一种智能电网覆冰监测中BOTDR温度、应变快速分离方法

摘要

本发明公开了一种智能电网覆冰监测中布里渊光时域反射技术（BOTDR）温度、应变快速分离方法，利用电网中光纤复合架空地线（OPGW）电缆进行传感监测，得到布里渊散射谱图。选取沿光纤路径布里渊散射谱最大值附近3dB范围内的点进行基于最小二乘法的二次多项式拟合，拟合后得到多项式的方程，根据多项式系数计算出峰值功率和中心频率后，获得功率和频移曲线。根据频移曲线和功率曲线，选取光纤接续处，重新标定布里渊功率的温度系数和应变系数，经过系数修正后，可以实现温度和应变准确分离。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种智能电网覆冰监测中BOTDR温度、应变快速分离方法。

背景技术

近来，各个领域的先进技术在传统电网中被广泛应用，使得电网的发展有了智能化的趋势。然而在输电过程中，地形地况复杂，输电线路遭遇线路覆冰的概率非常高，特别是在湿度大或者易降雪的地区，容易出现线路覆冰的现象。输电线路覆冰严重威胁电网的安全运行，会引起舞动损坏、线路跳闸停电、绝缘子串覆冰引发覆冰闪络、断线、倒塔等重大事故。因此，采用可靠、有效的检测手段和分析诊断技术对长距离输电线路设备的状态进行监测从而能及时准确的掌握设备的运行状态，是保证设备安全、可靠和经济的运行，应对突发自然灾害时减小灾害损失，保障输电线路和电力系统安全稳定运行的重要措施。

目前，大多数方案利用先进的数字视频压缩技术、低功耗技术、GPRS无线通信技术，将现场图像信息传输到监控中心的服务器上，从而实现对输电线路全天候监测。但电学类点式监测方案有成本高、无法完全覆盖电网、高压大电流环境下工作不稳定、有源方案需供电但取电困难等不足。分布式光传感技术可与电网融合，把光纤复合架空地线(OPGW)缆线作为传感元件，与现有技术相比，具有以下优点：可以同时对架空导线和绝缘子进行监测，便于建立输电线路覆冰在线监测网，构成分布式光纤传感网络；抗电磁干扰、抗辐射性能好，耐高温，精度高，传感距离长；可以实时测量空间温度和应力应变场分布，从而适宜对处于恶劣地形，不宜于人工巡视的线路进行监测，可分布在无人值守地区，进行远程遥测。

采用布里渊光时域反射技术(BOTDR)实时监测OPGW缆线的温度和应变信息，以实现对覆冰的实时监测。然而，目前只是把布里渊分布式光纤传感系统直接应用到只能电网中，没有标定温度和应变系数，因而不能对温度和应变实现较好的分离。同时由于电网覆盖面积大、缆线距离长，这使得在测量过程中产生的数据量非常大，给实时监测带来巨大压力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种智能电网覆冰监测中BOTDR温度、应变快速分离方法，本发明使用布里渊分布式光纤传感系统对OPGW光缆进行实时覆冰监测，得到频移曲线后，采用快速寻峰算法计算出频移和功率，再经过布里渊温度和应变系数的修正，实现温度和应变的快速分离。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种智能电网覆冰监测中BOTDR温度、应变快速分离方法，包括以下步骤：

步骤一、利用BOTDR检测光纤复合架空地线电缆中光纤的布里渊散射谱；

步骤二、沿光纤路径对布里渊散射谱最大值附近的预设范围进行快速寻峰算法，计算出每个位置的峰值功率和中心频率；

步骤三、根据步骤二中计算出的每个位置的峰值功率和中心频率，得到沿光纤路径分布的布里渊频移曲线及功率曲线；

步骤四、根据布里渊频移曲线和功率曲线，选取光纤接续处，标定布里渊功率的温度系数和应变系数；

步骤五、根据布里渊功率的温度系数和应变系数得到温度和应变分离的结果，温度分离结果是横坐标为距离，纵坐标为温度的曲线，应变分离的结果是横坐标为距离，纵坐标为应变的曲线。

作为本发明所述一种智能电网覆冰监测中BOTDR温度、应变快速分离方法进一步优化方案，所述步骤二具体如下：

步骤一、取沿光纤路径布里渊散射谱最大值附近的预设范围内的点，进行平滑滤波；

步骤二、对步骤一平滑滤波后的点采用基于最小二乘法的二次多项式拟合方法，获得二次多项式的方程；

步骤三、利用二次多项式的方程的系数，计算出每个位置的峰值功率和中心频率。

作为本发明所述一种智能电网覆冰监测中BOTDR温度、应变快速分离方法进一步优化方案，所述预设范围为3dB。

作为本发明所述一种智能电网覆冰监测中BOTDR温度、应变快速分离方法进一步优化方案，所述步骤4中标定布里渊功率的温度系数和应变系数，具体如下：在电缆中，光纤每隔一段距离接续一次，在此接续点处受到应力作用，接续点处的频移与不受应力处的频移相减获得接续点处因应力作用而引起的频移，已知每受到20με的应力所引起的频移，由此计算出接续点处受到的应力Δε；选取布里渊频移曲线中平滑的区域，用平均的方式消除应力波动的影响，得到总体频移变化，得到的总体频移变化认为仅受温度影响，选取午后与凌晨温差最大值的布里渊频移曲线，这两次测量的布里渊频移曲线相减则得到这段时间内的由于温度改变带来的频移，已知每1℃的温度改变所引起的频移，因此求得温度变化ΔT；由功率曲线得到功率变化ΔP，根据选取两个接续处，就标定出两个需要标定的布里渊功率的温度系数和应变系数C_P,T、C_P,ε，其中，P为功率。

作为本发明所述一种智能电网覆冰监测中BOTDR温度、应变快速分离方法进一步优化方案，已知每受到20με的应力引起1MHz的频移，已知每1℃的温度改变引起1MHz的频移。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)采用布里渊分布式光纤传感系统来测量温度和应变变化，从而实现缆线覆冰的监测，且能够实现长距离、高密度、快速响应地实时监测；具备很好的防潮防湿、抗电磁干扰能力，具有长期稳定性，在恶劣的监测条件下均表现优良；本发明使用OPGW光缆，组建成大规模的抗干扰能力强的光纤传感网络，省去布置其他传感器的成本；

(2)本发明采用快速寻峰算法，省去处理大量数据的时间；经过修正布里渊温度和应变系数，可以实现温度和应变的快速分离，解决交叉敏感问题；能够实现缆线覆冰情况的实时监测，不仅可以及时发现覆冰事件，也可以实现预警，在事故发生之前及时检修排除安全隐患，保证电网安全供电。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是午夜24点布里渊频谱图。

图3是中午12点布里渊频谱图。

图4是两次测量的布里渊频移图。

图5是两次测量的布里渊归一化峰值功率图。

图6是应变分离结果。

图7是温度分离结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1是本发明的流程图，一种智能电网覆冰监测中布里渊光时域反射技术(BOTDR)温度、应变快速分离方法，包括以下步骤：

步骤一、利用电网中光纤复合架空地线(OPGW)电缆进行传感监测，实时测量电缆的温度和应力变化，此处挑选出两次测量的结果，分别是午夜24点(图2)和中午12点(图3)的布里渊频移图，图中，横坐标为光纤长度，纵坐标为频率，灰度表示功率的强度；

步骤二、经过平滑滤波后，直接取出每个测量位置处的最大功率值，并选取最大值附近的点，用这些点进行基于最小二乘法的二次多项式拟合。

此处最小二乘法(LM)算法是一种求解非线性实数多元函数局部最小值的迭代算法，可以看作是最速下降法和高斯—牛顿法的结合，既有高斯—牛顿法的局部收敛性，又有最速下降法的全局特性。LM算法要求给定待拟合曲线系数a₁，a₂，a₃的初始猜想值，在最大迭代次数不变的情况下，初始猜想值应尽量接近最佳拟合参数所需要的初始值。

在被估模型中，被估参数与函数是非线性的关系时，就会转变成一个非线性的最小二乘法问题。针对非线性已知关系式的参数估计问题，目前一般采用两种方法，一个是高斯牛顿法，还有一个就是LM算法。使用高斯牛顿法来确定非线性待估模型中的参数，不仅可以实现参数的优化和避免反复调整参数值的问题，而且得到的参数的拟合精度也较高。不过高斯牛顿法存在缺点，如果给定参数的初始值不适当，经迭代函数作用后产生不收敛特性，就会出现发散的情况。而LM算法是最速下降法和高斯牛顿法相结合的产物，是在高斯牛顿法的基础上引入阻尼因子演变得到的算法，因此它既有局部收敛特性，还具有全局特性，它的主要思想是求解非线性实数多元函数的局部最小值。利用LM算法来求解参数值时，要求给模型中的参数先设定一个初始值，在最大迭代次数不改变的条件下，要求初始值应该尽可能的接近参数的最佳值。

非线性关系式一般的表现形式为：

y＝f(x₁,x₂...x_i；a₁,a₂...a_i)+ε

式中，f是已知的非线性函数，x₁,x₂...x_i表示有i个自变量，a₁,a₂...a_i表示函数中有n个待估的未知参数，ε表示随机误差项。LM算法的主要思想是得出某点附近的线性化迭代公式，从而进行一系列的迭代运算，逐步求得最优解。作LM算法具体实现步骤如下：

a.假定，a_k的初始值为观测值的初始逼近误差Q₀为：

b.根据：

计算b_ij,b_iy同时给定d的初始值。

c.求解方程组

并将a_k修改为：

d.再次计算f和y之间的逼近误差Q_i：

e.将a_k修改前后的误差Q_i-1和Q_i进行大小比较，若Q_i-1＜Q_i，得出若Q_i-1＞Q_i，得出需要提高d值大小，重复步骤c、步骤d和步骤e。

f.一直不断的重复步骤b、步骤c、步骤d和步骤e，直到|Δ_k|值小于指定的允许误差才完成了LM算法。

从LM算法的实现步骤中可以看出，LM算法不仅避免了反复调整参数的值等一系列繁琐工作，且因为阻尼因子d的引入放宽了对初始值的限制，得到的数值是最佳拟合参数，使拟合精度提高不少。这样可以节省掉大量计算时间，获得二次多项式的方程。

步骤三、利用二次多项式方程的系数，计算式最值点的横、纵坐标，其中，横坐标表示功率，纵坐标表示功率。通过系数计算最值点坐标的方法与插值方法相比，可以成倍减少计算时间。

步骤四、利用测量到的结果标定布里渊温度和应变系数；在布里渊温度和应变的四个系数C_P,T、C_P,ε，C_v,T，C_v,ε中，C_v,T，C_v,ε是由经验确定的。图4是光纤沿线布里渊频移图，图5是两次测量的布里渊归一化峰值功率图。在电缆中，光纤每隔3-4km接续一次，在此接续点处受到应力作用，与不受应力处相减可以获得接续点处因应力作用而引起的频移Δv，已知每受到20με的应力可以引起1MHz的频移，由此可以计算出此处受到的应力Δε；选取了曲线较为平滑的区域，用平均的方式消除应力波动的影响，得到的总体频移变化认为近似仅受温度影响，为提高标定精度，选取午后与凌晨温差最大值的数据，这两次测量的曲线相减则可得到这段时间内的由于温度改变带来的频移Δv，已知每1℃的温度改变可以引起1MHz的频移，因此可以求得ΔT；由功率曲线可得到每段的功率变化ΔP，根据选取两个接续处，就可以标定出两个需要修正的系数。

步骤五、得到温度和应变分离的结果，应变分离结果如图6所示，图中横坐标为距离，纵坐标为应变；在温度分离结果图(图7)中，横坐标为距离，纵坐标为温度。

在以上步骤中，步骤四为标定过程，标定过程只需进行一次，即可完成；步骤二、步骤三、步骤四为实时测量过程。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。