一种高压输电线网的覆冰状态监测方法
阅读说明：本技术 一种高压输电线网的覆冰状态监测方法 (Icing state monitoring method for high-voltage transmission line network ) 是由 郑喆轩 项勇 杨华东 水彪 黎单驰 张心贲 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于分析及测量控制技术领域,公开了一种高压输电线网的覆冰状态监测方法,获取OPGW高压输电线缆的环境温度、布里渊频移曲线,解调布里渊频移曲线得到OPGW高压输电线缆中的光纤温度信息、光纤应力应变信息,根据环境温度的变化率、光纤温度的变化率,解调获得OPGW高压输电线缆的覆冰厚度,结合阈值判断是否符合报警条件、开启融雪程序。本发明有效解决了长距离OPGW高压输电线缆的覆冰状态难以有效、可靠、经济地监测的难题。(The invention belongs to the technical field of analysis and measurement control, and discloses an icing state monitoring method of a high-voltage transmission line network. The invention effectively solves the problem that the icing state of the long-distance OPGW high-voltage transmission cable is difficult to effectively, reliably and economically monitor.)
技术领域
本发明涉及分析及测量控制技术领域，尤其涉及一种高压输电线网的覆冰状态监测方法。
背景技术
冻雨覆冰因为过负载、绝缘子冰闪、脱冰、倒塔等原因严重威胁高压输电线网的安全运行。由于高压输电线网常被布置于无人地区或环境恶劣地区，传统的人工巡检方法难以有效对整段高压输电线缆进行有效实时观测。而借助无人机搭载摄像头，再配合机器视觉算法的监测手段则受限于无人机的数公里单次无续航飞行距离。考虑到：一方面，目前的无人机载太阳能充电及其他可持续的能源获取方法的充电效率不能满足无人机飞行时的高功率需求；另一方面，每隔数公里建设带有太阳能充电桩或其他可持续能源获取装置的无人机停机坪因造价昂贵，维护成本高等原因，不具有经济可行性。因此，服务于长距离的高压输电线网的高效、可靠、经济的覆冰状态监测方法亟待解决。
BOTDR(布里渊光时域反射技术)和BOTDA(布里渊光时域分析技术)技术作为分布式光纤传感技术，具有能实现分布式监测、长距离监测、抗电磁干扰、监测不受限于地形条件等优势。传统的BOTDA或BOTDR技术能通过对BFS(布里渊频移)的监测解调出待测光纤的温度信息或者所受的应力应变信息。对于OPGW(光纤复合架空地线)高压输电线缆而言，为了使得在线缆中的通信光纤传输的光信号尽量少受外界环境的影响，在制作线缆时采用了光纤冗余设计。即：OPGW线缆是松套线缆，线缆中的光纤长度长于线缆长度。在一定的范围内，OPGW线缆因为覆冰厚度的增加而受到更大的应力，并因而发生伸长形变时，线缆中的光纤仍旧会保持松弛状态，光纤的BFS也不会有明显变化。根据GB/T7424.2-E1标准，合格的OPGW光缆被要求“在被施加40％额定拉断力(RTS)下光纤无明显应变(0.01％或100με)，60％RTS下光纤应变小于等于0.25％(＝2500με)，光纤附加衰减小于等于0.05dB”。现有的BOTDA技术能达到的对于应力应变的测量精度为几到几十με，因此难以仅通过测得应力应变的方法有效测得RTS<40％，即覆冰厚度小于50mm时的值。即：难以通过BOTDA或者BOTDR的传统的解调算法中，通过将BFS曲线解调出光纤所受到的应力应变，进而得到OPGW线缆的覆冰信息。另一方面，温度值和OPGW高压输电线缆的覆冰状态也没有直接联系。比如：当温度达到-3℃时，OPGW线缆可能已经覆了很厚的冰。但是，当温度达到-10℃时，OPGW线缆也可以不覆冰。因此，难以通过BOTDA或者BOTDR的传统的解调算法中，通过将BFS曲线解调出光纤温度，进而得到OPGW线缆的覆冰信息。
发明内容
本发明通过提供一种高压输电线网的覆冰状态监测方法，解决了中长距离OPGW高压输电线缆的覆冰状态难以有效、可靠、经济地监测的问题。
本发明提供一种高压输电线网的覆冰状态监测方法，包括以下步骤：
步骤1、获取OPGW高压输电线缆的环境温度；
步骤2、获取所述OPGW高压输电线缆的布里渊频移曲线；
步骤3、解调所述布里渊频移曲线，得到所述OPGW高压输电线缆中的光纤温度信息、光纤应力应变信息；
步骤4、根据所述光纤温度信息，判断光纤温度是否低于冰点；若所述光纤温度不低于冰点，则无需报警，并返回至步骤1；若所述光纤温度低于冰点，则进一步对布里渊频移随时间的变化趋势进行判断；
若所述布里渊频移随时间降低或不变，则进入步骤5；若所述布里渊频移随时间增大，则进一步对所述环境温度是否符合预设的第一报警条件进行判断；
若所述环境温度低于冰点且所述环境温度随时间减小，则认为符合所述第一报警条件，发出报警信号，开启融雪程序，并返回至步骤1；否则，认为不符合所述第一报警条件，无须报警，并返至回步骤4；
步骤5、根据所述环境温度的变化率、所述光纤温度的变化率，解调获得所述OPGW高压输电线缆的覆冰厚度，进入步骤6；
步骤6、对所述覆冰厚度是否符合预设的第二报警条件或第三报警条件进行判断；
若所述覆冰厚度大于厚度阈值，则认为符合所述第二报警条件，发出报警信号，开启融雪程序，并返回至步骤1；否则，认为符合第三报警条件，发出报警信号，并返回至步骤1。
优选的，所述步骤4中，在认为符合所述第一报警条件之后，且在发出报警信号之前，还包括：结合所述环境温度，修正所述光纤应力应变信息，得到并显示修正后的光纤应力应变信息。
优选的，所述步骤4中，若所述环境温度低于冰点且所述环境温度随时间减小，则判断此时光纤所受的应力高于额定拉断力的40％，得出所述布里渊频移随时间增大是由所述OPGW高压输电线缆中的光纤所受的应力的增大而导致的，认为符合所述第一报警条件。
优选的，所述步骤5中，根据所述环境温度的变化率、所述光纤温度的变化率，解调获得所述OPGW高压输电线缆的覆冰厚度的具体实现方式为：
采用数值仿真方法，计算得到环境温度的变化率、光纤温度的变化率、覆冰厚度之间的对应关系；利用所述对应关系，解调获得所述OPGW高压输电线缆的覆冰厚度。
优选的，所述步骤5中，解调覆冰厚度之前，还包括：通过室内覆冰冻雨实验室对所述对应关系进行校准。
优选的，所述步骤5中，所述数值仿真方法采用有限元法。
优选的，所述步骤5中，所述对应关系表示为：
其中，表示环境温度的变化率，表示光纤温度的变化率，b(t,x)表示离起始点距离为x的光纤在时间t时的覆冰厚度；m表示关系函数，由有限元法计算得到。
优选的，所述步骤1中，通过气象站获得所述环境温度；所述步骤2中，通过BOTDA或BOTDR主机采集获取所述布里渊频移曲线。
优选的，所述步骤6中，所述厚度阈值为50mm。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，获取OPGW高压输电线缆的环境温度、布里渊频移曲线，解调布里渊频移曲线得到OPGW高压输电线缆中的光纤温度信息、光纤应力应变信息，根据环境温度的变化率、光纤温度的变化率，解调获得OPGW高压输电线缆的覆冰厚度，结合阈值判断是否符合报警条件、开启融雪程序。本发明综合气象条件，利用OPGW高压输电线缆中光纤的温度信息和应力应变信息，解调得到OPGW高压输电线缆的覆冰信息，有效解决了长距离OPGW高压输电线缆的覆冰状态难以有效、可靠、经济地监测的难题。本发明克服了传统的BOTDA或BOTDA技术只能通过BFS曲线解调出光纤的温度值或所受的应力应变信息，而不能解调出OPGW高压输电线缆的覆冰状态信息的难题，实现了对长距离OPGW高压输电线缆覆冰状态的有效监测。相比于传统的分布式光纤传感技术，本发明不需要额外的现场施工，也不影响高压输电线网的工作。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高压输电线网的覆冰状态监测方法的工作原理流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高压输电线网的覆冰状态监测方法中采用的环境温度的变化率、光纤温度的变化率、覆冰厚度之间的对应关系示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种高压输电线网的覆冰状态监测方法，参见图1，包括以下步骤：
步骤1、获取OPGW高压输电线缆的环境温度。
具体的，通过气象站获得所述环境温度(Tref)。
步骤2、获取所述OPGW高压输电线缆的布里渊频移曲线(即BFS曲线)。
具体的，通过BOTDA或BOTDR主机采集获取所述布里渊频移曲线。
步骤3、解调所述布里渊频移曲线，得到所述OPGW高压输电线缆中的光纤温度信息(Twire)、光纤应力应变信息(Swire)。
本发明可采用传统的解调算法解调布里渊频移曲线。
具体的，BFS＝α·ΔT+β·Δε，α为布里渊温度系数，β为布里渊应力系数。对于给定的光纤或光缆，其布里渊温度系数和布里渊应力系数可分别由实验测得。例如，对于G652D光纤，BFS每变化20MHz近似对应20微应变或1摄氏度。
步骤4、根据所述光纤温度信息，判断光纤温度(Twire)是否低于冰点；若所述光纤温度不低于冰点，则无需报警，并返回至步骤1；若所述光纤温度低于冰点，则进一步对布里渊频移随时间的变化趋势进行判断。
所述对布里渊频移随时间的变化趋势进行判断包括以下情况：
(4.1)若所述布里渊频移随时间降低或不变，则进入步骤5。
具体的，若测得BFS随时间降低或不变，说明此时温度还在持续降低，则接下来计算OPGW高压输电线缆的覆冰信息。
(4.2)若所述布里渊频移随时间增大，则进一步对所述环境温度是否符合预设的第一报警条件进行判断。
所述对环境温度是否符合预设的第一报警条件进行判断包括以下情况：
(4.2.1)若所述环境温度低于冰点且所述环境温度随时间减小，则认为符合所述第一报警条件，发出报警信号(报警度：高级)，开启融雪程序，并返回至步骤1。
具体的，若所述环境温度低于冰点且所述环境温度随时间减小，则判断此时光纤所受的应力高于额定拉断力的40％，得出所述布里渊频移随时间增大是由所述OPGW高压输电线缆中的光纤所受的应力的增大而导致的，认为符合所述第一报警条件。
(4.2.2)否则，认为不符合所述第一报警条件，无须报警，并返至回步骤4。
具体的，若测得此时环境温度随时间增大，则说明此时BFS的增大是由环境温度上升所导致，不需要报警。
优选的方案中，在认为符合所述第一报警条件之后，且在发出报警信号之前，还包括：结合所述环境温度，修正所述光纤应力应变信息(即修正BFS曲线变化中温度的影响)，得到并显示修正后的光纤应力应变信息。
步骤5：根据所述环境温度的变化率、所述光纤温度的变化率，解调获得所述OPGW高压输电线缆的覆冰厚度，进入步骤6。
具体的，根据所述环境温度的变化率、所述光纤温度的变化率，解调获得所述OPGW高压输电线缆的覆冰厚度的具体实现方式为：采用数值仿真方法，计算得到环境温度的变化率、光纤温度的变化率、覆冰厚度之间的对应关系；利用所述对应关系，解调获得所述OPGW高压输电线缆的覆冰厚度。
所述数值仿真方法可采用有限元法。所述对应关系表示为：
其中，表示环境温度的变化率，表示光纤温度的变化率，b(t,x)表示离起始点距离为x的光纤在时间t时的覆冰厚度；m表示关系函数，由有限元法计算得到，如图2所示。
优选的方案中，解调覆冰厚度之前，还包括：通过室内覆冰冻雨实验室对所述对应关系进行校准，以提升数据的准确性。
步骤5的原理为：OPGW高压输电线缆的比热容随覆冰厚度的增加而增大，即当环境温度的变化率一定时，由BOTDA或BOTDA测得的光纤的温度变化速度随覆冰厚度的增大而减小。
步骤6：对所述覆冰厚度(H_ice)是否符合预设的第二报警条件或第三报警条件进行判断。若所述覆冰厚度大于厚度阈值，则认为符合所述第二报警条件，发出报警信号(报警度：高级)，开启融雪程序，并返回至步骤1；否则，认为符合第三报警条件，发出报警信号(报警度：中级)，并返回至步骤1。
例如，OPGW受力40％时大约对应50mm覆冰，所述厚度阈值设置为50mm。
本发明实施例提供的一种高压输电线网的覆冰状态监测方法至少包括如下技术效果：
1.监测距离长：本发明对OPGW高压输电线缆的覆冰状态的最长监测距离达到百公里量级；
2.定位精度高：本发明能实现米量级的重覆冰区空间定位；
3.分布式监测：本发明能实现对OPGW高压输电线缆覆冰状态的分布式监测；
4.不受限于地形与环境：本发明的适用环境包括无人区、沙漠、热带雨林、低压低氧环境等环境；
5.抗电磁干扰：本发明的传感单元不含电学元件，不会受到电磁干扰的影响；
6.通过多参量监测提高解调精度：本发明能对OPGW高压输电线缆的温度、应力应变实时监测，再通过算法解调出覆冰信息。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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