一种基于BOTDR分布式光纤传感的杆塔倾斜监测系统及方法

摘要

本发明提供一种基于BOTDR分布式光纤传感的杆塔倾斜监测系统及方法，系统包括BOTDR设备、分布式光纤传感器以及计算机系统，所述的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线OPGW内的一根传感光纤，光纤复合架空地线的传感光纤通过变电站内的接口接入BOTDR，并与BOTDR的光纤纤芯连接，BOTDR与计算机系统相连。BOTDR通过BOTDR分离出输电线路中各档距的温度和应力两个参变量，并根据解调出的应力结合输电线路的档距、杆塔高度、地理信息和OPGW参数信息，采用悬链线状态方程求解出杆塔倾斜后造成的档距增量，进而结合OPGW在杆塔上的挂点高度求解得到杆塔倾斜的角度，实现输电线路中顺线杆塔倾斜的在线监测。

说明书

技术领域

本发明属于输电线路在线监测领域，特别涉及一种基于BOTDR分布式光纤传感的 杆塔倾斜监测系统及方法。

背景技术

随着电力行业的发展，供电安全、稳定是人们关注的重点问题。然而受地质、外部 环境因素的改变和线路设计缺陷的影响，高压输变电线路的杆塔可能会发生倾斜，这种 杆塔的倾斜会严重影响到线路的安全、稳定运行，极有可能导致倒塔、断线、跳闸等现 象，从而出现大面积的停电故障，给社会工业生产、人们日常生活带来极大的不便。因 此，研究开发一种输电线路杆塔倾斜的在线监测方法具有十分重大的工程应用价值。

目前，对于杆塔倾斜的检测或监测方法主要有铅垂法、经纬仪法、GSM杆塔仪以 及在杆塔上直接贴电阻应变片进行检测的方法。对于铅垂法和经纬仪方法是比较传统的 方法，需要人工进行现场检测，GSM杆塔仪和电阻应变贴片应用到了传感器技术，且 属于在线监测，但是其应用依然受到限制。随着光纤传感技术的发展和广泛应用，人们 更青睐于采用光纤传感技术来实现分布式在线监测。布里渊散射传感技术是一种新型光 频率调制传感技术，其能够对光纤沿线的温度和应变实现分布式测量，并且具有测量点 定位功能，该项技术具有检测精度高、定位准确、分布式测量等多项优势。目前主要应 用的分布式光纤温度应变解调原理是基于布里渊散射传感技术的BOTDA(Brillouin  Optical Time Domain Analysis，布里渊光时域分析)和BOTDR(Brillouin Optical Time  Domain Reflectometry，布里渊光时域反射)技术。其中，BOTDA尽管具有较高的监测 距离和监测精度，但它采用双端测量方式，需要将线路两端均接到设备中，对实施不方 便；BOTDR尽管对信号解调系统具有较高要求，且探测的是微弱的自发布里渊散射光， 但其为单端测量方式，实施起来比较便捷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于BOTDR分布式光纤传感的杆塔倾斜监测系统及 方法，以获得线路上杆塔倾斜角的变化情况，实现输电线杆塔倾斜、倾斜角的在线监测。

本发明的技术方案为：

一种基于BOTDR的顺线杆塔倾斜在线监测系统，包括：BOTDR设备、分布式光 纤传感器以及计算机系统，其特征是：所述的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线 OPGW内的一根传感光纤，光纤复合架空地线的传感光纤通过变电站内的接口接入 BOTDR，并与BOTDR的光纤纤芯连接，BOTDR与计算机系统相连。

所述的光纤复合架空地线内的一根传感光纤为一根单模光纤，利用光纤复合架空地 线中的一根单模光纤作为传感器，监测传感器的温度与应变参数。

所述的计算机系统通过USB接口与BOTDR连接，接收BOTDR发送的分布式光 纤传感器上各空间位置上的温度与应力信息；并完成存储、管理、计算、显示信息，通 过现有相应算法计算出输电线路的杆塔倾斜状况，达到实时监测的目的。

利用上述的一种基于BOTDR的顺线杆塔倾斜在线监测系统的方法，其特征是按以 下步骤进行：BOTDR实时接收光纤复合架空地线内的传感光纤也就是分布式光纤传感 器上各空间位置上的温度与应力，BOTDR解调出各空间位置上的温度t和应力σ后， 根据架空线的悬链线状态方程，求解由于杆塔倾斜而造成的档距增量Δl：

$\left(\begin{array}{c}{l}_2\left\{\sqrt{{\left(\frac{L_{02}}{l_2}\right)}^2+{\left(\frac{h}{l_2}\right)}^2}\right[1-\alpha (t-t_0)]-\frac{\sigma }{2E}[1+(\frac{L_{02}}{l_2}+\frac{2l_2}{L_{02}}{\left(\frac{h}{l_2}\right)}^2)\cosh \left(\frac{\gamma l_2}{2\sigma }\right)\left]\right\}\\ =l\{\sqrt{{\left(\frac{L_{01}}{l}\right)}^2+{\left(\frac{h}{l}\right)}^2}-\frac{{\sigma }_1}{2E}[1+(\frac{L_{01}}{l}+\frac{2l}{L_{01}}{\left(\frac{h}{l}\right)}^2)\cosh \left(\frac{\mathrm{\gamma l}}{2{\sigma }_1}\right)\left]\right\}\end{array},-,-\right)-\left(1\right)$

l₂＝l+Δl  (2)

$L_{01}=\frac{2{\sigma }_1}{\gamma }\sinh \left(\frac{\mathrm{\gamma l}}{2{\sigma }_1}\right)---\left(3\right)$

$L_{02}=\frac{2\sigma }{\gamma }\sinh \left(\frac{\gamma l_2}{2\sigma }\right)---\left(4\right)$

式(1)、(2)、(3)、(4)中，

σ、σ₁——分别为杆塔倾斜时的水平应力和温度为t₀时无杆塔倾斜时的水平应力；

l、l₂——分别为原始档距和杆塔倾斜后的档距，单位：m；

L₀₁、L₀₂——为杆塔倾斜前和倾斜后的等高线长，单位：m；

t、t₀——分别为杆塔倾斜后和杆塔倾斜前的温度(单位：℃)；

γ——为OPGW的自重比载，单位：Mpa/m；

h——为档距内的高差，单位：m；

α——为架空线的热膨胀系数，单位：/℃；

E——为架空线的杨氏模量，单位：Mpa；

通过悬链线状态方程采用牛顿迭代方法求解出杆塔倾斜后造成的档距增量Δl后，结合 OPGW在杆塔上的挂点高度计算出杆塔的倾斜角θ：

$\theta =\arctan \frac{\mathrm{\Delta l}}{H}---\left(5\right)$

式中θ为杆塔倾斜的角度(rad)，H为OPGW在杆塔上的挂点高度，以角度表示为： 180×θ/π。

所述的BOTDR原理为向光纤复合架空地线也就是分布式光纤传感器发射脉冲激 光信号，光信号在光纤中传播时，受光纤材料的影响会产生后向散射光信号；当OPGW 的温度、应变发生变化后，OPGW的弧垂就会发生变化；同时光纤的微结构也会发生 变化，导致后向散射光的中心波长会发生偏移；通过检测后向散射光的返回时间就可以 计算出温度、应变发生变化的位置。

本发明的有益效果：利用BOTDR解析出OPGW的温度和应变，实现了杆塔倾斜 的判断和倾斜角的测量，达到了对输电线路的杆塔倾斜在线监测的目的。

附图说明

图1为本发明的基于BOTDR的顺线杆塔倾斜监测系统的示意图。

具体实施方式：

结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于BOTDR的顺线杆塔倾斜在线监测系统，包括：BOTDR设 备、分布式光纤传感器以及计算机系统，其特征是：所述的分布式光纤传感器为光纤复 合架空地线OPGW内的一根传感光纤，光纤复合架空地线的传感光纤通过变电站内的 接口接入BOTDR，并与BOTDR的光纤纤芯连接，BOTDR与计算机系统相连。所述 的光纤复合架空地线内的一根传感光纤为一根单模光纤，利用光纤复合架空地线中的一 根单模光纤作为传感器，监测传感器的温度与应变参数。所述的计算机系统通过USB 接口与BOTDR连接，接收BOTDR发送的分布式光纤传感器上各空间位置上的温度与 应力信息；并完成存储、管理、计算、显示信息，通过现有相应算法计算出输电线路的 杆塔倾斜状况，达到实时监测的目的。

BOTDR向光纤复合架空地线也就是分布式光纤传感器发射脉冲激光信号，光信号 在光纤中传播时，受光纤材料的影响会产生后向散射光信号；当OPGW的温度、应变 发生变化后，OPGW的弧垂就会发生变化；同时光纤的微结构也会发生变化，导致后 向散射光的中心波长会发生偏移；通过检测后向散射光的返回时间就可以计算出温度、 应变发生变化的位置，并解调出沿线各位置的温度与应变大小。将BOTDR获得的温度 和应变信息通过USB接口传输给计算机系统，进行沿线上的杆塔是否倾斜的判断以及 计算杆塔倾斜角的计算，并完成数据的存储、管理、计算、结果显示以及异常报警等， 达到对杆塔倾斜的实时监测目的。

利用上述的一种基于BOTDR的顺线杆塔倾斜在线监测系统的方法，其特征是按以 下步骤进行：BOTDR实时接收光纤复合架空地线内的传感光纤也就是分布式光纤传感 器上各空间位置上的温度与应力，BOTDR解调出各空间位置上的温度t和应力σ后， 根据架空线的悬链线状态方程，求解由于杆塔倾斜而造成的档距增量Δl：

$\left(\begin{array}{c}{l}_2\left\{\sqrt{{\left(\frac{L_{02}}{l_2}\right)}^2+{\left(\frac{h}{l_2}\right)}^2}\right[1-\alpha (t-t_0)]-\frac{\sigma }{2E}[1+(\frac{L_{02}}{l_2}+\frac{2l_2}{L_{02}}{\left(\frac{h}{l_2}\right)}^2)\cosh \left(\frac{\gamma l_2}{2\sigma }\right)\left]\right\}\\ =l\{\sqrt{{\left(\frac{L_{01}}{l}\right)}^2+{\left(\frac{h}{l}\right)}^2}-\frac{{\sigma }_1}{2E}[1+(\frac{L_{01}}{l}+\frac{2l}{L_{01}}{\left(\frac{h}{l}\right)}^2)\cosh \left(\frac{\mathrm{\gamma l}}{2{\sigma }_1}\right)\left]\right\}\end{array},-,-\right)-\left(1\right)$

l₂＝l+Δl  (2)

$L_{01}=\frac{2{\sigma }_1}{\gamma }\sinh \left(\frac{\mathrm{\gamma l}}{2{\sigma }_1}\right)---\left(3\right)$

$L_{02}=\frac{2\sigma }{\gamma }\sinh \left(\frac{\gamma l_2}{2\sigma }\right)---\left(4\right)$

式(1)、(2)、(3)、(4)中，

σ、σ₁——分别为杆塔倾斜时的水平应力和温度为t₀时无杆塔倾斜时的水平应力；

l、l₂——分别为原始档距和杆塔倾斜后的档距，单位：m；

L₀₁、L₀₂——为杆塔倾斜前和倾斜后的等高线长，单位：m；

t、t₀——分别为杆塔倾斜后和杆塔倾斜前的温度(单位：℃)；

γ——为OPGW的自重比载，单位：Mpa/m；

h——为档距内的高差，单位：m；

α——为架空线的热膨胀系数，单位：/℃；

E——为架空线的杨氏模量，单位：Mpa；

通过悬链线状态方程采用牛顿迭代方法求解出杆塔倾斜后造成的档距增量Δl后，结合 OPGW在杆塔上的挂点高度计算出杆塔的倾斜角θ：

$\theta =\arctan \frac{\mathrm{\Delta l}}{H}---\left(5\right)$

式中θ为杆塔倾斜的角度(rad)，H为OPGW在杆塔上的挂点高度，以角度表示为： 180×θ/π。

本发明的BOTDR可以在极短的时间内完成整条输电线路的OPGW在空间上的温 度及应力分布，其空间分辨率可以精确到数米。通过获得的温度和应变数据结合杆塔以 及线路参数通过公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)式计算出输电线路上各杆塔的倾斜角。本方 法可以高效的获取高压输电线路上的各杆塔的倾斜角，并实现实时在线监测；无需现场 安装传感器，极大的提高了输电线路杆塔顺线监测的效率。