CN108051071A - 基于室内opgw的分布式光纤测振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，包括光路单元以及与所述光路单元相连接的电子单元，所述光路单元包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，所述环形器连接舞动线路的测试光纤；所述光路单元与所述电子单元通过通信模块连接；所述电子单元包括顺次连接的数据采集器、中央电子控制器、数据保护器和上位机，所述数据保护器与所述上位机之间通过网络端口连接；所述中央电子控制器包括数据处理器以及与所述数据处理器连接的数据纠错器、辅助控制单元。本发明能够针对OPGW输电线路舞动特点，提出针对性的测振方案，用于实时监测室内OPGW舞动线路的舞动的幅度和频率。

Description

基于室内OPGW的分布式光纤测振装置

技术领域

本发明涉及电力线路保护技术领域，尤其涉及基于室内OPGW的分布式光纤测振装置。

背景技术

输电线路舞动是不均匀覆冰导线在风激励下产生的一种低频率（0.1～5Hz）、大振幅（导线直径的20～300倍）的自激振动。高压输电线路舞动能量大，持续时间长，易造成线路闪络、跳闸、杆塔螺栓松动、脱落，严重时会发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，甚至倒塔，导致重大电网事故。为防止类似事故的发生，便需要进行振动量的测量试验。振动量测量在结构健康监测、电力、航空航天等领域具有非常高的应用价值，传统的振动测量装置为电测量法，存在灵敏度低，体积大，安装限制等问题，且传统的振动测量只能进行点式测量。分布式光纤传感技术是指在光纤传输路径上的外部信号通过一定的装置对光纤种的光波进行调试，以实现被测量对象的连续空间的实时测量。光纤同时具有导光介质和传感元件的功能。相比于传统的振动传感器，光纤传感器具有灵敏度高、动态范围大、体积小、重量轻、不易受环境影响等特点，可进行全分布的监控。

专利号为201510917944.X 的发明涉及光学工程、光纤光学和信息获取与感知技术领域，具体涉及一种U型传感光纤部署结构的光纤分布式传感***。本发明将光纤分布式传感***中用于检测振动信号的传感光纤布置成多U型结构，该多U型结构由N条平行边构成N-1个U型，且相邻U型方向相反，N>1。从传感光纤起始端将其依次划分为一系列连续且等长的通道，各通道的长度为入射脉冲激光线宽T的一半。传感光纤各平行边上的每个通道与相邻平行边对应的通道在垂直于平行边方向上不重叠。该发明在不减小光源脉冲宽度，不牺牲光源入射功率，不减小光电探测器最小积分时间的基础上，提高了***的空间分辨率。

专利号为201410027722.6的发明公开了一种检测振动的光纤传感器，属于光纤传感技术领域。该光纤传感器包括传导光纤、光纤光栅、简支梁和带有开口的非金属保护外壳；光纤光栅和简支梁置于非金属保护外壳中，光纤光栅粘贴在简支梁上，且光纤光栅的中心点与简支梁的中心点对齐；非金属保护外壳的一个侧壁上开有开口，简支梁的一端从开口中穿出，另一端固定在非金属保护外壳的另一个侧壁上。该发明所述的光纤传感器不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量，形成一个分布式的传感网络。

然而，上述方案的侧重点均放在光纤传感部件的实际应用方面，对测振所需要的数据处理及分析输出并未作出详细描述，所以并为构成完整的测振技术方案，存在应用功能上的缺陷，而且还都存在对于输电线路舞动特征研究针对性不强的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，它能够针对OPGW输电线路舞动特点，提出针对性的测振方案，用于实时监测室内OPGW舞动线路的舞动的幅度和频率。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，包括光路单元以及与所述光路单元相连接的电子单元，所述光路单元包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，所述环形器连接舞动线路的测试光纤；所述光路单元与所述电子单元通过通信模块连接；所述电子单元包括顺次连接的数据采集器、中央电子控制器、数据保护器和上位机，所述数据保护器与所述上位机之间通过网络端口连接；所述中央电子控制器包括数据处理器以及与所述数据处理器连接的数据纠错器、辅助控制单元，所述数据处理器包括包括高速数字信号处理器DSP、高性能POWERPC处理器、CPLD处理器中的一种或多种组合。

进一步地，所述数据采集器包括模拟信号采集模块和数字信号转换模块，所述模拟信号采集模块包括交流耦合式模拟采样通道，所述数字信号转换模块可通过通用I/O装置及用户自定义协议与外部设备互联。

进一步地，所述辅助控制单元包括大容量存储器和人机交互界面。

进一步地，所述数据纠错器包括网络冗余处理器、数据延时处理器、工业级缓存器、电路异常检测器，所述电路异常检测器包括测温传感器和输出电压异常侦测电路。

进一步地，所述数据保护器包括光耦隔离模块、智能滤波模块和接地装置。

进一步地，所述通信模块包括芯片式通信单元和接口式通信单元。

进一步地，所述接口式通信单元包括JTAG接口和***总线，所述芯片式通信单元包括LTE通信组件和光纤通信单元，所述LTE通信组件包括TD-LTE通信芯片和LTE230通信芯片。

进一步地，所述脉冲激光序列单元包括顺次连接的激光器、调制器和放大器，所述激光器包括极窄线宽激光器模块。

进一步地，所述光电转换单元包括与所述环形器连接的光纤干涉仪以及与所述光纤干涉仪连接的光电探测器。

进一步地，所述网络端口包括万兆以太网口和高速USB通用接口。

本发明的光纤测振装置主要应用于室内小档距OPPC光缆，是由脉冲激光序列单元的激光器发出激光，经过声光调制器的脉冲调制，调制成重复频率为f，脉宽为W的脉冲序列，经过光功率放大器的功率放大后，经过环形器注入到传感光纤；在前向脉冲光遍历传感光纤时，后向瑞利散射光逆着光传播方向经环形器进入到光纤干涉仪中，经过干涉仪的干涉调制，干涉信号经过光电探测器的光电转换，进入到电子单元中；数据采集器向光路单元提供驱动脉冲，通过采集光电探测器输出的多路电压信号，并将模拟电压信号转换为数字信号；转换后的数字信号通过自定义协议的方式传送给中央电子控制器，并通过信号处理算法进行数据处理，中央电子控制器运用高速传输引擎将振动信号数据通过通信模块传送给高性能数据保护器，并通过万兆网将数据发给上位机进行数据的存储、显示、配置操作；依据上位机的最终数据筛选所需的信息量，实现传感目的，进而获取室内OPGW的舞动线路振动信息。

本发明的有益效果包括以下几个方面：

1、本发明主要应用于实时监测室内OPGW舞动线路的舞动状态，具备强大的多重监测功能，既能对舞动状态进行定性监测，也可对舞动线路进行舞动幅度频率的定量监测，同时可以监测室内小档距OPPC光缆常见的低频舞动状态；

2、本发明测振***安装简便，通过简单的电路式连接即可，安装后可直接放置在室内，进行简易操作即可进行设备的运行和监测；

3、本发明依靠中央电子控制器以及数据保护器对光缆舞动线路在各个舞动频率下的实时数据进行处理、保护并进行数据积累，为今后在室内OPGW舞动线路上的长距离监测做铺垫。

附图说明

图1是本发明分布式光纤测振***的结构原理图。

图2是本发明电子单元的结构原理图。

具体实施方式

实施例

如图1、图2所示，基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，包括光路单元以及与光路单元相连接的电子单元，光路单元包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，环形器连接舞动线路的测试光纤；光路单元与电子单元通过通信模块连接；电子单元包括顺次连接的数据采集器、中央电子控制器、数据保护器和上位机，数据保护器与上位机之间通过网络端口连接；中央电子控制器包括数据处理器以及与数据处理器连接的数据纠错器、辅助控制单元，数据处理器包括包括高速数字信号处理器DSP、高性能POWERPC处理器、CPLD处理器中的一种或多种组合。数据采集器包括模拟信号采集模块和数字信号转换模块，模拟信号采集模块包括交流耦合式模拟采样通道，数字信号转换模块可通过通用I/O装置及用户自定义协议与外部设备互联。

光路单元的核心是脉冲激光序列单元，包括顺次连接的激光器、调制器和放大器，激光器是分布式光纤测振装置中非常关键的部件，采用RIO公司的极窄线宽激光器模块，具有极小的频率飘逸，可以迅速响应光相位的变化，干涉作用非常明显。该激光器的光中心波长为1550.12nm，光功率10mW。声光调制器（AOM）在***中，使用的是连续注入的脉冲光来进行探测，因此必须使用调试器将连续光转换为脉冲光。相比于电光调制器，声光调试器工作更加稳定，不受偏振影响，适合工程应用。由于光线制备水平的快速发展，光线的损耗越来越低，瑞利散射光也越来越小，对于长距离的分布式传感器，需要采用光放大技术，采用掺铒光纤放大器（EDFA），具有增益高、噪声低、工作频带宽、输出功率高、泵浦功率高等良好特性。光电转换单元包括与环形器连接的光纤干涉仪以及与光纤干涉仪连接的光电探测器。

电子学部分的核心是中央电子控制器，是一种基于嵌入式硬件技术的可灵活配置硬件设计方案，以高速数字信号处理器DSP、高性能POWERPC等不同系列处理器，CPLD为中央电子控制器核心，配套中央电子控制器的辅助配件，如模拟信号处理组件、二进制输入组件、控制输出组件、信号组件，通过连接人机接口组件，电路组件，网络通讯组件，形成了一整套适合电力***及工业自动化间隔层设备的嵌入式电网信息处理装置。嵌入式技术的使用，使其在硬件结构上可以重新配置，模块级的组合使其构成的测量，控制、保护功能、通信模块以及嵌入式操作***等都可以灵活配置，增强了装置的性能，更好地适应电力用户复杂多变的需求。

数据处理器包括包括高速数字信号处理器DSP、高性能POWERPC处理器、CPLD处理器中的一种或多种组合，数据处理器连接大容量存储器和人机交互界面。人机交互界面包括LED阵列和控制键盘。中央电子控制器连接大容量存储器，大容量存储器包括可编程逻辑处理器和16位的高速串口高精度AD。电路模块采用优质高标准的逆变电路，及对电路状态的实时监视。数据保护的硬件构成上采用模拟回路双重化，软硬双通道累加合自检，多路电路自检，解决模拟回路元件损坏，AD出大数等造成的保护误拒动。独特的出口回路自检，及采用国际上高可靠的出口继电器，及二取二的出口回路，彻底杜绝出口回路元件损坏造成的装置误动，电磁兼容的环境适应能力达到或超过国家标准的要求，达到国际先进水平。

数据采集器包括模拟信号采集模块和数字信号转换模块，模拟信号采集模块的模拟通道采用交流耦合方式，两个巴伦背对背连接，避免降低偶次谐波性能，可以提供88dBc的无杂散动态范围。每个通道的-3dB输入带宽为0.5MHz~135MHz，满量程输入范围为2Vp-p。数字信号转换模块采用DIO资源，板载4通道3.3V LVTTL数字量输入和8通道3.3V LVTTL数字量输出资源，除了通用的I/O使用装置，用户可自定义UART、SPI和I2C等协议与外部设备互联。

数据纠错器包括网络冗余处理器、数据延时处理器、工业级缓存器、电路异常检测器，电路异常检测器包括设置于电路上的测温传感器和输出电压异常侦测电路。网络冗余处理器处理网络数据冗余的问题，***使用冗余网络接入同样的数据，利用数据筛选技术保证不被重复处理，并保证某一数据在任一网络上传输正常时，***就能得到有效数据。数据延时处理器主要用于：当数据在网络上传输时，会产生延时，而且当网络环境不同时，延时时间会有离散性。为了生成断面数据，需要等待所有数据就绪后方能处理。因此需要在满足实时性门槛下对数据进行缓存、匹配检查、延时处理，从而提升整体的自纠错。电路上设有测温传感器，可以对模块内部的工作温度进行检测。测量结果经内部线接口输出至通信模块，此外电路上还有输出电压异常侦测电路，可以对外提供异常输出告警信号（PG端口）和告警接点。

工业级ECC缓存是***中重要的部件之一，它是与中央电子控制器进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在缓存中进行的，因此缓存的性能对计算机的影响非常大。同时缓存还用于暂时存放中央电子控制器中的运算数据。只要计算机在运行中，中央电子控制器就会把需要运算的数据调到缓存中进行运算，当运算完成后中央电子控制器再将结果传送出来，缓存的运行也决定了计算机的稳定运行。而普通缓存的高速读写不可避免出现数据以及程序出错的问题，ECC缓存有效验和纠错功能，从而保证装置的容错性，保证了装置在出现故障时，有强大的自我恢复能力。装置的自纠错和稳定得到了更加充分的保障，这样能保证***稳定，正常的运行，避免了很多数据出错程序死机等问题。

数据保护器包括光耦隔离模块、智能滤波模块和接地装置。对硬件进行抗电磁干扰设计是装置应用环境下提高设备工作稳定性的有效方法，针对装置所采用的硬件抗干扰措施主要有：使用电磁兼容器件、重点隔离容易受干扰的元器件、利用滤波技术去除干扰、终端接地等手段。电路是装置电子单元中的一个主要噪声来源，本方案使用滤波技术去除电路所带来的低频与高频干扰。在使用接地技术的同时，将数字信号与模拟信号相分离，可以避免数字信号通过地线与模拟信号耦合所产生的对原有模拟信号的干扰。本设计方案的硬件设计使用较粗的地线与电路线来提升装置的抗干扰能力。通信模块包括芯片式通信单元和接口式通信单元，接口式通信单元包括JTAG接口和***总线，芯片式通信单元包括LTE通信组件和光纤通信单元。LTE通信组件包括TD-LTE通信芯片和LTE230通信芯片。

在实际应用时，分布式光纤测振装置流程为，由脉冲激光序列单元的激光器发出激光，经过声光调制器的脉冲调制，调制成重复频率为f，脉宽为W的脉冲序列，经过光功率放大器的功率放大后，经过环形器注入到传感光纤；在前向脉冲光遍历传感光纤时，后向瑞利散射光逆着光传播方向经环形器进入到光纤干涉仪中，经过干涉仪的干涉调制，干涉信号经过光电探测器的光电转换，进入到电子单元中；数据采集器向光路单元提供驱动脉冲，通过采集光电探测器输出的多路电压信号，并将模拟电压信号转换为数字信号；转换后的数字信号通过自定义协议的方式传送给中央电子控制器，并通过信号处理算法进行数据处理，中央电子控制器运用高速传输引擎将振动信号数据通过通信模块传送给高性能数据保护器，并通过万兆网将数据发给上位机进行数据的存储、显示、配置操作；依据上位机的最终数据筛选所需的信息量，实现传感目的，进而获取室内OPGW的舞动线路振动信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：包括光路单元以及与所述光路单元相连接的电子单元，所述光路单元包括脉冲激光序列单元、光电转换单元以及分别与两者连接的环形器，所述环形器连接舞动线路的测试光纤；所述光路单元与所述电子单元通过通信模块连接；所述电子单元包括顺次连接的数据采集器、中央电子控制器、数据保护器和上位机，所述数据保护器与所述上位机之间通过网络端口连接；所述中央电子控制器包括数据处理器以及与所述数据处理器连接的数据纠错器、辅助控制单元，所述数据处理器包括包括高速数字信号处理器DSP、高性能POWERPC处理器、CPLD处理器中的一种或多种组合。

2.如权利要求1所述的基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：所述数据采集器包括模拟信号采集模块和数字信号转换模块，所述模拟信号采集模块包括交流耦合式模拟采样通道，所述数字信号转换模块可通过通用I/O装置及用户自定义协议与外部设备互联。

3.如权利要求1所述的基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：所述辅助控制单元包括大容量存储器和人机交互界面。

4.如权利要求1所述的基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：所述数据纠错器包括网络冗余处理器、数据延时处理器、工业级缓存器、电路异常检测器，所述电路异常检测器包括测温传感器和输出电压异常侦测电路。

5.如权利要求1所述的基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：所述数据保护器包括光耦隔离模块、智能滤波模块和接地装置。

6.如权利要求1所述的基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：所述通信模块包括芯片式通信单元和接口式通信单元。

7.如权利要求6所述的基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：所述接口式通信单元包括JTAG接口和***总线，所述芯片式通信单元包括LTE通信组件和光纤通信单元，所述LTE通信组件包括TD-LTE通信芯片和LTE230通信芯片。

8.如权利要求1所述的基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：所述脉冲激光序列单元包括顺次连接的激光器、调制器和放大器，所述激光器包括极窄线宽激光器模块。

9.如权利要求1所述的基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：所述光电转换单元包括与所述环形器连接的光纤干涉仪以及与所述光纤干涉仪连接的光电探测器。

10.如权利要求1所述的基于室内OPGW的分布式光纤测振装置，其特征在于：所述网络端口包括万兆以太网口和高速USB通用接口。