多为多模光纤传感器,其多模光纤的模式色散高，限制了其有效传输距离。而单模光纤传感器，虽然模式色散低于多模光纤，使其传输距离要远于多模光纤。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述弊端，本实用新型的目的是提供一种可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统，在保证长距离输电线路融冰监测的同时，提高融冰温度监测准确性。

本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：

一种可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统，包括计算机以及分别与所述计算机连接的温度监测单元和应力监测单元，其中，所述温度监测单元包括脉冲激光器、分光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一波分复用器、第二波分复用器、第一OPGW传感光纤、第二OPGW传感光纤、第一信号处理单元和第二信号处理单元，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元均包括滤波器、光电探测器和信号放大及采集电路，所述脉冲激光器通过所述分光器分别与所述第一掺铒光纤放大器和第二掺铒光纤放大器连接，所述第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器分别与所述第一波分复用器、第二波分复用器对应连接，所述第一波分复用器、第二波分复用器分别与所述第一OPGW传感光纤、第二OPGW传感光纤对应连接，所述第一波分复用器和所述第一信号处理单元中的滤波器连接，所述第二波分复用器和所述第二信号处理单元中的滤波器连接，所述滤波器通过所述光电探测器与信号放大及采集电路连接，所述信号放大及采集电路与所述计算机连接；所述应力监测单元包括光纤光栅波长解调仪、第三OPGW传感光纤、多个光纤光栅应变传感器、参考光纤以及参考光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅波长解调仪的一端与所述计算机连接，其另一端分别与所述第三OPGW传感光纤、参考光纤连接，所述第三OPGW传感光纤分别连接每一光纤光栅应变传感器，所述参考光纤还连接有参考光纤光栅应变传感器。

优选的，所述第一信号处理单元包括2个滤波器、2个光电探测器和一个信号放大及采集电路，每一滤波器与每一光电探测器对应连接，2个光电探测器均与所述信号放大及采集电路连接。

优选的，所述第二信号处理单元包括2个滤波器、2个光电探测器和一个信号放大及采集电路，每一滤波器与每一光电探测器对应连接，2个光电探测器均与所述信号放大及采集电路连接。

本实用新型实施例的可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统具有以下优点：(1)可实现长距离的输电线路融冰温度监测，解决现有光纤监测系统中温度测量受应力影响以及关键参数温度测量不准确的问题；(2)系统利用多条线路同时测量取平均值的方法，减小温度测量误差，提升温度测量准确度；(3)系统在实现输电线路融冰过程温度监测的同时，对线路应变进行监测，实时获取线路覆冰情况，为线路融冰提供参考。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统，包括计算机以及分别与所述计算机连接的温度监测单元和应力监测单元，其中，所述温度监测单元包括脉冲激光器、分光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一波分复用器、第二波分复用器、第一OPGW传感光纤、第二OPGW传感光纤、第一信号处理单元和第二信号处理单元，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元均包括滤波器、光电探测器和信号放大及采集电路，所述脉冲激光器通过所述分光器分别与所述第一掺铒光纤放大器和第二掺铒光纤放大器连接，所述第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器分别与所述第一波分复用器、第二波分复用器对应连接，所述第一波分复用器、第二波分复用器分别与所述第一OPGW传感光纤、第二OPGW传感光纤对应连接，所述第一波分复用器和所述第一信号处理单元中的滤波器连接，所述第二波分复用器和所述第二信号处理单元中的滤波器连接，所述滤波器通过所述光电探测器与信号放大及采集电路连接，所述信号放大及采集电路与所述计算机连接；所述应力监测单元包括光纤光栅波长解调仪、第三OPGW传感光纤、多个光纤光栅应变传感器、参考光纤以及参考光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅波长解调仪的一端与所述计算机连接，其另一端分别与所述第三OPGW传感光纤、参考光纤连接，所述第三OPGW传感光纤分别连接每一光纤光栅应变传感器，所述参考光纤还连接有参考光纤光栅应变传感器。

在本实施例中，所述第一信号处理单元包括2个滤波器、2个光电探测器和一个信号放大及采集电路，每一滤波器与每一光电探测器对应连接，2个光电探测器均与所述信号放大及采集电路连接。

在本实施例中，所述第二信号处理单元包括2个滤波器、2个光电探测器和一个信号放大及采集电路，每一滤波器与每一光电探测器对应连接，2个光电探测器均与所述信号放大及采集电路连接。

本实用新型的工作原理为：温度监测单元分别利用输电线路上同一根OPGW中的两根光纤进行温度采集，脉冲激光器发出一束一定频率的脉冲光，经分光器分别耦合至EDFA1和EDFA2中，经EDFA放大以及波分复用器耦合后，分别进入OPGW传感光纤1和2中，在光纤内部的各个介质分子与光子发生碰撞，出现不同成分的背向散射光，带有温度信息的背向散射光重新进入到波分复用器中进行分光，通过滤波器滤出斯托克斯和反斯托克斯光，通过光电探测器分别对两路信号进行光电转换，转换之后得到的电信号再由信号放大及采集电路采集上传到计算机，在计算机上对信号进行解调，得到温度数据，对两根光纤上的温度数据进行平均处理后，实时的在上位机中显示处理后的温度曲线。

T＝(T₁+T₂)/2

其中，T₁为第一根光纤测得的温度值，T₂为第二根光纤测得的温度值，T为两根光纤测得的温度值的平均值。

为实现融冰过程中的输电线路覆冰情况监测，便于实时掌握输电线路状态，为线路融冰提供判断依据，系统接入了应力监测单元，在融冰线路的OPGW上安装了多个光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器的原理是将被测量参量的变化转换为光信号参数的变化，当光纤光栅的受力和温度发生变化时，会引起反射光的波长发生变化，通过光纤光栅波长解调仪测量反射光波长的变化，即可得到温度和应力的变化量，之后通过网线输入到计算机进行数据分析处理，得到输电线路应力和温度数据，光纤光栅反射光波长λ_B与温度和应变的关系为：

其中，Δλ_B为光栅反射光波长的变化，α₀为光纤的热膨胀系数，β₀为光纤材料的热光系数，P_e为光纤材料的弹光系数，ΔT为温度变化，Δε为应变变化，即光纤光栅应变传感器同时对温度和应变敏感。

为排除温度对应变测量的影响，系统对温度进行补偿，在非受力处另外安装一个参考光纤光栅应变传感器对温度进行补偿，由于参考光纤光栅传感器不受外力，只受到温度的影响，因此，各光纤光栅应变传感器测得的波长变化量减去参考光纤光栅测得的波长变化量，即可得到应变单独作用下的波长变化量，实现对温度的补偿。

其中，Δε为应变值，Δλ_n为各光纤光栅应变传感器的波长变化量，Δλ_c为参考光纤光栅传感器的波长变化量，K_ε为光纤光栅的应变灵敏系数。

系统接入了应力监测单元，该单元由光纤光栅波长解调仪(多通道)、参考光纤光栅应变传感器和多个串联的不同反射中心波长的光纤光栅应变传感器组成，该光纤光栅波长解调仪为成熟产品，其内部结构不做过多描述，该光纤光栅波长解调仪通过耦合器将光源耦合进光纤中，与光纤光栅应变传感器连接，各光纤光栅应变传感器之间通过光纤进行串联，由光纤光栅波长解调仪内部宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器传输到串接的多个光纤光栅应变传感器上(各光纤光栅应变传感器的反射中心波长均不同)，经过波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，反射光再次经过3dB耦合器由光纤光栅波长解调仪接收，经过光纤光栅波长解调仪对这些波长进行识别，得到一组应力传感信息，当光纤光栅的受力和温度发生变化时，通过光纤光栅波长解调仪检测出波长的变化即应力和温度的变化，之后通过网线输入到计算机进行数据分析处理，得到输电线路应力和温度数据。参考光纤光栅应变传感器的测量原理同上。

本实用新型实施例的可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统具有以下优点：(1)在现有单模光纤拉曼分布式温度传感系统的基础上，加入了光放大技术，以增强现有探测光强度，提升监测距离；(2)采用反斯托克斯和斯托克斯背向拉曼散射强度比值的解调方法，消除光源抖动、光纤弯曲、采集时的漏光、损耗系数和散射系数等因素的影响，提高温度准确性；(3)在同一条输电线路，系统同时采集两根光纤的光信号，解调出相应的温度数据，采用平均法进一步提升温度数据的精度；(4)为了感知输电线路的覆冰情况，获取融冰过程中的应力变化数据，系统还加入了光纤光栅应变传感器，通过融冰过程中OPGW温度及应变监测，实现输电线路融冰监测。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统，其特征在于，包括计算机以及分别与所述计算机连接的温度监测单元和应力监测单元，其中，

所述温度监测单元包括脉冲激光器、分光器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一波分复用器、第二波分复用器、第一OPGW传感光纤、第二OPGW传感光纤、第一信号处理单元和第二信号处理单元，所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元均包括滤波器、光电探测器和信号放大及采集电路，所述脉冲激光器通过所述分光器分别与所述第一掺铒光纤放大器和第二掺铒光纤放大器连接，所述第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器分别与所述第一波分复用器、第二波分复用器对应连接，所述第一波分复用器、第二波分复用器分别与所述第一OPGW传感光纤、第二OPGW传感光纤对应连接，所述第一波分复用器和所述第一信号处理单元中的滤波器连接，所述第二波分复用器和所述第二信号处理单元中的滤波器连接，所述滤波器通过所述光电探测器与信号放大及采集电路连接，所述信号放大及采集电路与所述计算机连接；

所述应力监测单元包括光纤光栅波长解调仪、第三OPGW传感光纤、多个光纤光栅应变传感器、参考光纤以及参考光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅波长解调仪的一端与所述计算机连接，其另一端分别与所述第三OPGW传感光纤、参考光纤连接，所述第三OPGW传感光纤分别连接每一光纤光栅应变传感器，所述参考光纤还连接有参考光纤光栅应变传感器。

2.根据权利要求1所述的可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统，其特征在于，所述第一信号处理单元包括2个滤波器、2个光电探测器和一个信号放大及采集电路，每一滤波器与每一光电探测器对应连接，2个光电探测器均与所述信号放大及采集电路连接。

3.根据权利要求1所述的可实现长距离输电线路融冰监测的光纤监测系统，其特征在于，所述第二信号处理单元包括2个滤波器、2个光电探测器和一个信号放大及采集电路，每一滤波器与每一光电探测器对应连接，2个光电探测器均与所述信号放大及采集电路连接。

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