一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统

摘要

本发明涉及一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统，包括：新型OPPC构成的输电线路、现场监测装置和远程监控装置；新型OPPC中第一光单元中设置有紧套光纤；第二光单元中设置有松套光纤；现场监测模块设置有：监测模块和安全隔离模块；线路一端经接续盒、导引光缆接入光纤配线架再接入现场监测装置，线路另一端经接续盒、导引光缆接入光纤配线架并在光纤配线架上跳纤环回；远程监控装置包括：监控管理模块、数据中心模块、数据分析模块。本发明所提出的一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统，实现了对OPPC线路温度、载流量和应力进行全程实时连续监测，为线路运行检修提供有力的技术支撑，保障电网安全运行。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤复合架空相线的监测，特别是一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统。

背景技术

随着国民经济的快速发展，能源使用量急剧增加，特别是对电力资源的需求量大幅度提高，调整和优化电力资源，实现电网智能化将是电力工业实现转型的必经之路。智能电网是将先进的传感量测量技术、信息通信技术、分析决策技术和自动控制技术与能源电力技术以及电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。输电网智能化是智能电网的关键部分。我国幅员辽阔、地理环境差异明显，输电线路分布范围极大、运行条件复杂，易受自然环境影响和外力破坏，给输电线路的巡检维护工作带来极大的困难。

近年来，国内外提出了的将在光传感系统用于架空输电线路在线监测领域，实现导线温度、导线应变、覆冰厚度、导线弧垂等参数测量。发明专利“输电线路弧垂在线监测系统”（申请号200910089445.0）、“用于输电线路的光纤光栅监测系统”（申请号200910237747.8）等专利提出了利用光纤光栅传感技术实现对输电线路的覆冰、舞动等现象在线监测。在该方法中，需要设计特殊的光纤光栅拉力测量传感器，将拉力传感器安装于绝缘子串和挂板之间（取代原先的球形接头），实现悬挂点的应变、倾角参数测量。但该方法只监控了悬挂点的应变、倾角信息，属于点式测量，监测数据点少。发明专利“输电线路监测方法及装置”（授权号CN101614602B）公开了一种利用光纤传感器对输电线路进行实时监测的方法和装置，该方法提出了光纤既是传感器，也是信号传输线，突破了点式测量的局限性，实现了输电线路全程监控；但该方法需要沿输电线路额外布置光纤传感器，并要求与输电线路紧密接触，这在实际输电线路工程上难以实现。实用新型专利“超高压输电线路在线综合监测系统”（授权号CN202757987U）公开了一种包括分布式光纤在线测温系统的智能综合监测系统，分布式光纤在线测温系统的传感光缆植入电力电缆中，可以实时监测导体温度和电缆的动态载流量。但该专利中分布式光纤在线测温系统只能利用传感光纤实现输电线路温度的测量，不能实现输电线路应变的测量，而应变的大小对于输电线路的弧垂、舞动、覆冰等状态研究有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统，以实现对输电线路的运行状态实时监测。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统，其特征在于，包括：光纤复合相线、现场监测装置和远程监控装置；所述现场监测装置设置有：现场监测模块和安全隔离模块；所述现场监测模块用于实时获取所述输电线路的现场监测数据；所述现场监测模块经所述安全隔离模块通过远程通信连接至所述远程监控装置；所述远程监控装置包括：监控管理模块、数据中心模块和数据分析模块；所述远程监控装置实时接收所述现场监测数据，并进行处理、存储和分析；所述监控管理模块经所述数据中心模块连接至所述数据分析模块。

在本发明一实施例中，所述光纤复合相线采用新型OPPC；所述新型OPPC包括第一光单元和第二光单元；所述第一光单元中设置在所述新型OPPC的中心层，且所述第一光单元中设置有用于输电线路应变监测的紧套光纤；所述第二光单元中设置在所述新型OPPC的绞合层，且所述第二光单元中设置有用于输电线路温度监测的松套光纤且至少有一根纤芯余长为0.5%-0.8%。

在本发明一实施例中，所述新型OPPC中还设置有铝包钢线和（或）铝线；所述铝包钢线和（或）铝线设置于所述新型OPPC的绞合层。

在本发明一实施例中，所述的现场监测模块包括现场温度监测和应变监测模块、环境温度监测模块及风速监测模块。

在本发明一实施例中，所述现场监测装置还包括一温度监测模块及应变监测模块，且该温度监测模块及应变监测模块采用如下方式计算所述光纤复合相线的温度：                                                ，采用如下方式计算所述光纤复合相线的应变：，其中，L为光单元到监测装置的距离， 为第一光单元布里渊频谱分布信息、为第二光单元布里渊频谱分布信息，为第一光单元温度的变化量、为第二光单元温度的变化量，为第一光单元应变的变化量、为第二光单元应变的变化量，为第一光单元布里渊频移温度系数、为第二光单元布里渊频移温度系数，为第一光单元布里渊频移应变系数、为第二光单元布里渊频移应变系数；且所述第一光单元布里渊频移温度系数、所述第二光单元布里渊频移温度系数、所述第一光单元布里渊频移应变系数及所述第二光单元布里渊频移应变系数通过测试所述新型OPPC中第一光单元、第二光单元中紧套光纤和松套光纤获得。

在本发明一实施例中，所述监控管理模块包括：变量管理模块、图形监控模块、报警模块、数据存储模块和权限管理模块；所述变量管理模块用于管理传感变量、线性变量、载流量变量和可控变量；所述图形监控模块用于对所述变量管理模块中对应变量和现场监测数据的显示和监控；所述报警模块接收所述分布式传感器上传的报警信息，通过所述图形监控模块完成报警的具体位置的显示；所述权限管理模块用于对用户的使用权限进行管理；所述数据中心模块包括：数据存储模块和数据服务模块；所述数据分析模块包括：分布式数据回放及叠加分析模块、分布式数据历史分析模块、分布式数据稳定性分析模块。

进一步的，还提供一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：在两个变电站之间的终端塔上架设由新型OPPC构成的线路，在其中一个变电站通信机房内设置第一光纤配线架和现场监测装置，在另一个变电站通信机房内设置第二光纤配线架，所述线路的两端分别通过导引光缆引入对应的变电站通信机房，且所述导引光缆采用与所述新型OPPC中第一光单元和第二光单元同类型同数量光纤的ADSS或普通光缆；

S2：分别获取所述线路和两条导引光缆对应端口内的紧套光纤和松套光纤；将所述线路一端和其中一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在一接续盒内，且该接续盒设置在一终端塔上；将所述线路另一端和另一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在另一接续盒内，且该接续盒设置在另一终端塔上；分别将两条导引光缆另一端分别对应成端于所述第一光纤配线架和所述第二光纤配线架；用跳纤将所述第一光纤配线架与所述现场监测装置相连，用跳纤将成端于所述第二光纤配线架上的紧套光纤和松套光纤进行连接，以构成一监测回路；所述接续盒是一种能抗高压、绝缘性能良好的专用接续盒

S3：在所述线路上布设环境温度监测模块和风速监测模块；

S4：启动所述现场监测装置中的现场监测模块，对所述线路中光纤温度和应变进行实时全程连续测试，并每隔T秒自动记录和保存一组采集的温度和应变值；每隔T小时自动记录和保存一组采集的环境温度和风速值；

S5：现场监测模块采集数据经安全隔离模块通过远程通信送至远程监控装置，所述远程监控装置根据现场测量数据、载流量稳态数学模型以及载流量暂态数学模型获取所述线路中的载流量，并分析所述线路受力情况。

在本发明一实施例中，在所述步骤S5中，所述载流量稳态数学模型为：；所述载流量暂态数学模型为：；其中，为载流量，为对流散热功率，为辐射散热功率，为日照辐射吸热功率，为导线表面温度为时的导线单位长度的交流电阻，m为单位长度导线的质量，为导线的比热容。

本发明所提出的一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统，通过采用新型OPPC结构，在该新型OPPC中设置松套光纤和紧套光纤，采用布里渊散射分布式监测装置，实现了全程连续监测电力架空光缆温度和应变的目的。该监测方法实现了长度不大于75km输电线路全程实时监测，线路长度采样间隔达0.1~1m；每隔20S测量一组温度和应变数据，并自动记录和保存，温度精度达°C，温度分辨率为0.1°C；应变精度达，应变分辨率为。并开发了状态监测和分析诊断综合软件，实现了输电线路状态运行的全程实时监测，无测量盲区，无需额外布置传感器，施工简单方便，实现了线路设备由定期检修到状态检修方式转变，且借助该输电线路在线监测系统，技术人员能够及时发现线路安全隐患，分析查找故障原因，组织力量进行快速抢修，提升了线路安全性，改善了传统的检修管理方式，方便了运行维护，有效地节省了人力物力，提升了生产运行管理水平，保证了输电线路安全稳定运行，同时该在线监控系统也符合智能电网发展方向。

附图说明

图1为本发明中监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统的原理图。

图2为本发明中新型OPPC结构图。

图3为本发明监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统的连接示意图。

图4为本发明中远程监控装置组成图。

图5为本发明中远程监控装置实现OPPC在线监控原理图。

图6为本发明中远程监控装置中监控主界面示意图。

图7为本发明中现场监测装置的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统，其特征在于，如图1所示，包括：光纤复合相线、现场监测装置和远程监控装置；所述光纤复合相线采用新型OPPC。

在本实施例中，如图2所示，所述新型OPPC包括第一光单元1和第二光单元2；所述第一光单元1中设置在所述OPPC输电线路的中心层，且所述第一光单元1中设置有用于输电线路应变监测的2芯紧套光纤11，且该紧套光纤11的余长为零，芯直径为0.9mm；进一步的，所述第一光单元1还包括用于放置所述紧套光纤11的不锈钢管，且该不锈钢管直径为2.7mm；此外，所述第一光单元1还填充有油膏。

所述第二光单元2中设置在所述新型OPPC的绞合层，且所述第二光单元2中设置有用于输电线路温度监测的12芯松套光纤21，且该松套光纤21的与余长为0.5%~0.8%，芯直径为250微米；进一步的，所述第二光单元2还包括用于放置所述松套光纤21的不锈钢管，且该不锈钢管直径为2.7mm；此外，所述第二光单元2内还均填充有油膏。

在本实施例中，所述绞合层还设置有铝包钢线3，共包括5根铝包钢线，且每根铝包钢线的直径为2.7mm。所述铝线4绞合在所述绞合层的外围；在本实施例中，在所述绞合层的外围绞合有两层直径为3.45mm的铝线，其中，第一层绞合有10根铝线，第二层绞合有16根铝线，且整个光纤复合架空相线的直径是21.90mm。此外，在本实施例中，设置在绞合层的铝包钢线3可采用铝线。

所述现场监测装置设置有：现场监测模块和安全隔离模块；所述现场监测模块用于实时获取所述输电线路的现场监测数据。所述现场监测模块经所述安全隔离模块通过远程通信连接至所述远程监控装置；进一步的，为满足远程监控以及其它业务系统开发的需要，现场实时监测数据通过Internet网络传输至远程监控装置。如图3所示，现场监测装置经安全隔离模块通过以太网接入远程监控装置，以实时监测OPPC输电线路温度与载流量、应变与应力的变化，方便了线路实时温度和应变监测数据与其它应用系统的共享，例如架空线路综合监测平台、弧垂分析、动态增容等系统，提高了部署的灵活性，此外，也使得温度应变监测数据的备份和共享更为便利。在本实施例中，安全隔离模块采用防火墙，并设定严格的访问控制策略，以确保现场监测数据上传至远程监控装置过程中的安全性。

在本实施例中，所述现场监测模块包括温度监测和应变监测模块、环境温度监测模块及风速监测模块。

在本实施例中，温度监测模块及应变监测模块采用一布里渊光时域分析仪。所述布里渊光时域分析仪具有两个光端口，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二光端口用于发送脉冲激光信号，同时具有接收反馈的布里渊频谱信号功能；布里渊光时域分析仪接收到电力架空光缆内部第一光单元、第二光单元内光纤散射信号后，实时计算出第一光单元内光纤的布里渊频谱全程分布信息和第二光单元内光纤的布里渊频谱全程分布信息，L为光单元到布里渊光时域分析仪的距离。第一光单元、第二光单元内光纤的布里渊频谱与温度及应变的对应关系分别记为如下公式：

式中、分别为第一光单元、第二光单元的布里渊频移温度系数，、分别为第一光单元、第二光单元的布里渊频移应变系数。、分别为第一光单元、第二光单元温度的变化量，、分别为第一光单元、第二光单元应变的变化量。

在架空光缆相同位置，第一光单元、第二光单元内光纤所承受的温度变化量相同，即；并且第一光单元和第二单元均处于电力架空光缆的内部，其外部为多层铝绞线，架空线横截面可近似为一个均匀分布的热场，即第一光单元、第二光单元内光纤的温度变化、可等效为架空光缆的温度变化，另外由于第二光单元内部为余长较大的松套光纤，即使架空光缆存在应变而发生拉伸形变时，也并不会使松套光纤受力，因此第二光单元中的松套光纤仅仅与架空线路的温度有关，而与应变无关，即始终为0。通过式（2）中第二光单元的布里渊频移得出第一光单元、第二光单元相同位置的温度变化量为：

第一光单元内部光纤为没有余长的紧套光纤，并且位于架空光缆中心，不存在绞合余长，因此电力架空光缆发生形变时的应变将直接传递给第一单元内的紧套光纤，第一光单元内的紧套光纤的应变变化可等效为架空光缆的应变变化。第一光单元中光纤布里渊频谱与温度和应变同时相关，将式（3）带入式（1）中得出第一光单元应变变化量为：

第一光单元、第二光单元布里渊频移温度系数、及第一光单元、第二光单元布里渊频移应变系数、可以通过标定或经验值得出，因此通过式（3）和式（4）可以得到电力架空光缆温度及应变的全程分布。进一步的，第一光单元、第二光单元布里渊频移温度系数、及第一光单元、第二光单元布里渊频移应变系数、通过测试所述新型OPPC中第一光单元、第二光单元中紧套光纤和松套光纤获取。

进一步的，如图4所示，所述远程监控装置包括：监控管理模块、数据中心模块和数据分析模块；所述监控管理模块包括：变量管理模块、图形监控模块、报警模块、数据存储模块和权限管理模块；所述监控管理模块经所述数据中心模块连接至所述数据分析模块，且所述的监控管理模块、数据中心模块和数据分析模块均部署在对应的服务器主机上；所述远程监控装置实时接收所述现场监测数据。

在本实施例中，为方便用户对传感数据的定义，增加“变量”概念，定义的变量可以结合算法计算出新的变量。系统定义了四种算法变量，包括传感变量、线性变量、载流量变量、可控变量。所述变量管理模块用于管理传感变量、线性变量、载流量变量和可控变量。传感变量可以从传感数据的数组中取出某一点或某一段的最大值，该类型变量为最基础的变量，其他变量都是基于该类型变量重新计算而来。线性变量适用于从光栅的波长传感值，运算到温度和应变。载流量变量由输入的温度、气象、电缆参数等运算得出，可控变量可以通过手工编辑其对应的值，可以用于其它变量参数，方便手动调整。

在本实施例中，所述图形监控管理模块用于对所述变量管理模块中对应变量和原始传感数组的显示和监控；在监控模块中定义了两种图形显示方式，基于变量的显示及原始传感数组的显示。变量的方式以便签控件方式显示，定义了显示位置、显示大小以及背景颜色等。原始传感数组的显示，以色彩为传感值的大小，以一条物理空间走向的彩色曲线显示。

所述报警模块接收所述分布式传感器上传的报警信息，通过所述图形监控模块完成报警的具体位置的显示；报警模块接收BOTDA的报警信息，在物理空间走向的曲线上显示报警位置，在该过程中，可以通过变量控件设置变量的阈值，并以不同的背景色来指示。

所述数据存储模块用于对所述的监测数据进行存储，所有的变量都可以在一定的间隔保存到数据库，以便历史分析使用。

所述权限管理模块用于对用户的使用权限进行管理，方便控制软件功能的使用。

在本实施例中，所述数据中心模块包括：分布式数据存储模块和数据服务模块。分布式数据存储模块可以连接多台现场监测装置测试的数据，并将上传的传感数据以“设备地址->通道名->年月->数据类型”路径存储。在数据服务模块中，分布式数据经开发的服务程序提供的数据查询接口，连接分析软件。

在本实施例中，所述数据分析模块包括：分布式数据回放及叠加分析模块、分布式数据历史分析模块、分布式数据稳定性分析模块；分布式数据回放及叠加分析模块用于查询某一时间段的数据，并可以连续播放，查看数据变化情况，提供单条曲线及叠加显示两种方式。分布式数据历史分析模块用于查询某一时间段、某一位置或某一段的最大值和平均值的变化情况。分布式数据稳定性分析模块用于查询一段时间上，所有位置的数据在时间上的最大值和平均值，评估数据在时间上的稳定度。

在本实施例中，如图5所示，所述远程监控装置通过综合分析管理软件进行大数据处理、存储和综合分析，生成OPPC温度、应变、载流量等线路监测数据，并通过图形监控模块进行展示，监控主界面示意如图6所示，实现了输电线路全程连续综合监控。

进一步的，为了让本领域技术人员更了解本发明所提出的一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控系统，如图7所示，还提供一种用于监测输电线路运行状态的OPPC在线监控方法，包括下述步骤：

S1：在两个变电站之间的终端塔上架设由新型OPPC构成的线路，在其中一个变电站通信机房内设置第一光纤配线架和现场监测装置，在另一个变电站通信机房内设置第二光纤配线架，所述线路的两端分别通过导引光缆引入对应的变电站通信机房，且所述导引光缆采用与所述新型OPPC中第一光单元和第二光单元同类型同数量光纤的ADSS或普通光缆；

S2：分别获取所述线路和两条导引光缆对应端口内的紧套光纤和松套光纤；将所述线路一端和其中一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在一接续盒内，且该接续盒设置在一终端塔上；将所述线路另一端和另一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在另一接续盒内，且该接续盒设置在另一终端塔上；分别将两条导引光缆另一端分别对应成端于所述第一光纤配线架和所述第二光纤配线架；用跳纤将所述第一光纤配线架与所述现场监测装置相连，用跳纤将成端于所述第二光纤配线架上的紧套光纤和松套光纤进行连接，以构成一监测回路；所述接续盒是一种能抗高压、绝缘性能良好的专用接续盒

S3：在所述线路上布设环境温度监测模块和风速监测模块；

S4：启动所述现场监测装置中的现场监测模块，对所述线路中光纤温度和应变进行实时全程连续测试，并每隔T秒自动记录和保存一组采集的温度和应变值；每隔T小时自动记录和保存一组采集的环境温度和风速值；

S5：现场监测模块采集数据经安全隔离模块通过远程通信送至远程监控装置，所述远程监控装置根据现场测量数据、载流量稳态数学模型以及载流量暂态数学模型获取所述线路中的载流量，并分析所述线路受力情况。

在本实施例中，所述步骤S5中，所述载流量稳态数学模型为：；所述载流量暂态数学模型为：；其中，为载流量，为对流散热功率，为辐射散热功率，为日照辐射吸热功率，为导线表面温度为时的导线单位长度的交流电阻，m为单位长度导线的质量，为导线的比热容。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。