CN113049909B - 基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法和***，一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***包括：瑞利散射相位解耦模块，获取瑞利后向散射光信号；拉曼散射模块，得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；光信号解调模块，根据瑞利后向散射光信号计算OPGW的振动频率，并计算环境风速；根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算OPGW外界的环境温度；载流计算模块，根据环境风速、环境温度、日照强度和架空传输线的最高允许温度，计算架空传输线的最大承载电流量。本发明实施例公开的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法和***，能够提高动态增容的准确性，并节约成本。

Description

基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法和***
技术领域
本发明实施例电网技术，尤其涉及一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法和***。
背景技术
由于输电线路存在电阻，在输送负荷电流时，一部分电能会转化为热能消耗并引起导线发热，当输电导线温度超过最大允许工作温度时，会引起导线烧毁。随着国民经济的快速增长，用电量激增，目前有些架空线路输送容量的受到线路热稳定的限制，有时难以满足电网的输送容量要求，严重制约了电网的合理调度与稳定运行。但新建线路投资巨大，建设周期长，并且输电走廊紧张，因此如何科学、安全、有效、经济的提高现有输电线路的输送容量，是需要高度重视的研究点。
目前一般采用动态增容和静态增容两种办法来提高架空线路的载流量。静态增容技术需要对现有导线材料、规格和配套设备进行改进，对传统电力行业技术规定进行更新，使架空输电线的最高允许工作温度从传统的70℃提升到80℃，大约可以提高20％的线路输电容量，但此方法受到现行的设计标准、导线及其配套设备的寿命和机械强度等因素的制约。且现行规程中的导线额定载流量是在设定很差的气象条件下，根据导线最高允许温度计算得到的，但实际中出现设定的恶劣气象条件的几率很小。动态增容方法即是在不改变原有的线路布局且不影响电网安全运行的条件下，根据运行环境的实时情况核算线路载流量，依赖对增容线路进行风速、日照环境和环境温度等参数的在线测量，从而计算出线路实际允许的载流量，理论上可以提高线路10％-30％的载流量。
目前，输电线路主要的动态增容方法是使用动态热定制***，它根据数据采集与监视控制***采集到的实时环境条件，计算导体的允许载流值。但此***包含设备多、成本高，维护需要大量人力物力，且可靠性难以保证；还有学者提出利用动态增容与阻塞分析结合的方法，对特定的易阻塞线路进行选择性增容，利用气象局提供的数据确定线路可增加的安全容量和时间段，但导线所处的微气象条件可能剧烈变化，存在安全隐患。又有学者提出一种动静结合的增容方法，结合气象数据和弧垂计算灵活确定载流量，但此方法数据波动大存在风险。综上，目前亟需对输电线路动态增容方案进行改进。
发明内容
本发明提供一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法和***，能够提高动态增容的准确性，并节约成本。
第一方面，本发明实施例提供一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***，包括：
瑞利散射相位解耦模块，用于向架空传输线的OPGW发送激光信号，并获取OPGW的瑞利后向散射光信号；
拉曼散射模块，用于向架空传输线的OPGW发送激光信号，并根据OPGW的后向散射光信号得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；
光信号解调模块，用于根据瑞利后向散射光信号计算OPGW的振动频率，并根据振动频率计算环境风速；根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算OPGW外界的环境温度；
载流计算模块，用于根据环境风速、环境温度、日照强度和架空传输线的最高允许温度，计算架空传输线的最大承载电流量。
在第一方面一种可能的实现方式中，基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***还包括：波分复用器，设置于瑞利散射相位解耦模块、拉曼散射模块与OPGW之间，用于将瑞利散射相位解耦模块和拉曼散射模块发射的激光信号传输至OPGW中，并从OPGW散射的光信号中提取出瑞利后向散射光信号、斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号后分别发送至瑞利散射相位解耦模块和拉曼散射模块。
在第一方面一种可能的实现方式中，光信号解调模块，包括振动频率解调单元和温度解调单元；
振动频率解调单元用于根据瑞利后向散射光信号的信号光和参考光的交流分量差ΔI，
Figure BDA0003049056770000031
与两路相位相差为90°的本振信号cos(ws-wL)相乘后再通过低通滤波器得到的两路正交信号为
Figure BDA0003049056770000032
和
Figure BDA0003049056770000033
再得到瑞利后向散射光信号的幅度
Figure BDA0003049056770000034
和相位
Figure BDA0003049056770000035
通过监测幅值和相位的变换频率来监测线路的振动频率，再利用卡门涡街原理计算风速，
Figure BDA0003049056770000036
其中st为斯特劳哈数，f为导线振动频率，V为风速；D为导线半径；
温度解调单元用于根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，结合公式
Figure BDA0003049056770000037
计算环境温度，其中，h为普朗克常量、k为是玻尔兹曼常量，Δν为拉曼频移，T为环境温度，νAS为反斯托克斯光频率，νS为斯托克斯光频率。
在第一方面一种可能的实现方式中，载流计算模块，用于根据公式qc+qr＝qs+I2R(T)计算架空传输线的最大承载电流量；
其中qc为单位长度导线的对流散热功率，qr为单位长度导线的辐射散热功率，qs为单位长度导线的日照吸热功率，R(T)为温度为T时单位长度导线的交流电阻，I为架空传输线的最大承载电流量；
qr＝16.03D×10-8[(T+273)4-(Ta+273)4]，D为导线直径，T为导线温度，Ta为OPGW外界的环境温度，qc＝9.92(T-Ta)(VD)0.485，其中V为环境风速，qs＝αsIsD，其中αs为导线吸热系数，Is为日照强度，R(T)＝(1+l)Rd20[1+α20(T-20)]，其中l为集肤效应系数，Rd20为20℃时导线单位长度直流电阻，α20是20摄氏度时导线温度系数。
在第一方面一种可能的实现方式中，瑞利散射相位解耦模块包括窄线宽激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、AOM、第一EDFA、第二EDFA、第一环形器、平衡光探测器、带通滤波器和第一信号采集器；
窄线宽激光器用于生成高相干性激光；
第一光耦合器为50:50光耦合器，用于将高相干性激光分为信号光和参考光，并将信号光输入AOM，将参考光通过第二EDFA放大后输入第二EDFA第二光耦合器；
AOM用于将信号光调制为第一脉冲波光信号，并将第一脉冲波光信号通过第一EDFA放大后输入第一环形器的第一端口；
第一环形器将脉冲波光信号通过第二端口输入OPGW，并通过第二端口接收OPGW返回的后向散射光信号，将后向散射光信号通过第三端口输入第二光耦合器；
第二光耦合器为50:50光耦合器，用于将参考光和后向散射光信号合成后再分光后输入平衡光探测器；
平衡光探测器用于滤除输入的分光信号的直流分量；
带通滤波器用于滤除平衡光探测器输入的光信号中心频率以外其他波长的光信号；
第一信号采集器用于从带通滤波器输出的信号中采集得到瑞利后向散射光信号。
在第一方面一种可能的实现方式中，拉曼散射模块包括LD、EOM、拉FRA、第三EDFA、第二环形器、双带通滤波器、双光电探测器和第二信号采集器；
LD用于生成激光；
EOM用于将激光调制为第二脉冲波光信号，并将第二脉冲波光信号通过FRA放大后再第一EDFA放大后输入第一环形器的第一端口；
第二环形器将放大后的第二脉冲波光信号通过第二端口输入OPGW，并通过第二端口接收OPGW返回的后向散射光信号，将后向散射光信号通过第三端口输入双带通滤波器；
双带通滤波器用于将输入的信号滤波为斯托克光和反斯托克光，并分别输入双光电探测器；
双光电探测器用于将输入的斯托克光和反斯托克光转换为电信号；
第二信号采集器用于从双光电探测器输出的信号中采集得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号。
在第一方面一种可能的实现方式中，基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***还包括：覆冰区域定位模块，用于根据从OPGW得到的光信号返回时间t与公式
Figure BDA0003049056770000061
定位覆冰区域，其中c为光速，n为光纤折射率，L为测量电距离装置的距离。
第二方面，本发明实施例提供一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法，包括：
通过瑞利散射相位解耦模块向架空传输线的OPGW发送激光信号，并获取OPGW的瑞利后向散射光信号；
通过拉曼散射模块向架空传输线的OPGW发送激光信号，并根据OPGW的后向散射光信号得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；
根据瑞利后向散射光信号计算OPGW的振动频率，并根据振动频率计算环境风速；
根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算OPGW外界的环境温度；
根据环境风速、环境温度、日照强度和架空传输线的最高允许温度，计算架空传输线的最大承载电流量。
在第二方面一种可能的实现方式中，根据瑞利后向散射光信号计算OPGW的振动频率，并根据振动频率计算环境风速，包括：
根据瑞利后向散射光信号的信号光和参考光的交流分量差ΔI，
Figure BDA0003049056770000062
与两路相位相差为90°的本振信号cos(ws-wL)相乘后再通过低通滤波器得到的两路正交信号为
Figure BDA0003049056770000063
和
Figure BDA0003049056770000064
再得到瑞利后向散射光信号的幅度
Figure BDA0003049056770000065
和相位
Figure BDA0003049056770000066
通过监测幅值和相位的变换频率来监测线路的振动频率，再利用卡门涡街原理计算风速，
Figure BDA0003049056770000067
其中st为斯特劳哈数，f为导线振动频率，V为风速；D为导线半径；
根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算OPGW外界的环境温度，包括：
根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，结合公式
Figure BDA0003049056770000071
计算环境温度，其中，h为普朗克常量、k为是玻尔兹曼常量，Δν为拉曼频移，T为环境温度，νAS为反斯托克斯光频率，νS为斯托克斯光频率。
在第二方面一种可能的实现方式中，根据环境风速、环境温度、日照强度和架空传输线的最高允许温度，计算架空传输线的最大承载电流量，包括：
根据公式qc+qr＝qs+I2R(T)计算架空传输线的最大承载电流量；
其中qc为单位长度导线的对流散热功率，qr为单位长度导线的辐射散热功率，qs为单位长度导线的日照吸热功率，R(T)为温度为T时单位长度导线的交流电阻，I为架空传输线的最大承载电流量；
qr＝16.03D×10-8[(T+273)4-(Ta+273)4]，D为导线直径，T为导线温度，Ta为OPGW外界的环境温度，qc＝9.92(T-Ta)(VD)0.485，其中V为环境风速，qs＝αsIsD，其中αs为导线吸热系数，Is为日照强度，R(T)＝(1+l)Rd20[1+α20(T-20)]，其中l为集肤效应系数，Rd20为20℃时导线单位长度直流电阻，α20是20摄氏度时导线温度系数。
本发明实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法和***，使用OPGW光纤作为传感器和传输通道，无需另外架设光缆，且***设置在变电站室内，故障率低、可靠性高、维护简单。利用分布式光纤传感原理进行环境风速和温度测量，对环境变化十分敏感，且抗电磁干扰能力强，测量精度较高。可以实现架空输电线各点的风速和温度测量，更加全面的监测环境情况，提高了动态增容的准确性。结合了拉曼散射原理和相位敏感型瑞利散射原理，更加全面的测量环境值，克服了只利用温度造成最大载流量测量误差。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***的逻辑结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***的瑞利散射相位解耦模块11和拉曼散射模块12通过波分复用模块15与OPGW连接的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的另一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
为了解决目前输电线路动态增容方案的缺陷，本发明实施例提供一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法和***，此方法利用光纤复合架空地线(Optical FiberComposite Overhead Ground Wire，OPGW)内的光纤作为传感器和信息传输通道，不需要额外架设光缆，节约成本，且***位于变电站室内，维护简单。此方法可以实时测量对线路热平衡影响最大的环境温度和风速，其中环境温度利用拉曼散射原理测量，环境风速瑞利散射原理测量，利用波分复用技术结合两模块，结合热平衡方程和气象局提供的日照强度数据进行计算，实时判断线路载流量。
图1为本发明实施例提供的一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***包括：
瑞利散射相位解耦模块11，用于向架空传输线的OPGW发送激光信号，并获取OPGW的瑞利后向散射光信号。
拉曼散射模块12，用于向架空传输线的OPGW发送激光信号，并根据OPGW的后向散射光信号得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号。
光信号解调模块13，用于根据瑞利后向散射光信号计算OPGW的振动频率，并根据振动频率计算环境风速；根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算OPGW外界的环境温度。
载流计算模块14，用于根据环境风速、环境温度、日照强度和架空传输线的最高允许温度，计算架空传输线的最大承载电流量。
本发明提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***，使用OPGW光纤作为传感器和传输通道，无需另外架设光缆，且***设置在变电站室内，故障率低、可靠性高、维护简单。利用分布式光纤传感原理进行环境风速和温度测量，对环境变化十分敏感，且抗电磁干扰能力强，测量精度较高。可以实现架空输电线各点的风速和温度测量，更加全面的监测环境情况，提高了动态增容的准确性。结合了拉曼散射原理和相位敏感型瑞利散射原理，更加全面的测量环境值，克服了只利用温度造成最大载流量测量误差。
图2为本发明实施例提供的另一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***的结构示意图，如图2所示，本实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***在图1的基础上，还包括：
波分复用器15，设置于瑞利散射相位解耦模块11、拉曼散射模块12与OPGW之间，用于将瑞利散射相位解耦模块11和拉曼散射模块12发射的激光信号传输至OPGW中，并从OPGW散射的光信号中提取出瑞利后向散射光信号、斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号后分别发送至瑞利散射相位解耦模块11和拉曼散射模块12。
由于瑞利散射相位解耦模块11和拉曼散射模块12发射的光信号和OPGW散射信号中的瑞利后向散射光信号、斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的波长不同，因此时候用波分复用器15对各光信号进行滤波。波分复用器15是将瑞利散射、斯托克斯散射和反斯托克斯散射从散射光中提取出的关键器件，它采用介质膜滤波片进行滤波，通过对不同波长的光进行增透和增反实现滤波，其波长稳定性好。光从端口1进入波分复用器15，并通过com端口耦合到OPGW，OPGW中产生的后向散射光信号返回波分复用器15的2端口用以收集反斯托克斯光、3端口采集斯托克斯光，瑞利散射光从端口1返回。
进一步地，在图1和图2所示实施例中，瑞利散射相位解耦模块11包括窄线宽激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、声光调制模块(Acousto Optical Modulator，AOM)、第一掺饵放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier；Erbium Doped FiberAmplifier，EDFA)、第二EDFA、第一环形器、平衡光探测器、带通滤波器和第一信号采集器；
窄线宽激光器用于生成高相干性激光；
第一光耦合器为50:50光耦合器，用于将高相干性激光分为信号光和参考光，并将信号光输入AOM，将参考光通过第二EDFA放大后输入第二EDFA第二光耦合器；
AOM用于将信号光调制为第一脉冲波光信号，并将第一脉冲波光信号通过第一EDFA放大后输入第一环形器的第一端口；
第一环形器将脉冲波光信号通过第二端口输入OPGW，并通过第二端口接收OPGW返回的后向散射光信号，将后向散射光信号通过第三端口输入第二光耦合器；
第二光耦合器为50:50光耦合器，用于将参考光和后向散射光信号合成后再分光后输入平衡光探测器；
平衡光探测器用于滤除输入的分光信号的直流分量；平衡探测器由两个性能几乎完全一样的雪崩光电二极管构成，内部的差分电路将雪崩光电二极管输出的信号进行差分运算减小共模噪声的干扰，滤除相干探测中的直流分量，能够提高***的探测灵敏度和共模抑制比，利用相干平衡探测的方法得到的探测信号功率是直接探测的4倍，更易探测到微弱的扰动信号。
带通滤波器用于滤除平衡光探测器输入的光信号中心频率以外其他波长的光信号；带通滤波器是滤掉其它波长的光信号，只留下平衡光电探测器得到的中心频率光。
第一信号采集器用于从带通滤波器输出的信号中采集得到瑞利后向散射光信号。
优选的，相位敏感的瑞利散射相位解耦模块11光源为波长1550nm的激光器。
进一步地，在图1和图2所示实施例中，拉曼散射模块12包括半导体激光源(Laser，Diode，LD)、电光调制器(Electro Optical Modulator，EOM)、拉曼放大器(Fiber RamanAmplifier，FRA)、第三EDFA、第二环形器、双带通滤波器、双光电探测器和第二信号采集器；
LD用于生成激光；
EOM用于将激光调制为第二脉冲波光信号，并将第二脉冲波光信号通过FRA放大后再第一EDFA放大后输入第一环形器的第一端口；
第二环形器将放大后的第二脉冲波光信号通过第二端口输入OPGW，并通过第二端口接收OPGW返回的后向散射光信号，将后向散射光信号通过第三端口输入双带通滤波器；
双带通滤波器用于将输入的信号滤波为斯托克光和反斯托克光，并分别输入双光电探测器；
双光电探测器用于将输入的斯托克光和反斯托克光转换为电信号；
第二信号采集器用于从双光电探测器输出的信号中采集得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号。
优选的，拉曼散射模块12光源波长为1549.5nm。
进一步地，在图1和图2所示实施例中，光信号解调模块13，包括振动频率解调单元和温度解调单元。
频率解调单元是利用正交解调原理得到的，信号光和参考光经过相干平衡探测后，获得交流分量输出，该交流分量为中频信号。正交解调则是将中频信号还原到基带上，减轻数据采集***的压力。由瑞利散射相位解耦模块11得到的瑞利后向散射光信号的信号光和参考光的交流分量差ΔI，
Figure BDA0003049056770000131
与两路相位相差为90°的本振信号cos(ws-wL)相乘后再通过低通滤波器得到的两路正交信号为
Figure BDA0003049056770000132
和
Figure BDA0003049056770000133
再得到瑞利后向散射光信号的幅度
Figure BDA0003049056770000134
和相位
Figure BDA0003049056770000135
通过监测幅值和相位的变换频率来监测线路的振动频率，再利用卡门涡街原理计算风速，
Figure BDA0003049056770000136
其中st为斯特劳哈数，f为导线振动频率，V为风速；D为导线半径。
温度解调单元用于根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，结合公式
Figure BDA0003049056770000137
计算环境温度，其中，h为普朗克常量、k为是玻尔兹曼常量，Δν为拉曼频移，T为环境温度，νAS为反斯托克斯光频率，νS为斯托克斯光频率。
优选的，光信号解调模块13选择雪崩式光电二极管(Avalanche PhotodiodeDetectors，APD)。
进一步地，在图1和图2所示实施例中，载流计算模块14，用于根据摩根公式qc+qr＝qs+I2R(T)计算架空传输线的最大承载电流量。
其中qc为单位长度导线的对流散热功率，qr为单位长度导线的辐射散热功率，qs为单位长度导线的日照吸热功率，R(T)为温度为T时单位长度导线的交流电阻，I为架空传输线的最大承载电流量。
qr＝16.03D×10-8[(T+273)4-(Ta+273)4]，D为导线直径，T为导线温度，Ta为OPGW外界的环境温度，qc＝9.92(T-Ta)(VD)0.485，其中V为环境风速，qs＝αsIsD，其中αs为导线吸热系数，Is为日照强度，R(T)＝(1+l)Rd20[1+α20(T-20)]，其中l为集肤效应系数，Rd20为20℃时导线单位长度直流电阻，α20是20摄氏度时导线温度系数。
可以看到，影响导线载流量的主要因素为风速、日照和环境温度，在实际容量计算中，风速的影响最大，而在线路不同处电，风向和风速的变化很大，直接用线路某个点来替代整条线路的作用计算误差很大。同一档距内不同点的温度差别也很大，只测量一个点的温度代替平均温度不准确，因而采用分布式光纤传感器来测量沿线各点的风速。而日照强度对载流量影响相对较小，而且同一档距内差别不大，所以取气象局提供的日照数据。可以设导线的最高温度Tmax＝70℃，由于日照对载流量影响相对较小，结合分布式光纤测得的环境温度和风速，就可以计算得到该线路现在的最大载流量I。
以LGJ400/35型导线进行实例分析，其导线直径为D＝0.02682m，导线20℃的直流电阻Rd20＝0.07389Ω/km，导线20℃的温度系数为α20＝0.0036，导线集肤效应参数l＝0.0025，辐射参数和吸热参数为0.9；OPGW光纤测得的环境温度为27.4℃，导线温度限额为70℃，风速为9.1m/s，太阳辐射强度为610.93W/m2，具体计算步骤如下：
步骤1：计算单位长度导线的辐射散热功率：
qr＝16.03D×10-8[(T+273)4-(Ta+273)4]＝16.03×0.02682×10-8×(3434-300.44)＝24.11W/m
步骤2：计算单位长度导线的对流散热功率：
qc＝9.92(T-Ta)(VD)0.485＝9.92(70-27.4)(9.1×0.02682)0.485＝211.296W/m
步骤3：计算单位长度导线的日照吸热功率：
qs＝asIsD＝0.9×610.93×0.02682＝14.75W/m
步骤4：计算导线温度为70℃时的电阻：
R(T)＝(1+l)Rd20[1+α20(T-20)]＝(1+0.0025)×0.07389×(1+0.0036×50)＝0.0874Ω/km
步骤5：代入qc+qr＝qs+I2R(T)计算得到最大允许载流量为1588A：
相比此条导线在约定的风速为0.5m/s，环境温度为70℃，太阳辐射为1000W/m得到的600A电流，其导线的载流量有显著增加。
进一步地，本发明实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***还包括：覆冰区域定位模块，用于根据从OPGW得到的光信号返回时间t与公式
Figure BDA0003049056770000151
定位覆冰区域，其中c为光速，n为光纤折射率，L为测量电距离装置的距离。
图3为本发明实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***的逻辑结构示意图。基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***中各逻辑单元组成方式和连接关系如图3所示。
图4为本发明实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***的瑞利散射相位解耦模块11和拉曼散射模块12通过波分复用模块15与OPGW连接的结构示意图。其中瑞利散射相位解耦模块11也可以称为φ-OTDR模块，拉曼散射模块12也可称为ROTDR模块。第一EDFA、第二EDFA和第三EDFA分别为EDFA1、EDFA2、EDFA3。
图5为本发明实施例提供的一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法的流程图，如图5所示，本实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法包括：
步骤S501，通过瑞利散射相位解耦模块向架空传输线的OPGW发送激光信号，并获取OPGW的瑞利后向散射光信号。
步骤S502，通过拉曼散射模块向架空传输线的OPGW发送激光信号，并根据OPGW的后向散射光信号得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；
步骤S503，根据瑞利后向散射光信号计算OPGW的振动频率，并根据振动频率计算环境风速。
步骤S504，根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算OPGW外界的环境温度。
步骤S505，根据环境风速、环境温度、日照强度和架空传输线的最高允许温度，计算架空传输线的最大承载电流量。
本实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法用于执行图1所示基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***的处理，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
进一步地，步骤S503包括：根据瑞利后向散射光信号的信号光和参考光的交流分量差ΔI，
Figure BDA0003049056770000161
与两路相位相差为90°的本振信号cos(ws-wL)相乘后再通过低通滤波器得到的两路正交信号为
Figure BDA0003049056770000162
和
Figure BDA0003049056770000163
再得到瑞利后向散射光信号的幅度
Figure BDA0003049056770000164
和相位
Figure BDA0003049056770000165
通过监测幅值和相位的变换频率来监测线路的振动频率，再利用卡门涡街原理计算风速，
Figure BDA0003049056770000166
其中st为斯特劳哈数，f为导线振动频率，V为风速；D为导线半径；
进一步地，步骤S504包括：根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，结合公式
Figure BDA0003049056770000171
计算环境温度，其中，h为普朗克常量、k为是玻尔兹曼常量，Δν为拉曼频移，T为环境温度，νAS为反斯托克斯光频率，νS为斯托克斯光频率。
进一步地，步骤S505包括：根据公式qc+qr＝qs+I2R(T)计算架空传输线的最大承载电流量；其中qc为单位长度导线的对流散热功率，qr为单位长度导线的辐射散热功率，qs为单位长度导线的日照吸热功率，R(T)为温度为T时单位长度导线的交流电阻，I为架空传输线的最大承载电流量；qr＝16.03D×10-8[(T+273)4-(Ta+273)4]，D为导线直径，T为导线温度，Ta为OPGW外界的环境温度，qc＝9.92(T-Ta)(VD)0.485，其中V为环境风速，qs＝αsIsD，其中αs为导线吸热系数，Is为日照强度，R(T)＝(1+l)Rd20[1+α20(T-20)]，其中l为集肤效应系数，Rd20为20℃时导线单位长度直流电阻，α20是20摄氏度时导线温度系数。
图6为本发明实施例提供的另一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法的流程图，如图6所示，本实施例提供的基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法通过计算环境温度、环境风速，并根据获取到的导线最大文图和日照强度，最终计算得到最大载流量I。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容***，其特征在于，包括：
瑞利散射相位解耦模块，用于向架空传输线的光纤复合架空地线OPGW发送激光信号，并获取所述OPGW的瑞利后向散射光信号；
拉曼散射模块，用于向架空传输线的OPGW发送激光信号，并根据所述OPGW的后向散射光信号得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；
光信号解调模块，用于根据所述瑞利后向散射光信号计算所述OPGW的振动频率，并根据所述振动频率计算环境风速；根据所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算所述OPGW外界的环境温度；
载流计算模块，用于根据所述环境风速、所述环境温度、日照强度和所述架空传输线的最高允许温度，计算所述架空传输线的最大承载电流量；
其中，所述瑞利散射相位解耦模块包括窄线宽激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、声光调制器AOM、第一掺饵放大器EDFA、第二EDFA、第一环形器、平衡光探测器、带通滤波器和第一信号采集器；
所述窄线宽激光器用于生成高相干性激光；
所述第一光耦合器为50:50光耦合器，用于将所述高相干性激光分为信号光和参考光，并将所述信号光输入所述AOM，将所述参考光通过所述第二EDFA放大后输入所述第二EDFA后，输入所述第二光耦合器；
所述AOM用于将所述信号光调制为第一脉冲波光信号，并将所述第一脉冲波光信号通过所述第一掺饵放大器EDFA放大后输入所述第一环形器的第一端口；
所述第一环形器将所述脉冲波光信号通过第二端口输入所述OPGW，并通过所述第二端口接收所述OPGW返回的后向散射光信号，将所述后向散射光信号通过第三端口输入所述第二光耦合器；
所述第二光耦合器为50:50光耦合器，用于将所述参考光和所述后向散射光信号合成后再分光后输入所述平衡光探测器；
所述平衡光探测器用于滤除输入的分光信号的直流分量；
所述带通滤波器用于滤除所述平衡光探测器输入的光信号中心频率以外其他波长的光信号；
所述第一信号采集器用于从所述带通滤波器输出的信号中采集得到瑞利后向散射光信号。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：波分复用器，设置于所述瑞利散射相位解耦模块、所述拉曼散射模块与所述OPGW之间，用于将所述瑞利散射相位解耦模块和所述拉曼散射模块发射的激光信号传输至所述OPGW中，并从所述OPGW散射的光信号中提取出所述瑞利后向散射光信号、所述斯托克斯光信号和所述反斯托克斯光信号后分别发送至所述瑞利散射相位解耦模块和所述拉曼散射模块。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述光信号解调模块，包括振动频率解调单元和温度解调单元；
所述振动频率解调单元用于根据所述瑞利后向散射光信号的信号光和参考光的交流分量差ΔI，
Figure FDA0003675754470000021
与两路相位相差为90°的本振信号cos(wS-wL)相乘后再通过低通滤波器得到的两路正交信号为
Figure FDA0003675754470000022
和
Figure FDA0003675754470000023
再得到所述瑞利后向散射光信号的幅度
Figure FDA0003675754470000024
和相位
Figure FDA0003675754470000025
通过监测幅值和相位的变换频率来监测线路的振动频率，再利用卡门漩涡原理计算风速，
Figure FDA0003675754470000031
其中st为斯特劳哈数，f为导线振动频率，V为风速；D为导线半径；
所述温度解调单元用于根据所述斯托克斯光信号和所述反斯托克斯光信号，结合公式
Figure FDA0003675754470000032
计算环境温度，其中，h为普朗克常量、k为是玻尔兹曼常量，Δν为拉曼频移，T为环境温度，νAS为反斯托克斯光频率，νS为斯托克斯光频率。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述载流计算模块，用于根据公式qc+qr＝qs+I2R(T)计算所述架空传输线的最大承载电流量；
其中qc为单位长度导线的对流散热功率，qr为单位长度导线的辐射散热功率，qs为单位长度导线的日照吸热功率，R(T)为温度为T时单位长度导线的交流电阻，I为所述架空传输线的最大承载电流量；
qr＝16.03D×10-8[(T+273)4-(Ta+273)4]，D为导线直径，T为导线温度，Ta为所述OPGW外界的环境温度，qc＝9.92(T-Ta)(VD)0.485，其中V为所述环境风速，qs＝αsIsD，其中αs为导线吸热系数，Is为所述日照强度，R(T)＝(1+l)Rd20[1+α20(T-20)]，其中l为集肤效应系数，Rd20为20℃时导线单位长度直流电阻，α20是20摄氏度时导线温度系数。
5.根据权利要求1～4任一项所述的***，其特征在于，所述拉曼散射模块包括半导体激光源LD、电光调制器EOM、拉曼放大器FRA、第三EDFA、第二环形器、双带通滤波器、双光电探测器和第二信号采集器；
所述LD用于生成激光；
所述EOM用于将所述激光调制为第二脉冲波光信号，并将所述第二脉冲波光信号通过所述FRA放大后再所述第三EDFA放大后输入所述第二环形器的第一端口；
所述第二环形器将放大后的第二脉冲波光信号通过第二端口输入所述OPGW，并通过所述第二端口接收所述OPGW返回的后向散射光信号，将所述后向散射光信号通过第三端口输入所述双带通滤波器；
所述双带通滤波器用于将输入的信号滤波为斯托克光和反斯托克光，并分别输入双光电探测器；
所述双光电探测器用于将输入的斯托克光和反斯托克光转换为电信号；
所述第二信号采集器用于从所述双光电探测器输出的信号中采集得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号。
6.根据权利要求1～4任一项所述的***，其特征在于，还包括：覆冰区域定位模块，用于根据从所述OPGW得到的光信号返回时间t与公式
Figure FDA0003675754470000041
定位覆冰区域，其中c为光速，n为光纤折射率，L为测量点距离装置的距离。
7.一种基于分布式光纤的架空输电线路动态增容方法，其特征在于，包括：
通过瑞利散射相位解耦模块向架空传输线的光纤复合架空地线OPGW发送激光信号，并获取所述OPGW的瑞利后向散射光信号；
通过拉曼散射模块向架空传输线的OPGW发送激光信号，并根据所述OPGW的后向散射光信号得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；
根据所述瑞利后向散射光信号计算所述OPGW的振动频率，并根据所述振动频率计算环境风速；
根据所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算所述OPGW外界的环境温度；
根据所述环境风速、所述环境温度、日照强度和所述架空传输线的最高允许温度，计算所述架空传输线的最大承载电流量；
其中，所述瑞利散射相位解耦模块包括窄线宽激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、声光调制器AOM、第一掺饵放大器EDFA、第二EDFA、第一环形器、平衡光探测器、带通滤波器和第一信号采集器；
所述窄线宽激光器用于生成高相干性激光；
所述第一光耦合器为50:50光耦合器，用于将所述高相干性激光分为信号光和参考光，并将所述信号光输入所述AOM，将所述参考光通过所述第二EDFA放大后输入所述第二EDFA后，输入所述第二光耦合器；
所述AOM用于将所述信号光调制为第一脉冲波光信号，并将所述第一脉冲波光信号通过所述第一掺饵放大器EDFA放大后输入所述第一环形器的第一端口；
所述第一环形器将所述脉冲波光信号通过第二端口输入所述OPGW，并通过所述第二端口接收所述OPGW返回的后向散射光信号，将所述后向散射光信号通过第三端口输入所述第二光耦合器；
所述第二光耦合器为50:50光耦合器，用于将所述参考光和所述后向散射光信号合成后再分光后输入所述平衡光探测器；
所述平衡光探测器用于滤除输入的分光信号的直流分量；
所述带通滤波器用于滤除所述平衡光探测器输入的光信号中心频率以外其他波长的光信号；
所述第一信号采集器用于从所述带通滤波器输出的信号中采集得到瑞利后向散射光信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述瑞利后向散射光信号计算所述OPGW的振动频率，并根据所述振动频率计算环境风速，包括：
根据所述瑞利后向散射光信号的信号光和参考光的交流分量差ΔI，
Figure FDA0003675754470000061
与两路相位相差为90°的本振信号cos(ws-wL)相乘后再通过低通滤波器得到的两路正交信号为
Figure FDA0003675754470000062
和
Figure FDA0003675754470000063
再得到所述瑞利后向散射光信号的幅度
Figure FDA0003675754470000064
和相位
Figure FDA0003675754470000065
通过监测幅值和相位的变换频率来监测线路的振动频率，再利用卡门漩涡原理计算风速，
Figure FDA0003675754470000066
其中st为斯特劳哈数，f为导线振动频率，V为风速；D为导线半径；
所述根据所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号计算所述OPGW外界的环境温度，包括：
根据所述斯托克斯光信号和所述反斯托克斯光信号，结合公式
Figure FDA0003675754470000067
计算环境温度，其中，h为普朗克常量、k为是玻尔兹曼常量，Δν为拉曼频移，T为环境温度，νAS为反斯托克斯光频率，νS为斯托克斯光频率。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述环境风速、所述环境温度、日照强度和所述架空传输线的最高允许温度，计算所述架空传输线的最大承载电流量，包括：
根据公式qc+qr＝qs+I2R(T)计算所述架空传输线的最大承载电流量；
其中qc为单位长度导线的对流散热功率，qr为单位长度导线的辐射散热功率，qs为单位长度导线的日照吸热功率，R(T)为温度为T时单位长度导线的交流电阻，I为所述架空传输线的最大承载电流量；
qr＝16.03D×10-8[(T+273)4-(Ta+273)4]，D为导线直径，T为导线温度，Ta为所述OPGW外界的环境温度，qc＝9.92(T-Ta)(VD)0.485，其中V为所述环境风速，qs＝αsIsD，其中αs为导线吸热系数，Is为所述日照强度，R(T)＝(1+l)Rd20[1+α20(T-20)]，其中l为集肤效应系数，Rd20为20℃时导线单位长度直流电阻，α20是20摄氏度时导线温度系数。
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