CN104457594B - 一种输电线路分布式覆冰监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路分布式覆冰监测方法，步骤如下：步骤一、相位光时域反射仪监测到输电线路在未覆冰和覆冰时架空线的固有振动频率；步骤二、计算与数据处理单元根据未覆冰时架空线的固有振动频率，计算架空线未覆冰水平应力；步骤三、计算与数据处理单元分别获得架空线覆冰情况下单位长度质量与水平应力的关系以及单位长度质量与覆冰厚度的关系；步骤四、结合输电线路材料参数、地理信息参数、单位长度质量与覆冰厚度的关系以及架空线状态方程，以架空线覆冰厚度为未知量，计算与数据处理单元采用牛顿迭代法计算获得架空线的等值覆冰厚度。本发明具有监测方法智能化程度高、便于分析判断覆冰程度的特点，可以广泛应用于输电线路上。

Description

一种输电线路分布式覆冰监测方法

技术领域

本发明涉及输电线路，特别是涉及一种输电线路分布式覆冰监测方法。

背景技术

在早期的覆冰监测中，国内外普遍采用建立观冰站的方法来研究和观测输电线路的覆冰情况，这种方法投资大，建设周期长，且运行成本高，数量有限，无法实现整个电网覆冰状况的实时监测。近年来，输电线路覆冰和微气象在线监测技术得到了迅速的发展，并逐渐成为感知电网覆冰状态和预防大面积覆冰、雪灾害事故的主要手段。目前发展起来覆冰监测方法主要有：称重法、导线倾角法、图像监测法、覆冰速率计法、模拟导线法以及准分布式光纤传感法等。其中，称重法、导线倾角法在国内的应用较为广泛。然而这些监测方法均是点式监测方法，只针对输电线路上的某些特定线路进行覆冰状态监测，并不能实现真正意义上的线路分布式实时监测。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种输电线路分布式覆冰监测方法，具有监测方法智能化程度高、便于计算机进行自动分析判断覆冰程度、有着重要的经济价值和社会价值的特点。

本发明提供的一种输电线路分布式覆冰监测方法，包括如下步骤：步骤一、采用相位光时域反射仪(phi-OTDR，phase-OpiticalTimeDomainReflectmeter)监测分别得到输电线路在未覆冰和覆冰情况下架空线的固有振动频率f₀₁和f₀₂；步骤二、计算与数据处理单元根据未覆冰情况下架空线的固有振动频率f₀₁，计算架空线未覆冰情况下的水平应力σ₀₁；步骤三、计算与数据处理单元分别获得架空线覆冰情况下单位长度质量与水平应力的关系以及单位长度质量与覆冰厚度的关系，架空线覆冰情况下单位长度质量与水平应力的关系公式为：其中，覆冰后架空线的水平应力为σ₀₂，单位长度质量为m₀₂，l为架空线的档距，f₀₂为覆冰情况下架空线的固有振动频率，A为架空线的计算截面积；架空线覆冰情况下单位长度质量与覆冰厚度的关系公式为：m₀₂＝m₀+0.9πb(d+b)×10^-3，其中，d为架空线的直径，b为覆冰厚度，m⁰为未覆冰情况下架空线的单位长度质量；步骤四、结合输电线路材料参数、地理信息参数、单位长度质量与覆冰厚度的关系以及架空线状态方程，以输电线路架空线覆冰厚度为未知量，计算与数据处理单元采用牛顿迭代法计算获得架空线的等值覆冰厚度，实现输电线路的分布式覆冰监测，所述架空线状态方程如下： ${\mathrm{\σ}}_{02}-\frac{E{\mathrm{\γ}}^{\′2}{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{24{\mathrm{\σ}}_{02}^2}={\mathrm{\σ}}_{01}-\frac{E{\mathrm{\γ}}^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{24{\mathrm{\σ}}_{01}^2}-\mathrm{\α}E\cos \mathrm{\β}(t_2-t_1),$ 式中σ₀₁和σ₀₂分别为架空线未覆冰和覆冰情况下对应的水平应力，E为缆线的杨氏模量，β为档距的高差角，α为缆线的热膨胀系数，l为架空线的档距，t₁和t₂分别为未覆冰和覆冰情况下缆线的温度，在覆冰期间认为t₁≈t₂，γ'和γ分别为覆冰和未覆冰情况下的综合比载，所述γ'和γ与架空线单位长度质量关系为：式中m₀为架空线未覆冰时的单位长度质量，m₀₂为架空线覆冰后的单位长度质量，g为重力加速度。

在上述技术方案中，所述步骤二中，架空线在未覆冰情况下通过相位光时域反射仪监测到的固有振动频率为：其中，l为架空线的档距，T₀₁为未覆冰情况下的水平张力，m₀为未覆冰情况下的单位长度质量，由该式可得到架空线在未覆冰情况下的水平张力T₀₁；又由公式σ₀₁＝T₀₁/A获得输电线路未覆冰情况下的水平应力σ₀₁，其中，A为架空线的计算截面积。

本发明输电线路分布式覆冰监测方法，具有以下有益效果：采用相位光时域反射仪技术，通过监测输电线路各档距的振动频率信息，结合输电线路的材料参数和地理信息便可实现输电线路的分布式覆冰监测。具有监测方法智能化程度高、便于计算机进行自动分析判断覆冰程度、有着重要的经济价值和社会价值的特点。

附图说明

图1为本发明输电线路分布式覆冰监测方法的流程示意图；

图2为本发明输电线路分布式覆冰监测方法中涉及硬件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

参见图1至图2，本发明输电线路分布式覆冰监测方法，包括如下步骤：

步骤一、采用相位光时域反射仪监测分别得到输电线路在未覆冰和覆冰情况下架空线的固有振动频率f₀₁和f₀₂；

步骤二、计算与数据处理单元根据未覆冰情况下架空线的固有振动频率f₀₁，计算架空线未覆冰情况下的水平应力σ₀₁；

步骤三、计算与数据处理单元分别获得架空线覆冰情况下单位长度质量与水平应力的关系以及单位长度质量与覆冰厚度的关系；

步骤四、结合输电线路材料参数、地理信息参数、单位长度质量与覆冰厚度的关系以及架空线状态方程，以输电线路架空线覆冰厚度为未知量，计算与数据处理单元采用牛顿迭代法计算获得架空线的等值覆冰厚度，实现输电线路的分布式覆冰监测。

随着光纤传感技术的发展和广泛应用，人们更青睐于采用光纤传感技术来实现分布式在线监测。相位光时域反射仪(phi-OTDR)是一种基于光纤瑞利散射光强(RayleighScattering)检测的技术，能够检测输电线路的振动状态，本发明拟通过phi-OTDR来实现输电线路的覆冰厚度在线监测。

本发明输电线路分布式覆冰监测方法涉及到的设备包括：phi-OTDR、分布式光纤传感器以及计算与数据处理单元。所述分布式光纤传感器为光纤复合架空地线OPGW(OpticalfibercompositeGroundWire)内的一根传感光纤，光纤复合架空地线的分布式光纤传感器通过变电站内的接口接入phi-OTDR，phi-OTDR与计算与数据处理单元相连。

所述phi-OTDR的原理为向分布式光纤传感器中发射超窄线宽激光信号，光信号再在光纤中传播时，受光纤材料的影响会产生瑞利后向散射光强信号，当光纤受到外界扰动时，光纤的折射率会发生变化，从而引起扰动区域光信号发生相位变化，受干涉作用，这种相位的变化会导致后向瑞利散射光的光强发生变化，通过检测后向瑞利散射光的返回时间和光强就可以计算扰动点位置和振动频率。

所述的分布式光纤传感器也就是光纤复合架空地线内的单模光纤，利用光纤复合架空地线中的一根单模光纤作为传感器，监测传感器的振动信息。

所述的计算与数据处理单元通过USB接口分别与phi-OTDR连接，接收phi-OTDR发送的分布式光纤传感器各空间位置上的振动信息，并完成存储、管理、计算和显示信息，通过相应算法计算出输电线路分布式覆冰情况，实现输电线路分布式覆冰在线监测。

本发明的输电线路分布式覆冰监测具体原理：高压输电线路架空线在架线之初便拥有其固有振动频率，其固有振动频率与架空线所受的水平张力和架空线本身的线密度有关：

$f=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{T_0}{m}}\left(\mathrm{Hz}\right)---\left(1\right)$

式中，l为架空线的档距(m)，T₀为架空线的水平拉力(N)，m为架空线的单位长度质量(kg/m)。

假设架空线在未覆冰时，其水平张力为T₀₁(N)，对应的水平应力为σ₀₁(Mp)，单位长度质量为m₀(kg/m)；覆冰后的水平张力为T₀₂(N)，对应的水平应力为σ₀₂(Mpa)，单位长度质量为m₀₂(kg/m)。

架空线在未覆冰情况下通过phi-OTDR监测到的固有振动频率为：

$f_{01}=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{T_{01}}{m_0}}---\left(2\right)$

由于未覆冰情况下的单位长度质量m₀已知，则可通过上式计算得到架空线对应的水平张力T₀₁，进而通过关系式σ₀₁＝T₀₁/A(A为架空线的计算截面积(mm²))获得输电线路的水平应力σ₀₁。

当架空线覆冰后，通过phi-OTDR监测到的固有振动频率为：

$f_{02}=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{T_{02}}{m_{02}}}---\left(3\right)$

通过上式和应力应变关系可获得架空线覆冰后单位长度质量与架空线水平应力的关系：

$m_{02}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{02}A}{4l^2{f}_{02}^2}---\left(4\right)$

架空线单位长度质量与覆冰厚度有如下关系：

m₀₂＝m₀+0.9πb(d+b)×10^-3(5)

其中，d为架空线的直径(mm)，b为覆冰厚度(mm)，则可通过以上关系获得覆冰厚度与架空线水平应力的关系。

结合输电线路的材料参数、地理信息参数，采用架空线状态方程求解得到架空线覆冰后的水平应力：

${\mathrm{\σ}}_{02}-\frac{E{\mathrm{\γ}}^{\′2}{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{24{\mathrm{\σ}}_{02}^2}={\mathrm{\σ}}_{01}-\frac{E{\mathrm{\γ}}^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{24{\mathrm{\σ}}_{01}^2}-\mathrm{\α}E\cos \mathrm{\β}(t_2-t_1)---\left(6\right)$

式中σ₀₁和σ₀₂分别为架空线未覆冰和覆冰情况下对应的水平应力，E为缆线的杨氏模量(Mpa)，β为档距的高差角(rad)，α为缆线的热膨胀系数(/℃)，t₁和t₂(℃)分别为未覆冰和覆冰情况下缆线的温度，在覆冰期间温度的影响不大，认为t₁≈t₂，γ'(Mpa/m)和γ(Mpa/m)分别为覆冰和未覆冰情况下的综合比载，所述γ'和γ与架空线单位长度质量有如下关系：

${\mathrm{\γ}}^{\′}=\frac{m_{02}g}{A},\mathrm{\γ}=\frac{m_{0}g}{A}---\left(7\right)$

式中g为重力加速度。

因此，将架空线未覆冰情况下的水平应力σ₀₁和公式(7)、(4)、(5)带入到状态方程(6)式中，以覆冰厚度b为未知变量，采用牛顿迭代法可计算获得架空线的覆冰厚度值，实现输电线路架空线的分布式覆冰监测。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种输电线路分布式覆冰监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、采用相位光时域反射仪监测分别得到输电线路在未覆冰和覆冰情况下架空线的固有振动频率f₀₁和f₀₂；

步骤二、计算与数据处理单元根据未覆冰情况下架空线的固有振动频率f₀₁，计算架空线未覆冰情况下的水平应力σ₀₁；

步骤三、计算与数据处理单元分别获得架空线覆冰情况下单位长度质量与水平应力的关系以及单位长度质量与覆冰厚度的关系，架空线覆冰情况下单位长度质量与水平应力的关系公式为：

$m_{02}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{02}A}{4l^2{f}_{02}^2},$

其中，覆冰后架空线的水平应力为σ₀₂，单位长度质量为m₀₂，l为架空线的档距，f₀₂为覆冰情况下架空线的固有振动频率，A为架空线的计算截面积；

架空线覆冰情况下单位长度质量与覆冰厚度的关系公式为：

m₀₂＝m₀+0.9πb(d+b)×10^-3，

其中，d为架空线的直径，b为覆冰厚度，m₀为未覆冰情况下架空线的单位长度质量；

步骤四、结合输电线路材料参数、地理信息参数、单位长度质量与覆冰厚度的关系以及架空线状态方程，以输电线路架空线覆冰厚度为未知量，计算与数据处理单元采用牛顿迭代法计算获得架空线的等值覆冰厚度，实现输电线路的分布式覆冰监测，所述架空线状态方程如下：

${\mathrm{\σ}}_{02}-\frac{{\mathrm{E\γ}}^{\′}{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{24{\mathrm{\σ}}_{02}^2}={\mathrm{\σ}}_{01}-\frac{{\mathrm{E\γ}}^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{24{\mathrm{\σ}}_{01}^2}-\mathrm{\α}Ecos\mathrm{\β}(t_2-t_1),$

式中σ₀₁和σ₀₂分别为架空线未覆冰和覆冰情况下对应的水平应力，E为架空线的杨氏模量，β为档距的高差角，α为架空线的热膨胀系数，l为架空线的档距，t₁和t₂分别为未覆冰和覆冰情况下架空线的温度，在覆冰期间认为t₁≈t₂，γ'和γ分别为覆冰和未覆冰情况下的综合比载，所述γ'和γ与架空线单位长度质量关系为： 式中m₀为架空线未覆冰时的单位长度质量，m₀₂为架空线覆冰后的单位长度质量，g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的输电线路分布式覆冰监测方法，其特征在于：所述步骤二中，架空线在未覆冰情况下通过相位光时域反射仪监测到的固有振动频率为：

$f_{01}=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{T_{01}}{m_0}},$

其中，l为架空线的档距，T₀₁为未覆冰情况下的水平张力，m₀为未覆冰情况下的单位长度质量，由该式可得到架空线在未覆冰情况下的水平张力T₀₁；

又由公式σ₀₁＝T₀₁/A获得架空线未覆冰情况下的水平应力σ₀₁，其中，A为架空线的计算截面积。