CN203163769U - 一种基于分布式光纤传感器的架空线路安全监测*** - Google Patents

一种基于分布式光纤传感器的架空线路安全监测*** Download PDF

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雷煜卿
陈希
汪洋
黄毕尧
高强
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Abstract

本实用新型提供的一种OPPC架空输电线路监测***包括通过电力通信网络交换机或无线网络与中央监测信息处理平台相连的架空线温度传感装置和架空线环境监测装置，架空线应力传感装置通过电力通信网络交换机或无线网络与所述中央监测信息处理平台相连，所述无线网络为GPRS无线网络。与现有技术相比，本实用新型提供的一种OPPC架空输电线路监测***能够提高线路巡检效率，减少输电线故障造成的区域性停电事故，便于电网企业实现更精细化和智能化的运行和管理，扩大操作人员的决策范围，并可以扩大坚强智能电网的产业化应用。

Description

一种基于分布式光纤传感器的架空线路安全监测***
技术领域
本实用新型涉及一种架空线路的安全监测***，具体讲涉及一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***
背景技术
电力行业中广泛运用的架空线一般采用光纤复合导线（OPPC）和光纤复合接地线（OPGW），但是因为自然灾害造成架空线受损的事件（冰雪灾害、事故、地质变化等）屡有发生，对电力通信网和电网的安全运行造成严重影响。例如2008年初，我国华中、华东、南方等区域遭遇了罕见的持续低温、雨雪和冰冻极端天气，部分地区电力设施受灾损坏极其严重，由于地线中无电流通过，覆冰程度较重导致杆塔及地线、架空线中部分发生断线、地线支架垮塌或变形。因此建立一种架空线线路实时监测***显得尤为重要，但是目前对架空线路的监测方法主要依靠人工巡检和直升机对路监测。人工巡检存在如下弊端：①高压和超高压输电线路分布区域广阔，穿越地区地形复杂、环境恶劣，使得巡检工作非常辛苦和困难；②存在安全风险、管理成本高、检测周期长和效率低下；③获取信息量有限难以满足社会和经济发展对电力供应质量的要求。在恶劣气象环境下，直升机对路监测同样可能威胁巡检人员安全。
国内电力***通信调度部门也通过监测光缆传输特性来掌握光缆线路的运行状况，例如用OTDR、光功率计等设备对光缆线路进行衰耗特性测试或故障点定位，但是这种监测方法缺乏对光缆运行的机械特性的有效监测。大量维护实践经验表明，由于自然环境原因引起光缆机械特性变化，导致外力破坏引起的架空线光缆事故占有很高比重。因此，为解决上述问题本实用新型提供了一种利用光缆监测技术建立的安全监测***对架空线路进行监测，实时掌握架空线的应力状况，了解重点线路的覆冰厚度、覆冰密度、导线表面温度和张力、杆塔变形等信息，从而可以采取应急手段避免或减轻灾害的影响。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供了一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，所述监测***包括通过电力通信网络交换机或无线网络与中央监测信息处理平台相连的架空线温度传感装置和架空线环境监测装置，架空线应力传感装置通过电力通信网络交换机或无线网络与所述中央监测信息处理平台相连；所述无线网络为GPRS无线网络。
优选的，所述架空线应力传感装置包括光发射模块和光接收模块；所述光发射模块与光纤耦合器的输入端相连；所述光接收模块的输入端通过光滤波器与所述光纤耦合器的输出端相连，所述光接收模块的输出端与微处理器相连；
优选的，所述光滤波器为法布里珀罗腔或马赫曾得尔干涉仪；
优选的，所述架空线应力传感装置的光发射模块数目为二；所述一个光发射模块依次通过光隔离器、电光调制器和光放大器与所述光纤耦合器输入端相连；所述另一个光发射模块直接与所述光纤耦合器输入端相连；
优选的，所述架空线温度传感装置包括光发射模块、光接收模块、光纤拉曼测温模块和数据采集处理模块；所述光纤拉曼测温模块的输入端分别与所述光发射模块和测温光缆相连；所述光纤拉曼测温模块的输出端与所述光接收模块相连；所述数据采集处理模块连接于所述光发射模块和所述光接收模块之间；
优选的，所述架空线温度传感装置的光发射模块的光发生器为连接于光纤放大器和脉冲驱动器之间的半导体激光器；所述光纤拉曼测温模块的光纤拉曼耦合器的两条输出支线分别与光纤拉曼滤波器相连；所述光接收模块的光电探测器的输入端和输出端分别与所述光纤拉曼滤波器和双路放大器相连，所述双路放大器与模数转换器A/D1和模数转换器A/D2相连；
优选的，所述数据采集处理模块包括数据处理单元和数据采集单元；所述数据处理单元的处理器为计算机、DSP微处理器或PC104主板；
优选的，所述架空线环境监测装置安装在架空线路铁塔上；所述架空线环境监测装置的微主控模块连接于通信模块和电源模块之间；所述微主控模块包括温度测量单元、气压监测量单元、风速风向测量单元、雨量测量单元和日照测量单元；所述电源模块包括太阳能电池和硅能电池；
优选的，所述中央监测信息处理平台包括数据综合管理模块、***管理模块、通信模块、显示模块和联动控制平台；所述数据综合管理模块将通过电力通信网络或无线网络获得的数据信息分析处理后通过所述通信模块传递到智能电网中央综合监测信息处理平台。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型技术方案中，架空线应力传感装置、架空线温度传感装置、架空线环境监测装置和中央监测信息处理平台之间相互独立，但是可以通过网口、串口、相关通信协议实现智能数据传输和处理，使得智能电网对架空线进行全方位安全监测；
2、本实用新型技术方案中，架空线应力传感装置基于分布式光纤布里渊时域光时域反射（BOTDR）传感原理，确保实现对整条架空输电线路的应力进行实时在线分布式监测；
3、本实用新型技术方案中，架空线应力传感装置对导线的负载状况进行分析，可以实现导线增容；
4、本实用新型技术方案中，架空线温度传感装置基于分布式光纤拉曼测温（ROTDR）传感原理，确保实现对整条架空输电线路的温度进行实时在线分布式监测；
5、本实用新型技术方案中，架空线环境监测装置，实现对架空线路周围的风速、风向、日照和湿度进行大致的实时在线监测，为输电线路的状态判断提供环境数据依据；
6、本实用新型技术方案中，中央监测信息处理平台，对通过光纤传感装置获取的温度应变信息、环境监测装置获取的环境信息进行综合分析处理，并且能够在各部分监测对象出现异常情况时，通过联动控制平台来控制相应的联动设备采取措施保障电网正常工作；
7、本实用新型技术方案中，采用光纤产品替代电子产品，减少污染，有利于环境保护；
8、本实用新型提供的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，能够降低人工巡检的劳动强度，及时发现人工难以巡检到的事故隐患，从而提高线路巡检效率，减少输电线故障造成的区域性停电事故；
9、本实用新型提供的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，使得电网企业实现更精细化和智能化的运行和管理，扩大操作人员的决策范围；
10、本实用新型提供的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，可以扩大坚强智能电网的产业化应用。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
图1：一种基于分布式光纤传感器的架空线路安全监测***整体结构图；
图2：一种基于分布式光纤传感器的架空线路安全监测***内部结构图；
图3：架空线应力传感装置结构图；
图4：架空线温度传感装置整体结构图；
图5：架空线温度传感装置内部结构图；
图6：架空线环境监测装置结构图；
图7：中央监测信息处理平台结构图；
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1和图2示出了一种基于分布式光纤传感器的架空线路安全监测***的结构图，其中所述监测***包括架空线温度传感装置、架空线应力传感装置、架空线环境监测装置和中央监测信息处理平台；所述架空线温度传感装置、所述架空线应力传感装置、所述架空线环境监测装置通过电力通信网络交换机或GPRS无线网络与所述中央监测信息处理平台相连。
图3示出了架空线应力传感装置结构图，所述架空线应力传感装置包括光发射模块1、光发射模块2和光接收模块；所述光接收模块的输入端通过光滤波器与所述光纤耦合器的输出端相连，所述光接收模块的输出端与微处理器相连；光发射模块1依次通过光隔离器、电光调制器和光放大器与所述光纤耦合器输入端相连；光发射模块2直接与所述光纤耦合器输入端相连；所述光滤波器为法布里珀罗腔或马赫曾得尔干涉仪；
所述架空线应力传感装置基于布里渊散射光纤传感技术（Brillouin Optical Time DomainReflectometer，BOTDR）。光发射模块1和光发射模块2连接于同一根被测光纤的两端。光发射模块1发射的频率为v2的光经过电光调制器调制为泵浦光；光发射模块2发出频率为v1的连续探测光，并且v1大于v2。探测光和泵浦光在传感光纤中产生布里渊散射，当探测光和泵浦光的频率差与光纤的布里渊频率相同时，探测光和泵浦光的光束在光纤内部发生强烈的相互作用并产生声子，将布里渊信号放大后经光时域反射型设备检测定位，通过扫描探测光和泵浦光的频率差绘出布里渊频谱，拟合该频谱获得应变信息；
所述架空线应力传感装置技术参数为：
Figure BDA00002735781800041
Figure BDA00002735781800051
图4示出了架空线温度传感装置整体结构图，所述架空线温度传感装置包括光发射模块、光接收模块、光纤拉曼测温模块和数据采集处理模块；所述光纤拉曼测温模块的输入端分别与所述光发射模块和测温光缆相连；所述光纤拉曼测温模块的输出端与所述光接收模块相连；所述数据采集处理模块连接于所述光发射模块和所述光接收模块之间；
图5示出了架空线温度传感装置内部结构图，所述架空线温度传感装置的光发射模块的光发生器为连接于光纤放大器和脉冲驱动器之间的半导体激光器；所述光纤拉曼测温模块的光纤拉曼耦合器的两条输出支线分别与一个光纤拉曼滤波器相连；所述光接收模块的光电探测器1和光电探测器2的输入端和输出端分别与所述光纤拉曼滤波器和双路放大器相连，所述双路放大器与模数转换器A/D1和模数转换器A/D2相连；所述数据采集处理模块包括数据处理单元和数据采集单元；所述数据处理单元的处理器为计算机、DSP微处理器或PC104主板。
所述架空线温度传感装置基于拉曼散射原理（Raman Optical Time-DomainReflectometry，ROTDR）和光时域原理，采用后向散射探测方法，对后向拉曼散射信号进行高速的多点采样得到沿光纤轴向的温度场分布，实现分布式温度传感。
光信号的采集：半导体激光器产生很窄的泵浦光脉冲，经光纤放大器(EDFA)进行功率提升后通过光纤拉曼耦合器（Wavelength Division Multiplexing，WDM）进入待测光纤，在待测光纤中产生后向散射光；后向散射光再经光纤拉曼滤波器（WDM）滤波和分离后得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和作为参考信号的后向斯托克斯拉曼散射光；
后向反斯托克斯拉曼散射光和后向斯托克斯拉曼散射光分别进入光电探测器1和光电探测器2进行光电转换，此时信号由光功率形式转换成电平形式；光电转换后的后向反斯托克斯拉曼散射光和后向斯托克斯拉曼散射光经双路放大器放大电平信号后分别由模数转换器A/D1和模数转换器A/D2进行模数转换，从而得到数字信号，再由计算机对数字信号进行信号处理、分析计算，最终得到对应点的温度信息；
所述架空线温度传感装置的技术参数为：
Figure BDA00002735781800061
图6示出了架空线环境监测装置结构图，所述架空线环境监测装置安装在架空线路铁塔上；所述架空线环境监测装置的微主控模块连接于通信模块和电源模块之间；所述微主控模块包括温度测量单元、气压监测量单元、风速风向测量单元、雨量测量单元和日照测量单元；所述电源模块包括太阳能电池和硅能电池；
所述架空线环境监测装置的技术参数为：
Figure BDA00002735781800062
图6示出了中央监测信息处理平台结构图，所述中央监测信息处理平台包括数据综合管理模块、***管理模块、通信模块、显示模块和联动控制平台；所述数据综合管理模块将通过电力通信网络或无线网络获得的数据信息分析处理后通过所述通信模块传递到智能电网中央综合监测信息处理平台；
中央监测信息处理平台能够在各部分监测对象出现异常情况时，通过联动控制平台来控制相应的联动设备采取措施保障电网正常工作。
本实用新型提供的一种OPPC架空输电线路监测***能够提高线路巡检效率，减少输电线故障造成的区域性停电事故，便于电网企业实现更精细化和智能化的运行和管理，扩大操作人员的决策范围，并可以扩大坚强智能电网的产业化应用。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，所述监测***包括通过电力通信网络交换机或无线网络与中央监测信息处理平台相连的架空线温度传感装置和架空线环境监测装置，其特征在于，架空线应力传感装置通过电力通信网络交换机或无线网络与所述中央监测信息处理平台相连；所述无线网络为GPRS无线网络。 
2.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，其特征在于，所述架空线应力传感装置包括光发射模块和光接收模块；所述光发射模块与光纤耦合器的输入端相连；所述光接收模块的输入端通过光滤波器与所述光纤耦合器的输出端相连，所述光接收模块的输出端与微处理器相连。 
3.如权利要求2所述的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，其特征在于，所述光滤波器为法布里珀罗腔或马赫曾得尔干涉仪。 
4.如权利要求2所述的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，其特征在于，所述架空线应力传感装置的光发射模块数目为二；所述一个光发射模块依次通过光隔离器、电光调制器和光放大器与所述光纤耦合器的输入端相连；所述另一个光发射模块直接与所述光纤耦合器的输入端相连。 
5.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，其特征在于，所述架空线温度传感装置包括光发射模块、光接收模块、光纤拉曼测温模块和数据采集处理模块；所述光纤拉曼测温模块的输入端分别与所述光发射模块和测温光缆相连；所述光纤拉曼测温模块的输出端与所述光接收模块相连；所述数据采集处理模块连接于所述光发射模块和所述光接收模块之间。 
6.如权利要求5所述的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，其特征在于，所述架空线温度传感装置的光发射模块的光发生器为连接于光纤放大器和脉冲驱动器之间的半导体激光器；所述光纤拉曼测温模块的光纤拉曼耦合器的两条输出支线分别与光纤拉曼滤波器相连；所述架空线温度传感装置的光接收模块的光电探测器的输入端和输出端分别与所述光纤拉曼滤波器和双路放大器相连，所述双路放大器与模数转换器A/D1和模数转换器A/D2相连。 
7.如权利要求5所述的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，其特征在于，所述数据采集处理模块包括数据处理单元和数据采集单元；所述数据处理单元的处理器为计算机、DSP微处理器或PC104主板。 
8.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感器的架空线路的安全监测***，其特征在于，所述架空线环境监测装置安装在架空线路铁塔上；所述架空线环境监测装置的微主控模块连接于通信模块和电源模块之间；所述微主控模块包括温度测量单元、气压监测量单元、 风速风向测量单元、雨量测量单元和日照测量单元；所述电源模块包括太阳能电池和硅能电池。 
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