一种架空输电线路走廊的分布式风速在线监测方法

摘要

本发明涉及一种架空输电线路走廊的分布式风速在线监测方法，利用分布式光纤振动监测仪监测输电线路光纤通道的光信号，然后通过采用广义形态学滤波器对采样信号进行滤波预处理去噪，进一步得到该信号所包含光纤通道各质点的在当前时刻的振动频率、振动幅度的振动参量；进而建立输电线表面垂直风向的单位长度上的抬举力、风速与线缆振动参量之间的关系，进而实现风速监测。

说明书

技术领域

本发明属于电力运维领域，特别涉及一种架空输电线路走廊的分布式风速在线监测方法。

背景技术

架空输电线路的受风激励而振动、舞动严重威胁着输电线路的安全运行。但由于缺乏相关数据，电力部门不能准确掌握线路的风力水平，难以评估导线、金具、铁塔等的疲劳寿命，预测风害事故的发生；由于输电线路分布区域广、传输距离长、地形条件复杂多变、受环境气候影响大，完全由人工定期巡检工作量大，且难以做到全天候、广覆盖。

因此，电力部门迫切需要一种对线路走廊风速进行在线监测的方法，以便评估线路的运行状态与疲劳程度。并希望通过对现场实时测量的数据进行分析和处理，及时掌握输电线路风害情况变化；通过对风力信息分析为输电线路的安全运行提供实时预警服务，提高输电线路设备的运行可靠性并降低维修费用。

发明内容

本发明的目的是为了解决的上述现有技术存在的问题，提供一种架空输电线路走廊的分布式风速在线监测方法，架空输电线路配置的有光纤的线缆。该监测方法无需在线路上额外安装传感器，通过检测输电线路配套光纤通道的振动状态，结合输电线路的振动与风速模型，实现输电线路走廊的分布式风速监测。

本发明的技术方案是：

一种架空输电线路走廊的分布式风速在线方法，所述的架空输电线路配置有光纤的线缆，其特征在于以分布式光纤振动监测系统测量的数据、输电线路分布式振动方程为基础来计算输电线路走廊的风速大小。

所述的架空输电线路为光纤复合架空地线OPGW、光纤复合相线OPPC或全介质自承式光缆ADSS。

当风吹过输电线后，由于空气的粘性作用，会在输电线表面产生较大的边界层，边界层因输电线表面不平坦而剥离进而形成周期性的卡尔曼漩涡。卡尔曼漩涡会引起输电线表面垂直风向的抬举力变化进而产生空气振动，进而形成了输电线风致振动；振动的强度与风速密切相关。因此，通过监测输电线路光通道的振动情况，就可以反演出输电线路走廊的风速情况。根据风速、不平衡张力与振动的具体关系，一种架空输电线路走廊的分布式风速在线方法，其特征在于具体按照以下步骤进行：

步骤1：利用分布式光纤振动监测仪向光纤中发送一束光脉冲后，采用高速数据采集卡采集光纤中的背向散射光的相位及偏振信息；然后用广义数学形态学滤波器对采集的光信号进行滤波运算，消减信号中的噪声，进一步得到该信号所包含光纤通道各质点的在当前时刻的振动频率、振动幅度参量；

步骤2：根据步骤1中的监测结果，得到输电线路光纤通道在受风激励时各质点在振动时偏离中心点的瞬时位移U、由采样频率及采集点数确定的时间t，进而计算得到线体在时间t上的二阶偏导数在空间距离x上的二阶偏导数进而线体上下表面单位长度上的不平衡张力即表现为抬举力F_l，根据瞬时位移U的二阶偏微分方程得以表达：

$F_l=m\frac{{\partial }^{2}U}{\partial t^2}-T_0\frac{{\partial }^{2}U}{\partial x^2}---\left(1\right)$

式中，m——单位长度上的线缆重量，视为常数，kg/m；

x——待计算质点与耐张线夹出口的距离，m；

t——时间，s；

U——待计算质点的振动时偏离中心点的位移，m；

T₀——输电线缆的水平张力，线路架设好以后视为一个常数，N；

步骤3：根据步骤1中的监测结果，得到输电线路光纤通道在受风激励时各质点在振动时的振动角频率ω＝2πf，其中f为所测线路的振动频率，根据流体力学的理论，输电线体表面单位长度上的抬举力F_l，也可以通过风速与振动频率表达为下式，单位为N/m

F_i＝0.5ρV²DC_lsin(ωt)>

式中，ρ——空气密度，kg/m³；

V——风速，m/s；

D——光纤所在线缆的直径，m；

C_l——升力系数，对于给定的系统视为常量，无量纲；

ω——输电线振动时的角频率，rad/s；

t——时间，s。

步骤4：通过公式(1)、(2)就可以建立起风速V与线缆振动参量之间的关系：

$0.5{\mathrm{\rho V}}^2{\mathrm{DC}}_l\sin \left(\omega t\right)=m\frac{{\partial }^{2}U}{\partial t^2}-T_0\frac{{\partial }^{2}U}{\partial x^2}---\left(3\right)$

式中，ρ、D、C_l、m、T₀为线路设计参量或者常量，为已知量或者通过前期的数据标定获取，ω、t、U、x为分布式光纤振动监测仪监测，能直接测量的值；

根据公式(3)，就计算出与耐张线夹出口距离x处的风速V：

$V=\sqrt{\frac{(m\frac{{\partial }^{2}U}{\partial t^2}-T_0\frac{{\partial }^{2}U}{\partial x^2})}{0.5{\mathrm{\rho DC}}_l\sin \left(\omega t\right)}}---\left(4\right)$

步骤5：相同的算法推广至输电线路各空间位置，则就实现了整条输电线路走廊的风速计算。

本发明可以结合输电线路自身的参数(单位长度质量、水平张力等)或者通过前期的若干数据的标定，实现输电线路走廊的分布式风速在线监测。该系统及方法可以对输电线路走廊的风速进行实时、在线的监测，有效提升输电线路系统的运行可靠性，降低人力物力消耗。

附图说明

图1是本发明的方法步骤流程图；

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。一种架空输电线路走廊的分布式风速在线监测方法，包括的步骤如图1所示：

步骤1：利用分布式光纤振动监测仪监测输电线路光纤通道的光信号，然后采用广义形态学滤波器对采样信号进行滤波预处理，预处理的具体方法是：分布式光纤振动监测仪向光纤中发送一束光脉冲后，采用高速数据采集卡采集光纤中的背向散射光的相位及偏振等信息，并用于后续处理；由于实际中的采样信号通常含有不同种类、不同频率的噪声，因此，短尺度的结构元素能够较好地滤除噪声中的高频成分，具有平滑波形的作用，而长尺度的结构元素则低通效果明显，需根据实际信号波形和以往的经验来选取，用广义数学形态学滤波器对采集的光信号进行滤波运算，可以消减信号中的噪声，进一步得到该信号所包含光纤通道各质点的在当前时刻的振动频率、振动幅度参量。

步骤2：根据步骤1中的监测结果，得到输电线路光纤通道在受风激励时各质点在振动时偏离中心点的瞬时位移U、由采样频率及采集点数确定的时间t，进而计算得到线体在时间t上的二阶偏导数在空间距离x上的二阶偏导数进而线体上下表面单位长度上的不平衡张力即抬举力F_l也可以根据瞬时位移U的二阶偏微分方程得以表达：

$F_l=m\frac{{\partial }^{2}U}{\partial t^2}-T_0\frac{{\partial }^{2}U}{\partial x^2}---\left(1\right)$

式中，m——单位长度上的线缆重量，可视为常数，kg/m；

x——待计算质点与耐张线夹出口的距离，m；

t——时间，s；

U——待计算质点的振动时偏离中心点的位移，m；

T₀——输电线缆的水平张力，线路架设好以后可视为一个常数，N；

步骤3：根据步骤1中的监测结果，也可以得到输电线路光纤通道在受风激励时各质点在振动时的振动角频率ω＝2πf，其中f为所测线路的振动频率。根据流体力学的理论，输电线体表面单位长度上的抬举力也可以通过风速与振动频率表达为(单位：N/m)：

F_l＝0.5ρV²DC_lsin(ωt)(2)

式中，ρ——空气密度，kg/m³；

V——风速，m/s；

D——光纤所在线缆的直径，m；

C_l——升力系数，对于给定的系统，可视为常量，无量纲；

ω——输电线振动时的角频率，rad/s；

t——时间，s。

步骤4：通过公式(1)(2)就可以建立起风速V与线缆振动参量之间的关系：

$0.5{\mathrm{\rho V}}^2{\mathrm{DC}}_l\sin \left(\omega t\right)=m\frac{{\partial }^{2}U}{\partial t^2}-T_0\frac{{\partial }^{2}U}{\partial x^2}---\left(3\right)$

式中，ρ、D、C_l、m、T₀为线路设计参量或者常量，为已知量或者可通过前期的数据标定获取，ω、t、U、x为分布式光纤振动监测仪监测可以直接测量的值。

根据公式(3)，就可以计算出与耐张线夹出口距离x处的风速V：

$V=\sqrt{\frac{(m\frac{{\partial }^{2}U}{\partial t^2}-T_0\frac{{\partial }^{2}U}{\partial x^2})}{0.5{\mathrm{\rho DC}}_l\sin \left(\omega t\right)}}---\left(4\right)$

步骤5：相同的算法推广至输电线路各空间位置，则就实现了整条输电线路走廊的风速计算。