一种基于相位敏感型光时域反射系统的OPGW覆冰监测系统及方法与流程
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于相位敏感型光时域反射系统的opgw覆冰监测系及方法。
背景技术：
在输电的过程中，由于地形地况十分复杂，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，会引起线路跳闸停电、舞动损坏、断线、倒塔等重大事故。因此，采用有效的监测技术对于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。
在早期的覆冰监测中，国内外普遍采用建立观冰站的方法来研究和观测输电线路的覆冰情况，这种方法投资大、建设周期长、运行成本高、数量有限，无法实现整个电网覆冰状况的实时监测。近年来，输电线路覆冰和微气象在线监测技术得到了迅速的发展，并逐渐成为感知电网覆冰状态和预防大面积覆冰、雪灾害事故的主要手段。目前发展起来覆冰监测方法主要有：称重法、导线倾角法、图像监测法、覆冰速率计法、模拟导线法以及准分布式光纤传感法等。其中，称重法、导线倾角法在国内的应用较为广泛。然而这些监测方法均是点式监测方法，只针对输电线路上的某些特定线路进行覆冰状态监测，并不能实现真正意义上的线路分布式实时监测。
目前，光纤传感以其绝缘、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、耐水、易植入、组网方便等优势逐渐得到电力行业的青睐，并在智能电网建设中的许多应用领域成为最佳选择。分布式光纤传感充分利用电力光纤通信网中已有闲置光纤资源，在输电线路的温度、应变、振动、覆冰、局部放电等方面应用效果显著、发展前景广阔。
在众多分布式光纤传感的技术当中，相位敏感型光时域反射(φ-otdr)系统灵敏度极高、测量相应速度快、抗电磁干扰，且能实现长距离全分布式传感。在电力系统中使用φ-otdr系统，可以从振动的角度对被测架空地线复合光缆(opgw)运行状态进行评估，实现对被测线路运行状态的在线安全监测，从而做到事故隐患及时排除，避免重大经济损失。然而φ-otdr系统在电力行业还未进行十分广泛的应用，目前也较为缺少关于输电线路覆冰情况的监测方法。
技术实现要素：
发明目的：为解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于相位敏感型光时域反射系统的opgw覆冰监测方法，具有监测方法智能化程度高、便于计算机进行自动分析判断覆冰程度、有着重要的经济价值和社会价值的特点。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种相位敏感型光时域反射系统，该系统包括窄线宽激光器1，1×2光纤耦合器2，声光调制器3，掺铒光纤放大器4，光纤环形器5，传感光纤6，任意波形发生器7，2×2光纤耦合器8，平衡光探测器9，数据采集卡10，计算机11。系统各部分器件说明如下：
窄线宽激光器1，用于产生激光输出给1×2光纤耦合器2；
1×2光纤耦合器2，用于将激光分成两路，一路作为传感探针光输入到声光调制器3，另一路作为本地参考光输入到2×2光纤耦合器8，传感探针光瞬时光功率大于本地参考光，耦合分光比可以选择为90:10。
声光调制器3，将传感探针光调制为光脉冲，并将光脉冲传输到掺铒光纤放大器4，此处的声光调制器3用于将激光调制为脉冲光，同时让激光脉冲获得固定频率的移频，频移量可以为200mhz。
掺铒光纤放大器4，对声光调制器3输出的光脉冲信号进行功率放大，并将放大后的光脉冲信号输入到光纤环形器5的一号端口。
用于放大激光脉冲功率，提升传感光纤6中所激发的瑞利散射光强以提升本系统传感范围，其最大增益可以为20dbm。
光纤环形器5，由一号端口接收光脉冲信号并由二号端口输出到传感光纤6，传感光纤6产生的瑞利背向散射光由二号端口输入并由三号端口输出到2×2光纤耦合器8。
此处的光纤环形器5为一个三端口光纤环形器，其光学特征是从一号端口输入的光只能从二号端口输出，从二号端口输入的光只能从三号端口出，并且传感光纤6为标准通信用单模光纤。
任意波形发生器7，产生频率可调的脉冲序列，输出重复频率为1khz，光脉宽即光脉冲的持续时间为100ns的脉冲序列，对声光调制器3进行控制实现光脉冲输出，该脉冲序列同时作为数据采集卡10的采集触发源。
2×2光纤耦合器8，用于传感光纤背向散射光与本地参考光的合波，耦合分光比为50：50。
平衡光探测器9，用于将2×2光纤耦合器8输入的光信号转换成电信号，电信号输出到数据采集卡10；
数据采集卡10，用于实现信号模数转换，采集平衡光探测器9输出电信号并转换将其为数字信号传递给计算机11。
计算机11，用于对数据采集卡10所采集的数字信号进行处理。
其中，所述窄线宽激光器1产生的激光经过1×2光纤耦合器2分成两路光信号，一路为传感探针光信号经过声光调制器3调制为光脉冲，光脉冲经过掺铒光纤放大器4进行光功率放大，放大之后的光脉冲输入光纤环形器5的一号端口并由二号端口输出到传感光纤6，传感光纤6中背向散射的传感光信号传回光纤环形器5二号端口并由三号端口输出；1×2光纤耦合器2输出的另一路为本地参考光信号，本地参考光信号与光纤环形器5的三号端口输出的传感光信号进入2×2光纤耦合器8中合波，2×2光纤耦合器8两个输出端口与平衡光探测器9连接。
任意波形发生器7产生频率可调的脉冲序列，调制声光调制器3使声光调制器3输出光脉冲，任意波形发生器7产生的脉冲序列同时触发数据采集卡10使数据采集卡10采集平衡光探测器9输出的电信号。平衡光探测器9将2×2光纤耦合器8输入的光信号转换成电信号，电信号由数据采集卡10进行模数转换传递至计算机11进行信号处理。
本发明还提出一种基于上述相位敏感型光时域反射系统的opgw覆冰监测方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：将相位敏感型光时域反射(φ-otdr)系统中的传感光纤使用跳线光纤与架空地线复合光缆(opgw)中的光纤进行连接，在光纤长度轴上设置多个采样点，使用φ-otdr系统中的计算机在预设时间段内对不同的采样点进行多次采集，得到两个杆塔之间架空地线复合光缆的光纤中瑞利背向散射(rbs)信号在测量时间轴和光纤长度轴上的分布；
步骤2：将步骤1中预设时间内多次采集得到的每个采样点的rbs信号进行相位解调，相位解调之后的相位信号在光纤长度轴上每个采样点对应的相位值沿时间轴以固定的时间窗口进行傅里叶变换，再通过低通滤波得到相位信号的频谱；
步骤3：步骤2最后得到的相位信号频谱为一个二维数组，二维数组的行表示某频率分量在光纤长度轴所有采样点上的强度分布信息，二维数组的列表示光纤长度轴某采样点在所有频率分量上的强度分布信息，将二维数组的每一列均进行数值上的处理，求取出光纤长度轴上每个采样点表示位置处的第一个谐振峰的峰值频率大小；
步骤4：将光纤长度轴上每个采样点表示位置处的第一个谐振峰的峰值频率拼接成一个一维数组，将这个一维数组以设定的窗口宽度进行中值滤波，得到平滑处理之后的频率信息一维数组，该一维数组中的每个元素即为预设时间段内光纤长度轴上每个采样点表示位置处第一个谐振峰的峰值频率，元素索引即为光纤长度轴上每个采样点表示的位置；
步骤5：将φ-otdr系统在连续时间内进行多次上述步骤1的预设时间段采集，并将采集得到的多个rbs信号均作上述步骤2到步骤4的处理，对处理之后得到的多个频率信息一维数组，统计它们在相同元素索引处各峰值频率出现的频次，将出现频次最高的峰值频率记为该采样点表示光纤位置的谐振频率，最后得到架空地线复合光缆中光纤长度轴上每个采样点表示位置在连续时间内的谐振频率；
步骤6：在架空地线复合光缆未覆冰的情况下，对φ-otdr系统进行上述步骤1到步骤5的处理，得到架空地线复合光缆未覆冰情况下的谐振频率，记为标定谐振频率f01，在架空地线复合光缆覆冰的情况下，对φ-otdr系统进行上述步骤1到步骤5的处理，得到架空地线复合光缆未覆冰情况下的谐振频率，记为实际谐振频率f02，根据所测得的f01和f02可以计算出实际覆冰厚度的大小，实现一种分布式及智能化的覆冰厚度监测方法。
作为本发明所述的一种相位敏感型光时域反射系统的架空地线复合光缆覆冰监测方法的进一步优选方案，所述步骤3中，将相位信号频谱二维数组的每一列均进行数值上的处理，具体如下：
相位信号频谱二维数组的每一列均可以看作是一个以频率分量f作为元素索引的一维数组，对于该数组中的每个元素均作如下式的处理，
其中，
将一维数组的每个元素均进行上式处理，得到新的一维数组并取其元素中首个峰值所对应的元素索引f，即为光纤长度轴上每个采样点表示位置处的第一个谐振峰的峰值频率大小。
作为本发明所述的一种相位敏感型光时域反射系统的架空地线复合光缆覆冰监测方法的进一步优选方案，所述步骤6中，根据f01及f02来计算架空地线复合光缆实际覆冰厚度的具体步骤如下：
步骤1：根据标定谐振频率f01，架空地线复合光缆在未覆冰情况下的水平张力t01：t01＝4m0l2f012，其中，l为两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离，m0为未覆冰情况下架空地线复合光缆的单位长度质量，架空地线复合光缆在未覆冰情况下的水平应力σ01：
步骤2：架空地线复合光缆在覆冰情况下单位长度质量m02与覆冰厚度b关系为：m02＝m0+0.9πb(d+b)×10-3，其中，d为架空地线复合光缆直径。根据实际谐振频率f02，架空地线复合光缆在覆冰情况下的水平应力σ02：
步骤3：架空地线复合光缆状态方程的基本形式如下：
其中，e为架空地线复合光缆的杨氏模量，β为两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离高差角，α为架空地线复合光缆的热膨胀系数，t1和t2分别为未覆冰和覆冰情况下架空地线复合光缆的温度，γ′和γ分别为覆冰和未覆冰情况下的综合比载，所述γ′和γ与单位长度质量关系为：
将上述步骤1至步骤2得到的关系式
在上述的方程中，已知量包括未覆冰情况下架空地线复合光缆的单位长度质量m0，架空地线复合光缆直径d，两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离l，标定谐振频率f01，实际谐振频率f02，架空地线复合光缆的计算截面积a，架空地线复合光缆的杨氏模量e，两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离高差角β，重力加速度g；未知量包括覆冰厚度b，经过计算可以获得架空地线复合光缆的实际等值覆冰厚度b。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明采用相位敏感光时域反射系统来获得输电线的振动数据，具有响应速度快、定位精度高、抗电磁干扰等优点，且能够实现长距离全分布式传感，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；
本发明通过监测输电线路各档距的谐振频率信息，结合输电线路的材料参数和地理信息便可实现输电线路的分布式覆冰监测，同时给出了输电线路覆冰监测的置信区间和非置信区间以供参考和判定。本发明具有监测方法智能化程度高、便于计算机进行自动分析判断覆冰程度、有着重要的经济价值和社会价值的特点。
附图说明
图1是本发明中硬件系统结构整体示意图；
图2是本发明中相位敏感型光时域反射系统结构示意图；
图3是本发明的流程图；
图4是瑞利背向散射光强度图；
图5是相位解调结果作傅里叶变换后的频谱图；
图6是opgw时间窗内第一个谐振峰频率图；
图7是opgw谐振峰频率一小时内波动图；
图8是opgw谐振峰频率一小时内平均值图；
图9是opgw同一位置处谐振峰频率中值滤波前后对比图；
图10是opgw谐振峰频率概率统计结果图；
图11是opgw谐振峰频率方差统计图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图及具体实施例子进行详细描述。由于本方案可以进行多种拓展或变形，涉及器件均可替换成相似功能不同型号的器件，不应以此限制该专利的保护范围。
参见图1及图2，本发明提出一种相位敏感型光时域反射系统，该系统包括窄线宽激光器1，1×2光纤耦合器2，声光调制器3，掺铒光纤放大器4，光纤环形器5，传感光纤6，任意波形发生器7，2×2光纤耦合器8，平衡光探测器9，数据采集卡10，计算机11。系统各部分器件说明如下：
窄线宽激光器1，用于产生激光输出给1×2光纤耦合器2；
1×2光纤耦合器2，用于将激光分成两路，一路作为传感探针光输入到声光调制器3，另一路作为本地参考光输入到2×2光纤耦合器8，传感探针光瞬时光功率大于本地参考光，耦合分光比可以选择为90:10。
声光调制器3，将传感探针光调制为光脉冲，并将光脉冲传输到掺铒光纤放大器4，此处的声光调制器3用于将激光调制为脉冲光，同时让激光脉冲获得固定频率的移频，频移量可以为200mhz。
掺铒光纤放大器4，对声光调制器3输出的光脉冲信号进行功率放大，并将放大后的光脉冲信号输入到光纤环形器5的一号端口。
用于放大激光脉冲功率，提升传感光纤6中所激发的瑞利散射光强以提升本系统传感范围，其最大增益可以为20dbm。
光纤环形器5，由一号端口接收光脉冲信号并由二号端口输出到传感光纤6，传感光纤6产生的瑞利背向散射光由二号端口输入并由三号端口输出到2×2光纤耦合器8。
此处的光纤环形器5为一个三端口光纤环形器，其光学特征是从一号端口输入的光只能从二号端口输出，从二号端口输入的光只能从三号端口出，并且传感光纤6为标准通信用单模光纤。
任意波形发生器7，产生频率可调的脉冲序列，输出重复频率为1khz，光脉宽即光脉冲的持续时间为100ns的脉冲序列，对声光调制器3进行控制实现光脉冲输出，该脉冲序列同时作为数据采集卡10的采集触发源。
2×2光纤耦合器8，用于传感光纤背向散射光与本地参考光的合波，耦合分光比为50：50。
平衡光探测器9，用于将2×2光纤耦合器8输入的光信号转换成电信号，电信号输出到数据采集卡10；
数据采集卡10，用于实现信号模数转换，采集平衡光探测器9输出电信号并转换将其为数字信号传递给计算机11。
计算机11，用于对数据采集卡10所采集的数字信号进行处理。
其中，所述窄线宽激光器1产生的激光经过1×2光纤耦合器2分成两路光信号，一路为传感探针光信号经过声光调制器3调制为光脉冲，光脉冲经过掺铒光纤放大器4进行光功率放大，放大之后的光脉冲输入光纤环形器5的一号端口并由二号端口输出到传感光纤6，传感光纤6中背向散射的传感光信号传回光纤环形器5二号端口并由三号端口输出；1×2光纤耦合器2输出的另一路为本地参考光信号，本地参考光信号与光纤环形器5的三号端口输出的传感光信号进入2×2光纤耦合器8中合波，2×2光纤耦合器8两个输出端口与平衡光探测器9连接。
任意波形发生器7产生频率可调的脉冲序列，调制声光调制器3使声光调制器3输出光脉冲，任意波形发生器7产生的脉冲序列同时触发数据采集卡10使数据采集卡10采集平衡光探测器9输出的电信号。平衡光探测器9将2×2光纤耦合器8输入的光信号转换成电信号，电信号由数据采集卡10进行模数转换传递至计算机11进行信号处理。
本发明还提出一种基于上述相位敏感型光时域反射系统的opgw覆冰监测方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：将相位敏感型光时域反射(φ-otdr)系统中的传感光纤使用跳线光纤与架空地线复合光缆(opgw)中的光纤进行连接，在光纤长度轴上设置多个采样点，使用φ-otdr系统中的计算机在预设时间段内对不同的采样点进行多次采集，得到两个杆塔之间架空地线复合光缆的光纤中瑞利背向散射(rbs)信号在测量时间轴和光纤长度轴上的分布；
步骤2：将步骤1中预设时间内多次采集得到的每个采样点的rbs信号进行相位解调，相位解调之后的相位信号在光纤长度轴上每个采样点对应的相位值沿时间轴以固定的时间窗口进行傅里叶变换，再通过低通滤波得到相位信号的频谱；
步骤3：步骤2最后得到的相位信号频谱为一个二维数组，二维数组的行表示某频率分量在光纤长度轴所有采样点上的强度分布信息，二维数组的列表示光纤长度轴某采样点在所有频率分量上的强度分布信息，将二维数组的每一列均进行数值上的处理，求取出光纤长度轴上每个采样点表示位置处的第一个谐振峰的峰值频率大小；
步骤4：将光纤长度轴上每个采样点表示位置处的第一个谐振峰的峰值频率拼接成一个一维数组，将这个一维数组以设定的窗口宽度进行中值滤波，得到平滑处理之后的频率信息一维数组，该一维数组中的每个元素即为预设时间段内光纤长度轴上每个采样点表示位置处第一个谐振峰的峰值频率，元素索引即为光纤长度轴上每个采样点表示的位置；
步骤5：将φ-otdr系统在连续时间内进行多次上述步骤1的预设时间段采集，并将采集得到的多个rbs信号均作上述步骤2到步骤4的处理，对处理之后得到的多个频率信息一维数组，统计它们在相同元素索引处各峰值频率出现的频次，将出现频次最高的峰值频率记为该采样点表示光纤位置的谐振频率，最后得到架空地线复合光缆中光纤长度轴上每个采样点表示位置在连续时间内的谐振频率；
步骤6：在架空地线复合光缆未覆冰的情况下，对φ-otdr系统进行上述步骤1到步骤5的处理，得到架空地线复合光缆未覆冰情况下的谐振频率，记为标定谐振频率f01，在架空地线复合光缆覆冰的情况下，对φ-otdr系统进行上述步骤1到步骤5的处理，得到架空地线复合光缆未覆冰情况下的谐振频率，记为实际谐振频率f02，根据所测得的f01和f02可以计算出实际覆冰厚度的大小，实现一种分布式及智能化的覆冰厚度监测方法。
作为本发明所述的一种相位敏感型光时域反射系统的架空地线复合光缆覆冰监测方法的进一步优选方案，所述步骤3中，将相位信号频谱二维数组的每一列均进行数值上的处理，具体如下：
相位信号频谱二维数组的每一列均可以看作是一个以频率分量f作为元素索引的一维数组，对于该数组中的每个元素均作如下式的处理，
其中，
将一维数组的每个元素均进行上式处理，得到新的一维数组并取其元素中首个峰值所对应的元素索引f，即为光纤长度轴上每个采样点表示位置处的第一个谐振峰的峰值频率大小。
作为本发明所述的一种相位敏感型光时域反射系统的架空地线复合光缆覆冰监测方法的进一步优选方案，所述步骤6中，根据f01及f02来计算架空地线复合光缆实际覆冰厚度的具体步骤如下：
步骤1：根据标定谐振频率f01，架空地线复合光缆在未覆冰情况下的水平张力t01：t01＝4m0l2f012，其中，l为两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离，m0为未覆冰情况下架空地线复合光缆的单位长度质量，架空地线复合光缆在未覆冰情况下的水平应力σ01：
步骤2：架空地线复合光缆在覆冰情况下单位长度质量m02与覆冰厚度b关系为：m02＝m0+0.9πb(d+b)×10-3，其中，d为架空地线复合光缆直径。根据实际谐振频率f02，架空地线复合光缆在覆冰情况下的水平应力σ02：
步骤3：架空地线复合光缆状态方程的基本形式如下：
其中，e为架空地线复合光缆的杨氏模量，β为两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离高差角，α为架空地线复合光缆的热膨胀系数，t1和t2分别为未覆冰和覆冰情况下架空地线复合光缆的温度，γ′和γ分别为覆冰和未覆冰情况下的综合比载，所述γ′和γ与单位长度质量关系为：
将上述步骤1至步骤2得到的关系式
在上述的方程中，已知量包括未覆冰情况下架空地线复合光缆的单位长度质量m0，架空地线复合光缆直径d，两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离l，标定谐振频率f01，实际谐振频率f02，架空地线复合光缆的计算截面积a，架空地线复合光缆的杨氏模量e，两相邻杆塔架空地线复合光缆悬挂点间的水平距离高差角β，重力加速度g；未知量包括覆冰厚度b，经过计算可以获得架空地线复合光缆的实际等值覆冰厚度b。
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做出的若干简单推演或替代，在不脱离本发明构思的前提下，都应当视为属于本发明的保护范围。
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