專利名稱：輸電線路監測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及輸電線路監測技術，特別涉及輸電線路覆冰及舞動狀態監測技術。
背景技術：
輸電線路因覆冰發生斷線倒塔的事故時有發生。以2008年初我國南方冰災事故為例。據 統計，國家電網公司系統由于覆冰引起10 110kV線路倒塔14萬多基，220kV及以上線路倒塔 1500多基，致使707座變電站停運，江西500kV電網基本癱瘓，湖南、貴州、浙江電網出現了 大范圍的冰閃跳閘和斷線倒塔，造成大面積停電和部分電網解列運行。貴州湖南等地不得不 將早已停運的落后小火電機組重新投入運營確保電力供應。作為國內重要的送端電網，四川 電網也遭到重創。架設在山區的二灘500kV線路因受災而停運并且多處導線斷裂、鐵塔損壞 等等，清潔的水能不能外送負荷中心。總的來說，這次電網冰災持續時間長、影響范圍廣、 覆冰強度大、危害程度深，引起了社會各界的高度重視，也造成了巨大的經濟損失和嚴重的 社會影響。
在輸電導線覆冰監測方面，國內主要采用如下兩種辦法。 一是設立覆冰觀測站，在特殊 區域設立專人職守的觀測點，人工記錄氣象信息及覆冰情況。這種方法的缺點是，觀測站點 偏遠，生活艱苦，設立站點不可能太多，特別是一些偏遠山區，常常稱為觀測盲點，該方法 人為因素過大，成本高。第二種方法是在輸電線路線路上安裝測力、測重、風速等常規傳感 器，人工定期采集數據。這種方法不能及時反映覆冰情況，很難判斷覆冰的冰厚、冰量、覆 冰類型等。
近兩年也有了一些新的構想。綜合起來主要分為2種。 一種是對傾角-弧垂進行實時測量 ，然后推算線路覆冰程度；另一種是通過視頻監測來實現。在某些技術方案中，也將兩種技 術方案集成到一臺測量裝置上。
輸電線路一旦發生覆冰，則由于導線重量增加，最直觀的表現就是導線弧垂加大。導線 張力大到一定程度后，就會導致桿塔、橫擔出現變形；在某些情況下，如果出現張力不平衡 ，還會導致桿塔傾斜、倒塌。通過對導線的弧垂和桿塔傾角進行測量，再結合導線溫度測量 和環境氣象信息監測，可以通過計算公式或者實驗數據得到線路的覆冰程度。因此該方法具 有一定的科學性。但在導線振蕩的情況下，該方法計算得到的覆冰誤差較大，并且難以準確 預測覆冰和舞動的趨勢。輸電線路視頻監視系統可以將關鍵地段的現場圖像信息傳輸到監測中心的服務器上，運 行管理人員通過査看線路的監測圖像，實時觀察和記錄攝像機附近線路覆冰的形成和發展過 程、覆冰嚴重程度，以便采取正確處理措施。這種方法具有監測結果直觀、易于實現等優點 ，是目前國內輸電線路覆冰在線監測的主要手段。但這種方法有2個問題 一是視頻監測終 端在惡劣氣象條件下可能被冰雪遮蔽和凍結；二是該方法只能得到攝像機附近導線的覆冰及 舞動情況，對于其他位置處情況，則只能進行推測。
導線覆冰和舞動預警是指根據導線現有的覆冰情況、氣象實測及預報數據，預測下一時 段(比如12小時)導線覆冰和舞動演變趨勢。如果預測的結果是覆冰或舞動有可能加劇的話 ，則給出提示信息提醒運行管理人員采取措施，避免發生事故。目前在導線覆冰及舞動預警 技術研究方面的文獻不多見。
綜上所述現有技術的缺點可以概括如下
在傳感器方面，現有監測技術均采用基于電測量的傳感器。由于高壓輸電線路(尤其是 特高壓線路)周圍環境存在較強的電磁干擾，并且整套測量裝置暴露在野外惡劣的環境下， 風吹日曬雨淋冰凍，導致電路設計復雜、故障率高。而且某些輸電線路經過惡劣地理環境和 氣象條件的區域，如高海拔重冰區，甚至是無人區，測量裝置又安裝在桿塔上，導致后期維 護困難。
現有監測技術多依賴于輸電導線上絕緣子串附近的拉力測量裝置，或者依賴于視頻圖像 。這類裝置工作過程中多依靠蓄電池或者太陽能供電。蓄電池笨重、壽命有限，而且替換的 蓄電池需妥善處理，否則對環境有污染。太陽能電池受氣象條件影響很大，在實際應用中存 在局限性。
某些監測技術采用視頻圖像監測方案，容易受大霧、夜晚、雨雪等氣象因素影響，攝像 頭也可能被冰雪覆蓋，在某些情況下甚至無法工作。而且視頻圖像只能拍攝攝像機附近的輸 電線路情況，而對于較遠處的情況則無法探測。
在數據傳輸方面，現有監測技術提到了應用無線傳輸的方式，但發生輸電導線覆冰及舞 動的地方，很有可能是高海拔重冰區或者氣象條件比較惡劣的區域。在這些區域，通訊基礎 設施往往很薄弱甚至缺乏。在這種情況下，信號雖然能測但傳輸困難。如果某個中繼器發生 故障，則會導致監測失敗。
發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是針對現有技術的上述缺點，提供一種利用光纖傳感器 對輸電線路進行實時監測的方法和裝置。本發明解決所述技術問題，采用的技術方案是，輸電線路監測方法，其特征在于，沿輸 電線路布置光纖傳感器，檢測導線不同位置的特征參數；根據特征參數的分析對輸電線路狀 態做出判斷；
具體的，所述特征參數包括導線溫度、應變以及加速度、扭轉角； 進一步的，具體監測步驟如下
a、 沿輸電線路布置光纖傳感器；
b、 接收所述光纖傳感器采集的輸電線路不同位置的特征參數；
c、 對采集的特征參數進行分析處理，推算輸電線路的狀態；
具體的，步驟c中，利用計算機軟件分析方法對光纖傳感器采集的特征參數進行分析和 處理；所述計算機軟件分析方法具有覆冰和舞動特征分析功能，并可以根據氣象信息預測覆 冰和舞動演變的趨勢；所述計算機軟件分析方法包括但不限于利用基于嚴密理論推導的覆冰 增長數學模型、專家系統推理以及利用歷史監測數據用神經網絡、機器學習方式建立的數學 模型。
本發明的輸電線路監測裝置，包括光纖傳感網絡及其信號傳輸和處理系統，其特征在于 ，所述光纖傳感網絡沿所述輸電線路長度方向布置，用于探測和傳輸輸電線路不同位置的特 征參數；
具體的，所述特征參數包括但不限于溫度、應變、加速度、扭轉角；用于反映輸電線路 的覆冰情況及舞動情況；
進一步的，所述光纖傳感網絡采用分布式光纖傳感網絡，光纖與輸電線路緊密接觸，既 是傳感器，也是信號傳輸線，能夠對一段輸電線路特征參數進行監測；
進一步的，所述光纖傳感網絡采用準分布式光纖傳感網絡，其結構包括
光纖傳感器，用于采集輸電線路的特征參數；
傳輸光纜，用于傳輸光信號；
光纖連接器，用于光纖傳感器與傳輸光纜的連接；
具體的，所述光纖傳感器每隔一段距離被固定在所述輸電線路上，并與輸電線路緊密接 觸，構成一個監測點，用于準確檢測輸電線路特征參數。
本發明的有益效果是，充分利用了光纖傳感器耐腐蝕、工作溫度范圍大、抗電磁干擾、 無源、測量距離長、工作可靠、壽命長等優點。光纖傳感器的分布式或準分布式結構，非常 適合配置在輸電線路上。光纖傳感器探測速度快，信號傳輸速度快，可以同時測量多個參數 ，非常適合導線覆冰和舞動監測的需要，不僅可以測量導線的靜態特性，還可以測量動態特性。本發明的裝置壽命長，能夠滿足現場惡劣環境條件下的長時間可靠工作的要求。
圖1是光纖傳感網絡沿輸電線路分布示意圖2是光纖傳感器工作原理示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。
如圖1所示，在存在覆冰危險的一段輸電線路l上，選擇典型環境下的多檔線路段(如跨 越峽谷的檔、水面上的檔、山坡陰面的檔或者根據往年觀測情況，易發生覆冰的檔)，在上 面選擇某一相輸電導線，沿導線每隔一段距離(一般為100 200m)，將測量導線特征參數 的光纖傳感器6，用專用的固定裝置固定在導線上，構成一個監測點，檢測導線的溫度、應 變、加速度、扭轉角等可以反映導線覆冰狀態及舞動狀態的參數。對于溫度的檢測，不一定 每個監測點都進行檢測，可以在一定范圍內布置一個溫度監測點，應變參數的檢測則是每個 監測點都需要的。傳輸光纜3是激光傳輸鏈路，光纖連接器5是連接傳輸光纜3和光纖傳感器6 的一個連接裝置，類似一個接頭，不僅起著連接的作用，而且在傳輸光纜3局部故障和個別 傳感器6無法正常工作的情況下，可以方便的進行替換維修。這是準分布式光纖傳感網絡的 典型結構，傳輸光纜3和光纖連接器5沿輸電導線，將傳感器6串聯起來，形成準分布式輸電 線路監測系統。傳輸光纜3沿輸電線路1每隔一米左右，需用固定在輸電導線上，避免脫落。 光纖傳感器6分布測量輸電導線的溫度、應變等數據，此外還可以利用光纖傳感器獲取環境 溫度。通過計算，導線應變數據可以轉換為對應的導線軸向應力值。信號傳輸和處理系統io 的計算機，利用計算機軟件分析方法對光纖傳感器6采集的一檔輸電線路上，多個測試點的 應力值及其隨時間的變化情況，可以計算出導線上的覆冰重量、分布情況及導線舞動狀態。 計算機軟件分析方法結合氣象信息還可以預測覆冰和舞動演變的趨勢。這種計算機軟件分析 方法基于嚴密理論推導的覆冰增長數學模型、專家系統推理以及利用歷史監測數據，用神經 網絡、機器學習等方式建立的數學模型，可以做出切合實際的推算和預測。
對于同一檔上的多條導線(如一回線路有三條，兩回線路有6條)，可以在上面選擇一 條至多條導線進行監測。另外，考慮到成本因素，如果相鄰檔的氣象條件和地理環境條件類 似，則可以只選擇一檔線路進行監測。整個光纖傳感網絡的長度可以為幾百米(典型應用為 峽谷線路的覆冰監測)，也可以是幾百公里(典型應用為高海拔重冰區重要線路的覆冰監測 )。 一條光纖傳感網絡上安裝的傳感器數量可以從l個到數千個。
基于準分布式光纖傳感網絡的輸電線路監測裝置，傳輸光纜可以是單模光纖，也可以是多模光纖。
對于分布式光纖傳感網絡，其結構可以參見上述準分布式光纖傳感網絡，不過這里的傳 感器也就是一段單模光纖或多模光纖，整個光纖傳感網絡中，光纖既是傳感器，也是信號傳 輸線。這張分布式光纖傳感網絡，光纖與輸電線路應當緊密接觸安裝，并且每隔一段距離采 用專用固定裝置進行加固，防止光纖脫落影響監測結果。這種光纖傳感網絡可以對一段輸電 線路特征參數進行監測，而不是分離的監測點。
實施例
圖2給出了一種光纖傳感網絡的結構框圖。這是一套基于光纖布拉格光纖光柵(FBG)的 傳感系統。但在實際應用中，還可以采用其他類型的光纖傳感網絡。下面對FBG傳感系統做 一簡單介紹。
本例的信號傳輸和處理系統10包括激光器8、信號檢測處理裝置9、計算機數據分析及人 機交互單元ll、環行器或耦合器13。首先由激光器8發射出的激光經過一環形器或耦合器13 入射到光纖傳感網絡中，光纖傳感器串接在光纖鏈路上，當激光照射到傳感器6后被反射回 來，經過環形器13被光電探測系統901接收，然后經信號放大濾波單元902，并經數字信號處 理單元903，信號傳輸和處理系統10的計算機分析軟件就可以獲得傳感器的波長。作為FBG傳 感器，其在感受到外界物理量如溫度、應變的時候其波長會發生變化，只要知道波長值即可 得到外界物理參量。這就是光纖傳感器的工作原理。
在輸電導線上，通過波長或者空間位置編碼可以實現多點分布式測量。其原理是不同 位置的傳感器6具有不同的波長，或者是同波長的傳感器在不同位置，通過時分復用獲得傳 感器信號。此外，這套系統還可通過光開關控制支持多路工作。
圖2中，6表示光纖傳感器。在一條輸電導線上，可以根據實際情況(主要是成本)，選 擇不同數量的光纖傳感器6組成測試網絡。但光纖傳感器的數量需要足夠的多，以便于測量 輸電導線上多點的軸向應力，從而得到輸電導線覆冰分布的情況。5表示光纖連接器，用于 將傳感器6和傳輸光纜3連接在一起。
圖2中l表示覆冰情況被監測的某相輸電線，14表示同一檔距上開展覆冰監測的其他輸電 線路。二者之間的測量鏈路屬于并聯關系。其實輸電線路14可以代表多條被測輸電線路，主 要取決于成本、光纖耦合器13的通道數目和現場覆冰監測的實際需要。
位于控制中心的計算機分析和人機交互裝置ll可以控制光脈沖發生器的脈沖寬度、能量 和頻率。
輸電導線覆冰監測系統的分析軟件的工作流程如下首先是根據一小段時間內所監測的輸電導線上不同位置處的光纖傳感器的波長數據，可 以將此轉換成為導線上不同位置的溫度和應變。假設在這一小段時間內，輸電導線上的覆冰 厚度和分布沒有發生變化，并且假設各傳感器安裝位置附近的輸電導線覆冰類型和厚度分布 是均勻的，那么可以可以得知輸電導線自身的動力學參數沒有發生變化。在不同時刻測量所 得到的輸電導線應變數據不同，是由于輸電導線在外在風載的作用下振蕩的結果。通過分析 輸電導線上各點應變數據、應變變化速率，得到輸電導線振蕩頻率、幅值和模態等動力學特 征，結合輸電導線上的應變數據，可以得到輸電導線上各傳感器附近的覆冰質量估計。也可 以檢測導線的加速度、扭轉角等，得到導線的動力學特征。根據小型氣象站所監測的導線附 近的環境信息和一段時間內各傳感器附近覆冰質量變化的情況，并考慮到覆冰類型和厚度對 輸電導線剛度的影響，可以得到輸電導線覆冰的類型和厚度(這個過程可以采取專家系統分
析或者根據覆冰增長模型來分析，有可能要進行估計——H十算——〉再估計地迭代計算)。 最后將這些結果顯示在人機界面上。
如果在當前覆冰類型和厚度數據的基礎上，補充氣象預報數據，則可以進行覆冰趨勢預 測分析。覆冰預測分析的工具包括但不限于利用基于嚴密理論推導的覆冰增長數學模型或覆 冰預測專家系統、或者利用歷史監測數據用神經網絡、機器學習等方式建立的數學模型。如 果預測出來的結果是輸電導線的安全受到威脅的話，則應發布預警指令。
權利要求
1.輸電線路監測方法，其特征在于，沿輸電線路布置光纖傳感器，檢測導線不同位置的特征參數；根據特征參數的分析對輸電線路狀態做出判斷。
2.根據權利要求l所述的輸電線路監測方法，其特征在于，所述特征 參數包括導線溫度和應變。
3.根據權利要求1或2所述的輸電線路監測方法，其特征在于，所述 特征參數包括導線的加速度、扭轉角。
4.根據權利要求l、 2或3所述的輸電線路監測方法，其特征在于，具 體步驟如下a、 沿輸電線路布置光纖傳感器；b、 接收所述光纖傳感器采集的輸電線路不同位置的特征參數；c、 對采集的特征參數進行分析處理，推算輸電線路的狀態。
5.根據權利要求4所述的輸電線監測方法，其特征在于，步驟c中， 利用計算機軟件分析方法對光纖傳感器采集的特征參數進行分析和處理；所述計算機軟件分 析方法具有覆冰和舞動特征分析功能，并可以根據氣象信息預測覆冰和舞動演變的趨勢；所 述計算機軟件分析方法包括但不限于利用基于嚴密理論推導的覆冰增長數學模型、專家系統 推理以及利用歷史監測數據用神經網絡、機器學習方式建立的數學模型。
6.輸電線路監測裝置，包括光纖傳感網絡及其信號傳輸和處理系統 ，其特征在于，所述光纖傳感網絡沿所述輸電線路長度方向布置，用于探測和傳輸輸電線路 不同位置的特征參數。
7.根據權利要求6所述的輸電線路監測裝置，其特征在于，所述特征 參數包括但不限于溫度、應變、加速度、扭轉角，用于反映輸電線路的覆冰情況及舞動情況
8.根據權利要求6或7所述的輸電線路監測裝置，其特征在于，所述 光纖傳感網絡采用分布式光纖傳感網絡，光纖與輸電線路緊密接觸，既是傳感器，也是信號傳輸線，能夠對一段輸電線路特征參數進行監測。
9 根據權利要求6或7所述的輸電線路監測裝置，其特征在于，所述 光纖傳感網絡采用準分布式光纖傳感網絡，其結構包括光纖傳感器，用于采集輸電線路的特征參數；傳輸光纜，用于傳輸光信號；光纖連接器，用于光纖傳感器與傳輸光纜的連接。
10 根據權利要求9所述的輸電線路監測裝置，其特征在于，所述光 纖傳感器每隔一段距離被固定在所述輸電線路上，并與輸電線路緊密接觸，構成一個監測點 ，用于準確檢測輸電線路特征參數。
全文摘要
本發明涉及輸電線路監測技術，特別涉及輸電線路覆冰及舞動狀態監測技術。本發明公開了一種利用光纖傳感器對輸電線路進行實時監測的方法和裝置。本發明的輸電線路監測方法，其特征在于，沿輸電線路布置光纖傳感器，檢測導線不同位置的特征參數；根據特征參數的分析對輸電線路狀態做出判斷。本發明的輸電線路監測裝置，包括光纖傳感網絡及其信號傳輸和處理系統，其特征在于，所述光纖傳感網絡沿所述輸電線路長度方向布置，用于探測和傳輸輸電線路不同位置的特征參數。本發明用于輸電線路覆冰及舞動狀態監測，可以充分發揮光纖傳感器的優點，進行多參數實時在線檢測，具有裝置壽命長，能夠滿足現場惡劣環境條件下長時間可靠工作的特點。
文檔編號G01K11/32GK101614602SQ20091030511
公開日2009年12月30日 申請日期2009年8月3日 優先權日2009年8月3日
發明者冉曾令, 劉群英, 張昌華, 易建波, 曹永興, 勇 陳, 饒云江, 琦 黃 申請人:電子科技大學