CN114923529B - 一种架空输电导线运行状态分布式监测的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种架空输电导线运行状态分布式监测的装置及方法，属于输电线路状态监测与光纤传感领域。本发明提出的架空输电导线运行状态分布式监测的装置，其特征在于，由架空输电导线、杆塔、分布式光纤传感***和信号传输光缆组成，其中架空输电导线中包含温度形状传感光单元，能够精确感知架空输电导线的温度和应变分布。本发明提出的架空输电线路运行状态分布式监测的方法，其特征在于，利用布里渊频移量解调、温度分布计算、应变分布计算、曲率‑挠度离散分布计算、曲率‑挠度连续函数计算、三维形状曲线计算和风偏角‑弧垂计算7个步骤实现架空输电导线运行状态的分布式监测，精确计算架空输电导线弧垂和风偏角。
Description
技术领域
本发明涉及一种架空输电导线运行状态分布式监测的装置及方法，具体而言，涉及一种基于分布式光纤传感原理的架空输电导线运行状态分布式多参量检测装置及方法，属于输电线路状态监测与光纤传感领域。
背景技术
架空输电导线的运行状态直接影响电力***的安全与稳定。架空输电导线长期暴露在大气环境中，容易受到雷暴和冰灾灾害的袭击，一旦发生断线、倒塔等故障，将严重影响电力***的安全运行。
架空输电导线的温度、弧垂和风偏角等状态参量能够反映线路的运行状态，预警覆冰、舞动和对地放电等故障，方便电网工作人员提前做出反应，提高电网运行的可靠性。因此，架空输电导线运行状态的可靠精准检测对电网的安全运行具有重要意义。
近年来，内含的通信光纤的光纤复合架空地线光纤复合架空相线不断建设。通过光纤***结构设计，可以利用其中包含的通信光纤对其自身运行状态进行传感，反映输电导线的运行状态。
相比于电子式传感器，光纤传感具有便于通信、抗电磁干扰的优势，十分适用于输电线路在线监测。传统输电线路光纤监测使用光纤光栅点式传感器，一个传感器只能监测一个档距内的导线。相比之下，分布式光纤传感能够测量的档距数量多，且无需安装传感器，更加适合用于长距离输电导线的状态监测。
本发明基于分布式光纤传感原理实现架空输电导线的多参量检测，获知架空输电导线的弧垂、风偏角和温度，实现架空输电导线运行状态的在线监测。
在现有的架空输电导线分布式传感方案中，基于布里渊散射的分布式传感技术能够检测温度和应变，相比基于其他散射原理的分布式传感技术更适用于架空输电导线运行状态监测。但目前所见的架空输电导线多参量检测***及方法存在诸多缺点：
1）现有的架空输电导线光单元结构不足以精确测量自身应变变化，为了保证光纤不发生断裂，架空输电导线中的光纤留有余长，在导线形变较小时无法完成应变传感，无法计算风偏角及弧长，导致故障初期参量无法测量；2）现有的架空输电导线光单元结构不足以精确测量自身温度变化，现有的架空输电导线光单元结构光纤油膏的导热性和耐热性不足，导热速度无法保证光纤精确感知架空输电导线的温度变化，耐热性不足导致导线载流量升高时光纤油膏的粘稠性降低，光纤位置发生移动，给温度测量带来误差；3）现有的架空输电导线参量检测方法不足以基于直接测量量精确获知导线的运行状态，弧垂和风偏角属于导线的形态参量，现有检测方法需要依靠单一光纤的应变分布间接推算获得，误差较大。
对于以上问题，尚无有效的解决方案。
发明内容
针对现有方法存在的问题，本发明提出一种架空输电导线运行状态分布式监测的装置及方法，具体而言，提出了一种架空输电导线分布式多参量光纤检测***及方法。
本发明提出的架空输电导线运行状态分布式监测的装置，其特征在于，由架空输电导线、杆塔、分布式光纤传感***、信号传输光缆、铝线、钢线、温度形状传感光单元、应变传感光纤、碳纤维管、无机胶粘接层、温度传感光纤、光纤防潮导热油膏和通信光纤组成。
本发明提出的架空输电线路运行状态分布式监测的方法，其特征在于，利用布里渊频移量解调、温度分布计算、应变分布计算、曲率-挠度离散分布计算、曲率-挠度连续函数计算、三维形状曲线计算和风偏角-弧垂计算7个步骤实现架空输电导线运行状态的分布式监测。
本发明所述的架空输电导线运行状态分布式监测的装置和方法，其特征在于，使用本发明提出的架空输电导线运行状态分布式监测中的设计的温度形状传感光单元作为分布式传感单元，由装置中的光纤分布式传感***完成温度形状传感光单元布里渊频移的测量，配合本发明提出的架空输电导线运行状态分布式监测的方法，精确计算架空输电导线弧垂和风偏角。
本发明所述的架空输电导线运行状态分布式监测的装置，其特征在于，所述的温度形状传感光单元由应变传感光纤、碳纤维管、无机胶粘接层、温度传感光纤、光纤防潮导热油膏和通信光纤组成。
所述的架空输电导线运行状态分布式监测的装置，其特征在于，本发明所述的温度形状传感光单元放置于架空输电导线横截面的中心位置，替换中心位置的钢芯。温度形状传感光单元外侧螺旋绕制钢绞线，钢绞线外侧螺旋绕制铝绞线。本发明将温度形状传感光单元布置于架空输电导线横截面的中心位置，保证光单元在导线绞制时光纤不发生扭转，避免了光纤扭转带来的计算误差；由于位于中心位置，温度形状传感光单元中的温度传感光纤更接近导线中心，所测量的温度为导线中心的温度，更能准确测出运行状态监测时关心的导线最高温度。将温度形状传感光单元布置于架空输电导线横截面的中心位置，能够避免随导线绞制过程呈螺旋状缠绕在中心钢线周围，直接测量得到导线的最高温度。
本发明所述的架空输电导线运行状态分布式监测的装置，其特征在于，所述的温度形状传感光单元使用碳纤维管作为保护结构，温度传感光纤和通信光纤放置在碳纤维管内的光纤防潮导热油膏中。碳纤维材料保证了导线具备应有的拉伸强度，保证架空输电导线对机械强度的要求。
优选地，为了平衡导线强度和形状传感的灵敏度，温度形状传感光单元中碳纤维管的内径为10mm，厚度为1.5mm；无机胶粘接层的厚度为1mm，弹性模量为30Gpa，用于固定应变传感光纤并传递应变；剩余位置填充光纤防潮导热油膏，用于密封、防水、导热和缓冲防护；通信光纤306用于输电线路通信。
本发明所述的温度形状传感光单元，其特征在于，所述的光纤防潮导热油膏组成成分和各组分含量为：二甲基硅油70%、高分子聚合物10%、稠化剂10%、高吸水树脂5%、导热硅脂4.5%和纳米级耐热颗粒0.5%，其中，所述的稠化剂为气相二氧化硅和苯乙烯-丙烯共聚物，两者重量比为3:2；所述的纳米级耐热颗粒为纳米级三氧化二铝颗粒，直径小于50nm，导热率为200W/（m·K），最高耐温为1500℃。所述的光纤防潮导热油膏组成成分中，二甲基硅油是光纤防潮导热油膏的基底；高分子聚合物保证了光纤防潮导热油膏的粘稠状态；高吸水树脂防止光纤收到湿度影响；稠化剂防止导线载流量升高时光纤防潮导热油膏的粘稠性降低；纳米级耐热颗粒的掺杂增加了光纤防潮导热油膏的导热系数，加快了导线载流量变化导致温度变化时的温度传递速度，提高了温度测量的灵敏度和准确性。
本发明所述的温度形状传感光单元，其特征在于，所述的温度传感光纤放置于碳纤维管内填充的光纤防潮导热油膏中心位置，准确测量温度形状传感光单元温度；所述的应变传感光纤共有三根，无机胶粘接层将应变传感光纤以120°的角度固定在碳纤维管的内壁，应变传感光纤相对碳纤维管的余长为5mm。应变传感光纤留出5mm的余长，防止温度升高或覆冰等原因导致导线伸长时光纤断裂；应变传感光纤通过无机胶固定于碳纤维管的内壁，保证其在不发生断裂的前提下随导线的形状发生变化。应变传感光纤使用无机胶固定于碳纤维管内壁，本发明提出的温度形状传感光单元中应变传感光纤120°中心对称布置方式保证了应变传感的三根应变传感光纤的设置能够获取三维空间中的弯曲方向和曲率，保证三维形状的传感；120°的中心对称布置简化了形状复原的算法；三根应变传感光纤贴附于碳纤维管内壁，保证与碳纤维管的中心轴有最大的偏移距离，提高普通的单模光纤对弯曲应变的灵敏度。
本发明所述的温度形状传感光单元，其特征在于，所述的无机胶粘接层成分为改性水玻璃、二氧化硅和氧化铝，最高耐温为1500℃，应变传递系数为0.97，弹性模量约为30Gpa。无机胶粘接层的高应变传递系数和高弹性模量保证了应变传递的效率，提高了应变检测的精度。
本发明所述的架空输电线路运行状态分布式监测的方法，其特征在于，包括布里渊频移量解调、温度分布计算、应变分布计算、曲率-挠度离散分布计算、曲率-挠度连续函数计算、三维形状曲线计算和风偏角-弧垂计算7个步骤，精确获知架空输电导线运行状态信息。与此相比，现有的架空输电导线参量检测方法需要依靠单一光纤的应变分布间接推算获得，误差较大。
本发明的技术效果如下：
本发明提出一种架空输电导线运行状态分布式监测的装置及方法，能够实现架空输电导线温度、弧垂及风偏角的分布式精确计算，提高架空输电导线状态监测的准确性。
本发明的特征在于：使用带有特殊设计的温度形状传感光单元作为架空输电导线运行状态的传感单元，直接提高了温度和应变的分布式测量精度；提出的多参量解调算法通过温度和应变分布直接复原线路的三维形状曲线，精确计算导线的弧垂和风偏角。
现有技术中，由于架空输电导线形变较小时无法完成风偏角及弧长测量，本发明中温度形状传感光单元的应变传感光纤不留余长，用无机胶粘接层固定于温度形状传感光单元中碳纤维管的内壁，使形变较小情况下的风偏角及弧垂能够精确获知。
相比之下，传统光纤复合架空输电导线将外侧的钢线替换为不锈钢管光单元，位于钢芯外层的光单元采用钢管保护其内部的通信光纤，随导线绞制过程呈螺旋状缠绕在中心钢线周围，光单元在导线制作过程中发生扭转；由于本发明的温度形状传感光单元输电导线的中心位置，在导线绞制时不发生扭转，避免了光纤扭转带来的计算误差；由于位于中心位置，温度形状传感光单元的温度传感光纤更接近导线中心，所测量的温度为架空输电导线的中心温度，相比于传统结构更能准确测出运行状态监测时关心的导线最高温度；温度形状传感光单元的碳纤维管结构保证了替换钢芯后导线的强度，同时提高了形状传感的灵敏度。
传统的参量检测方法需要依靠单一光纤的应变分布间接推算获得架空输电导线的弧垂及风偏角，误差较大；本发明提出的多参量解调算法直接复原三维形状曲线，精确计算导线的弧垂和风偏角，提高了参量的计算精度。
附图说明:
图1是本发明提出的架空输电导线运行状态分布式监测装置；
图2是本发明提出架空输电导线横截面结构示意图；
图3是本发明提出的温度形状传感光单元截面示意图；
图4是本发明提出多参量解调算法程序框图；其中，101为架空输电导线，102为杆塔，103为分布式光纤传感***，104为信号传输光缆，201为铝线，202为钢线，203为温度形状传感光单元，301为应变传感光纤，302为碳纤维管，303为无机胶粘接层，304为温度传感光纤，305为光纤防潮导热油膏，306为通信光纤。
具体实施方式：
下面结合附图，对实施例作详细说明。
本发明提出的架空输电导线运行状态分布式监测装置，架空输电导线101、杆塔102、分布式光纤传感***103和信号传输光缆104组成，其中，
所述的架空输电导线101由铝线201、钢线202和温度形状传感光单元203组成，钢线202螺旋缠绕在温度形状传感光单元203外侧，铝线201螺旋缠绕在钢线202外侧；
所述的温度形状传感光单元203由应变传感光纤301、碳纤维管302、无机胶粘接层303、温度传感光纤304、光纤防潮导热油膏305和通信光纤306组成。
架空输电导线的杆塔102支撑架空输电导线101。架空输电导线101的横截面如图2所示，包含用于输送电能的铝线201、用于保证架空输电导线101机械强度的钢线202、以及用于温度和形状及通信的温度形状传感光单元203。
信号传输光缆104中的传输光纤与温度形状传感光单元203中的温度传感光纤304和应变传感光纤301分别熔接在一起，共同完成架空输电导线运行状态分布式传感。
制作架空输电导线101时，以温度形状传感光单元203中心绕线，在温度形状传感光单元203外侧螺旋缠绕钢线202，钢线外侧螺旋缠绕铝线201。温度形状传感光单元203在绞制过程中光纤不发生扭转，避免了光纤扭转带来的计算误差，同时温度形状传感光单元203中的碳纤维管302保证了架空输电导线101具备应有的拉伸强度。
分布式光纤传感***103以布里渊光时域反射技术为原理，通过通信光纤104向温度传感光纤304和应变传感光纤301中打入光脉冲，对两种传感光纤中的背向布里渊散射光进行光电转换，获得布里渊电信号。由于打入的是光脉冲，分布式光纤传感***103可以通过计算背向布里渊散射光到达的时间解调出散射点与分布式光纤传感***103之间的距离。
本发明所述的温度形状传感光单元203横截面如图3所示。温度形状传感光单元203由碳纤维管302、无机胶粘接层303、温度传感光纤304、通信光纤306、应变传感光纤301以及光纤防潮导热油膏305组成。应变传感光纤301共有三根，用于传感各自位置的应变，作为形状传感的计算依据；碳纤维管302为光纤提供机械保护；无机胶粘接层303将应变传感光纤301以120°的角度无余长地固定在碳纤维管302的内壁，实现低应变下的形状传感；温度传感光纤304位于碳纤维管302中心，用于传感温度，并作为参考解耦应变传感光纤301的应变；光纤防潮导热油膏305填充于碳纤维管中，用于密封、防水、导热和缓冲防护；通信光纤306用于输电线路通信。
制作温度形状传感光单元203时，首先将碳纤维管302内壁涂覆改性水玻璃、二氧化硅和氧化铝混合成的无机胶，将应变传感光纤301以如图3所示120°角度放置在碳纤维管302内壁；然后对无机胶进行100℃的中温固化，形成无机胶粘接层303，保证使应变传感光纤301无余长地固定在碳纤维管302内壁；最后，向碳纤维管302中注入光纤防潮导热油膏305，在中心位置穿入温度传感光纤304，在温度传感光纤304周围穿入通信光纤306。
本发明提出的架空输电导线运行状态分布式监测方法，以分布式光纤传感***103探测到的背向布里渊散射散射光为原始信号，结合所提出的多参量解调算法（图4所示）实现架空输电导线运行状态分布式精准监测。
本发明提出的多参量解调算法以分布式光纤传感***103测量得到的背向布里渊散射信号为输入，进行架空输电导线的温度、弧垂及风偏角计算。本发明提出的多参量解调算法如图4所示，具体实现方法如下：
以光纤长度为z轴，设温度传感光纤304和应变传感光纤301靠近分布式光纤传感***103的最近端为0点，最近段指向最远端的方向为+z方向
所述多参量解调算法第一步是布里渊频移量解调，对分布式光纤传感***103接受的温度传感光纤304和应变传感光纤301上返回的背向布里渊散射信号进行快速傅里叶变换，计算傅里叶变换后频谱的最大幅值即为温度传感光纤304和应变传感光纤301上的布里渊频移沿光纤的分布vT（z）、ve1（z）、ve2（z）和ve3（z），布里渊频移沿光纤的分布v T（z）、ve1（z）、ve2（z）和ve3（z）的单位均为MHz；
所述多参量解调算法的第二步是温度分布计算，根据布里渊温度-频移系数1.10MHz/℃计算温度传感光纤304的温度分布T（z）=vT（z）/1.10，温度分布T（z）的单位为℃；
所述多参量解调算法的第三步是应变分布计算，在应变传感光纤301的布里渊频移分布中减去由温度变化引起的频移量，根据布里渊应变-频移系数0.0483MHz/με，分别计算三根应变传感光纤301的应变分布e1（z）=（ve1（z）- vT（z））/0.0483，e2（z）=（ve2（z）- vT（z））/0.0483和e3（z）=（ve3（z）- vT（z））/0.0483，应变分布e1（z）、e2（z）和e3（z）的单位均为με；
所述多参量解调算法的第四步是曲率-挠度离散分布计算，利用三根应变传感光
纤301的应变沿光纤分布e1（z）、e2（z）和e3（z），构建三维应变分布曲面，计算温度形状传感
光单元203的曲率-挠度离散分布
；其中y和z为以
三根应变传感光纤301截面几何中心点为原点的平面直角坐标系的正交单位向量；
所述多参量解调算法的第五步是曲率-挠度连续函数计算，采用3次样条插值拟合
法，由曲率-挠度离散分布获得温度形状传感光单元203的曲率-挠度连续函数
；
所述多参量解调算法的第六步三维是形状曲线计算，给定初始边界条件计算出单
位切向量
，根据温度形状传感光单元203的曲率-挠率连续函数重构导线的形状计算架
空输电导线101的三维形状曲线方程计算得到弧长参数化下的空间曲线
；该空间曲线即为温度形状传感光单元203的形状曲线，由于温
度形状传感光单元203位于架空输电导线101正中心，因此该空间形状曲线表达式表征复原
架空输电导线101的三维形状。
所述多参量解调算法的第七步是风偏角-弧垂计算，其特征在于，根据架空输电导线101的三维形状曲线方程，计算架空输电导线101的风偏角和弧垂。
Claims (5)
1.一种架空输电导线运行状态分布式监测的装置，由架空输电导线（101）、杆塔（102）、分布式光纤传感***（103）和信号传输光缆（104）组成，其中，所述杆塔（102）用于支撑架空输电导线（101），所述架空输电导线（101）通过信号传输光缆（104）接入分布式光纤传感***（103），其特征在于，
所述的架空输电导线（101）由铝线（201）、钢线（202）和温度形状传感光单元（203）组成，钢线（202）螺旋缠绕在温度形状传感光单元（203）外侧，铝线（201）螺旋缠绕在钢线（202）外侧；
所述的温度形状传感光单元（203）由应变传感光纤（301）、碳纤维管（302）、无机胶粘接层（303）、温度传感光纤（304）、光纤防潮导热油膏（305）和通信光纤（306）组成，信号传输光缆（104）中的传输光纤与温度形状传感光单元（203）中的温度传感光纤（304）和应变传感光纤（301）分别熔接在一起；
所述的应变传感光纤（301）共有三根，无机胶粘接层（303）将应变传感光纤（301）以120°的角度固定在碳纤维管（302）的内壁，应变传感光纤（301）比碳纤维管（302）的长度长5mm；
所述的无机胶粘接层（303）的厚度为1mm，弹性模量为30Gpa；
所述的碳纤维管（302）的内径为10mm，厚度为1.5mm；
所述的温度传感光纤（304）布置于温度形状传感光单元（203）中碳纤维管（302）的中心轴线上，比碳纤维管（302）总长度长1%；
所述的通信光纤（306）以温度传感光纤（304）为圆心，2mm为半径对称布置在温度传感光纤（304）周围；
所述的分布式光纤传感***（103）对温度传感光纤（304）和应变传感光纤（301）打入探测窄带光脉冲，并对温度传感光纤（304）和应变传感光纤（301）上返回的布里渊背向散射光信号进行光电转换、信号采集和信号处理。
2.根据权利要求1所述的一种架空输电导线运行状态分布式监测的装置，其特征在于，所述的光纤防潮导热油膏（305）组成成分和各组分含量为：二甲基硅油70%、高分子聚合物10%、稠化剂10%、高吸水树脂5%、导热硅脂4.5%和纳米级耐热颗粒0.5%。
3.根据权利要求2所述的一种架空输电导线运行状态分布式监测的装置，其特征在于，所述的光纤防潮导热油膏（305）组成成分中，稠化剂为气相二氧化硅和苯乙烯-丙烯共聚物，两者重量比为3:2；所述的纳米级耐热颗粒为纳米级三氧化二铝颗粒，直径小于50nm，导热率为200W/（m·K）。
4.根据权利要求1所述的一种架空输电导线运行状态分布式监测的装置，其特征在于，所述的无机胶粘接层（303）成分为改性水玻璃、二氧化硅和氧化铝，应变传递系数为0.97，弹性模量约为30GPa。
5.一种应用如权利要求1所述的装置进行架空输电导线运行状态分布式监测的方法，其特征在于，利用布里渊频移量解调、温度分布计算、应变分布计算、曲率-挠度离散分布计算、曲率-挠度连续函数计算、三维形状曲线计算和风偏角-弧垂计算7个步骤实现架空输电导线运行状态的分布式监测，其中，
在布里渊频移量解调步骤中，对分布式光纤传感***（103）接收的温度传感光纤（304）和应变传感光纤（301）上返回的布里渊背向散射信号进行快速傅里叶变换，计算傅里叶变换后频谱的最大幅值为温度传感光纤（304）和应变传感光纤（301）上的布里渊频移沿光纤的分布；
在温度分布计算步骤中，根据布里渊温度-频移系数1.10MHz/℃计算温度传感光纤（304）的温度分布；
在应变分布计算步骤中，在应变传感光纤（301）的布里渊频移分布中减去由温度变化引起的频移量，根据布里渊应变-频移系数0.0483MHz/με，分别计算三根应变传感光纤（301）的应变分布；
在曲率-挠度离散分布计算步骤中，利用三根应变传感光纤（301）的应变沿光纤分布，构建三维应变分布曲面，构建温度形状传感光单元（203）的曲率-挠度离散分布函数；
在曲率-挠度连续函数计算步骤中，采用3次样条插值拟合法，利用曲率-挠度离散分布函数构建温度形状传感光单元（203）的曲率-挠度连续函数；
在三维形状曲线计算步骤中，根据温度形状传感光单元（203）的曲率-挠率连续函数重构导线的形状，计算架空输电导线（101）的三维形状曲线方程；
在风偏角-弧垂计算步骤中，根据架空输电导线（101）的三维形状曲线方程，计算架空输电导线（101）的风偏角和弧垂。
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