基于微气象监测和SVM算法的线路覆冰监测系统的制作方法

本发明实施例电网技术，尤其涉及一种基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统。

背景技术：

高压架空线路长期暴露在野外，特别是超/特高压输电线路距离长、分布范围广、穿越的地区地形十分复杂，在丘陵、山区等地区，冬季冻雨、冰雪等极端天气下，线路较大概率产生覆冰。输电线路覆冰轻则导致电气绝缘性能破坏造成闪络，重则导致断线、倒塔等灾难事故，对输电线路覆冰情况进行实时监测是实现电力系统稳定运行的重要环节。

目前，电力系统中监测线路覆冰状态的方法主要有：视频监测法、称重/拉力传感器和倾角传感器，上述方法所用均为电子传感器，易受电磁场干扰导致测量结果偏差。分布式光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰强，且可以直接利用架空光缆作为传感器和传输通道，无需另外架设光纤。目前，主要利用偏振光时域反射计(polarizationopticaltime-domainreflectometer，potdr)技术和布里渊散射(brillouinopticaltime-domainreflectometer，botdr)传感器监测覆冰情况，但这些方法存在只能测单一物理量、传感距离不足、应变温度难以解耦等不足。

技术实现要素：

本发明提供一种微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统，能够提高电力传输线覆冰判断的准确性。

第一方面，本发明实施例提供一种基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统，其特征在于，包括：拉曼传感模块、布里渊传感模块、综合瑞利散射模块、时分复用模块、覆冰区域监测模块、覆冰厚度监测模块、风速监测模块、和基于svm的覆冰报警模块；

拉曼传感模块和布里渊传感模块，分别用于通过时分复用模块向架空传输线的opgw发送激光信号，根据从opgw获取的后向散射光信号，计算opgw上各点的温度值和应变值；

综合瑞利散射模块，用于通过时分复用模块向架空传输线的opgw发送偏振前后的两束激光信号，获取opgw的后向散射光信号后分别检测后向散射光的偏振态变化和相位变化后，计算opgw的振动频率；

覆冰区域监测模块，用于基于opgw上各点的温度值监测架空传输线的覆冰区域；

覆冰厚度监测模块用于基于opgw上各点的应变值监测架空传输线的等值覆冰厚度；

风速监测模块，用于根据opgw的振动频率监测架空传输线的风速；

基于svm的覆冰报警模块，用于根据opgw上各点的温度值、应变值和风速，进行覆冰预警。

在第一方面一种可能的实现方式中，拉曼传感模块，包括激光源、多脉冲光编码调制、第一环形器、滤波器、第一edfa、第一光电探测器、第一信号采集处理单元；

激光源用于发射高强度单色光源；

多脉冲编码调制器用于将单色光源调制为高信噪比的光脉冲；

第一edfa用于将高信噪比的光脉冲放大后输入环形器；

第一环形器用于将放大后的光脉冲输入opgw，并将接收opgw返回的后向散射光信号，将后向散射光信号输入滤波器，后向散射光信号包括斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；

第一光电探测器用于将滤波后的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号分别转换为电信号后输入信号采集处理单元；

第一信号采集处理单元用于根据第一光电探测器输入的信号计算opgw上各点的温度值。

在第一方面一种可能的实现方式中，第一信号采集处理单元具体用于根据公式计算opgw上各点的温度值，其中h为普朗克常量、k为是玻尔兹曼常量，δv为拉曼频移，t为绝对温度，vas为反斯托克斯光频率，vs为斯托克斯光频率。

在第一方面一种可能的实现方式中，布里渊传感模块，包括：窄线宽可调谐激光器、第一耦合器、电光调制器、第二edfa、第三edfa、扰偏器、第二环形器、第三环形器、第二耦合器、光纤光栅滤波器、第二光电探测器、第一带通滤波器、第二信号采集处理单元；

窄线宽可调谐激光器用于发射高相干性激光；

第一耦合器用于将高相干性激光分光后分别输入第二电光调制器和第二edfa；

电光调制器用于将输入的信号调制以后输入第三edfa；

扰偏器用于对输入的光信号加扰后输入第二环形器；

第二环形器用于将加扰后的光信号输入opgw，并将接收opgw返回的后向散射光信号，将后向散射光信号输入第三环形器；

第三环形器用于将输入的后向散射光信号输入光纤光栅滤波器，并接收滤除非拉曼散射光信号后的光信号后发送至第二耦合器；

第二耦合器用于将第二edfa和第三环形器输入的信号合成后输入第二光电探测器；

第二光电探测器用于将输入的光信号转换为电信号后输入第一带通滤波器；

第二信号采集处理单元用于根据滤波后的信号计算opgw上各点的应变值。

在第一方面一种可能的实现方式中，第二信号采集处理单元具体用于根据公式fb＝f0+ct(t-t0)+cε(ε-ε0)计算opgw上各点的应变值，其中f0为散射光信号初始频移，ct为布里渊频移的温度系数，t为光线温度，t0为光纤初始温度，cε为布里渊频移的应变参数，ε为光纤的应变值，ε0为光纤的初始应变值。

在第一方面一种可能的实现方式中，综合瑞利散射模块，包括窄带宽相干光源，第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、aom、第四环形器、第四edfa、第五edfa、起偏器、平衡光电探测器、检偏器、第二带通滤波器、第三信号采集处理单元；

窄带宽相干光源用于发射高相干性激光；

第三耦合器用于将高相干性激光分光后分别输入第四edfa和aom；

aom用于将输入的信号光调制为脉冲波光信号后输入第五edfa；

起偏器用于将输入的脉冲波光信号起偏后输入第四环形器；

第四环形器用于将起偏后的光信号输入opgw，并将接收opgw返回的后向散射光信号，将后向散射光信号输入第四耦合器；

第四耦合器用于将输入的后向散射光信号分光后分别输入第五耦合器和检偏器；

第五耦合器用于将第四edfa和第四耦合器输入的信号合成后输入平衡光电探测器；

平衡光电探测器用于将输入的光信号转换为电信号后输入第二带通滤波器；

第三信号采集处理单元用于根据滤波后的信号和检偏器输入的信号进行频分分析，得到opgw的振动频率。

在第一方面一种可能的实现方式中，第三信号采集处理单元具体用于根据公式计算拍频信号强度，其中δω＝2π(v1-v0)为aom的频移v1和v0，为包含扰动信息的光相位，elo和er为回波和本振波的信号强度，θ为回波和本振波之间的偏振角，t为时间，α为光纤损耗系数，z为光纤长度；

通过数字正交解调，得到同相和正交解调信号分别为i＝vcos(δωt)和q＝vsin(δωt)，相位表示为对相位作移动差分得到

对opgw的振动频率采用小波去噪和快速傅里叶变换获得pogw的振动频率。

在第一方面一种可能的实现方式中，风速监测模块，具体用于利用卡门漩涡公式计算风速，其中s为常数，v为沿线各点风速，f为opgw的振动频率。

在第一方面一种可能的实现方式中，基于svm的覆冰报警模块，具体用于：

根据线路覆冰时和未覆冰时线路的应变、环境温度以及风速信息构建的svm分类模型，其中样本为：d＝(xi,yi)，xi是一个三维的向量，包括线路的应变、环境温度和环境风速，yi取+1或-1，环境覆冰时为+1，环境为覆冰时为-1；

构建函数当为正样本时，γi大于0，为负样本时，γi小于0，和b为优化函数，通过调整和b的值，使得目标函数最小化，得到最大的分离超平面，构建的分类决策函数为：

在第一方面一种可能的实现方式中，基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统还包括：覆冰定位模块，用于通过得到的光信号返回时间t与公式进行覆冰区域定位，其中c为光速，n为光纤折射率，l为覆冰点距离装置点距离。

本发明实施例提供的基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统，使用opgw光纤作为传感器和传输通道，无需另外架设光缆，集成了多参量分布式光纤传感模块，能够同时监测全线路的应变和温度信息，解决了布里渊散射信息难以解耦的问题，同时利用温度和应变来计算和定位监测覆冰区域、覆冰载荷、覆冰等值厚度，提升了覆冰监测的全面性和准确性，结合温度与应变来进行覆冰预警，减少由于异物悬挂、树挂等情况引起的误判，利用瑞利散射模块来监测风速，对线路覆冰进行预警，利用svm算法，结合历史线路覆冰时的应变、温度和风速值进行覆冰状态判断，提高了覆冰状态判断的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

为了解决目前输电线路覆冰监测的缺陷，本发明实施例提供一种基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统，此系统利用光纤复合架空地线(opticalfibercompositeoverheadgroundwire，opgw)内的光纤作为传感器和信息传输通道，不需要额外架设光缆，节约成本。

图1为本发明实施例提供的一种基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统包括：

拉曼传感模块11、布里渊传感模块12、综合瑞利散射模块13、时分复用模块14、覆冰区域监测模块15、覆冰厚度监测模块16、风速监测模块17、和基于支持向量机(supportvectormachine，svm)的覆冰报警模块18。

拉曼传感模块11和布里渊传感模块12，分别用于通过时分复用模块14向架空传输线的opgw发送激光信号，根据从opgw获取的后向散射光信号，计算opgw上各点的温度值和应变值。

综合瑞利散射模块13，用于通过时分复用模块14向架空传输线的opgw发送偏振前后的两束激光信号，获取opgw的后向散射光信号后分别检测后向散射光的偏振态变化和相位变化后，计算opgw的振动频率。

覆冰区域监测模块15，用于基于opgw上各点的温度值监测架空传输线的覆冰区域。

覆冰厚度监测模块16用于基于opgw上各点的应变值监测架空传输线的等值覆冰厚。

风速监测模块17，用于根据opgw的振动频率监测架空传输线的风速。

基于svm的覆冰报警模块18，用于根据opgw上各点的温度值、应变值和风速，进行覆冰预警。

本发明提供的基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统，使用opgw光纤作为传感器和传输通道，无需另外架设光缆，集成了多参量分布式光纤传感模块，能够同时监测全线路的应变和温度信息，解决了布里渊散射信息难以解耦的问题，同时利用温度和应变来计算和定位监测覆冰区域、覆冰载荷、覆冰等值厚度，提升了覆冰监测的全面性和准确性，结合温度与应变来进行覆冰预警，减少由于异物悬挂、树挂等情况引起的误判，利用瑞利散射模块来监测风速，对线路覆冰进行预警，利用svm算法，结合历史线路覆冰时的应变、温度和风速值进行覆冰状态判断，提高了覆冰状态判断的准确性。

图2为本发明实施例提供的另一种基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统的结构示意图，图2中示出融合多种分布式光纤传感模块的覆冰监测装置示意图，其中具体描述了拉曼传感模块、布里渊传感模块和综合瑞利散射模块与opgw的连接关系。

拉曼传感模块11，包括激光源、多脉冲光编码调制、第一环形器、滤波器、第一掺饵光纤放大器(erbiumdopedfiberapplicationamplifier；erbiumdopedfiberamplifier，edfa)、第一光电探测器、第一信号采集处理单元。

激光源用于发射高强度单色光源；多脉冲编码调制器用于将单色光源调制为高信噪比的光脉冲；第一edfa用于将高信噪比的光脉冲放大后输入环形器；第一环形器用于将放大后的光脉冲输入opgw，并将接收opgw返回的后向散射光信号，将后向散射光信号输入滤波器，后向散射光信号包括斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号；其中，通过第一环形器的端口1进入时分复用处理单元14，通过opgw光缆得到后向散射光，再返回第一环形器的端口1，从第一环形器的端口2通过滤波器滤除光纤反向散射信号中其他干扰信号，只留下拉曼散射的斯托克斯光和反斯托克斯光信号，第一光电探测器用于将滤波后的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号分别转换为电信号后输入信号采集处理单元；第一信号采集处理单元用于根据第一光电探测器输入的信号计算opgw上各点的温度值。

其中，第一信号采集处理单元具体用于根据公式计算opgw上各点的温度值，其中h为普朗克常量、k为是玻尔兹曼常量，δv为拉曼频移，t为绝对温度，vas为反斯托克斯光频率，vs为斯托克斯光频率。

布里渊传感模块12，包括：窄线宽可调谐激光器、第一耦合器、电光调制器(electroopticalmodulator，eom)、第二edfa、第三edfa、扰偏器(polarizationscrambler，ps)、第二环形器、第三环形器、第二耦合器、光纤光栅(fiberbragggrating，fbg)滤波器、第二光电探测器、第一带通滤波器、第二信号采集处理单元。

窄线宽可调谐激光器用于发射高相干性激光；第一耦合器用于将高相干性激光分光后分别输入第二电光调制器和第二edfa；电光调制器用于将输入的信号调制以后输入第三edfa；扰偏器用于对输入的光信号加扰后输入第二环形器；第二环形器用于将加扰后的光信号输入opgw，并将接收opgw返回的后向散射光信号，将后向散射光信号输入第三环形器；第三环形器用于将输入的后向散射光信号输入光纤光栅滤波器，并接收滤除非拉曼散射光信号后的光信号后发送至第二耦合器；第二耦合器用于将第二edfa和第三环形器输入的信号合成后输入第二光电探测器；第二光电探测器用于将输入的光信号转换为电信号后输入第一带通滤波器；第二信号采集处理单元用于根据滤波后的信号计算opgw上各点的应变值。其中，第一耦合器可以为90:10耦合器，其中90％部分连续光经过第二电光调制器，被调成脉宽和重复频率可调的脉冲光，经过第三edfa放大以满足布里渊传感条件，经扰偏器抑制光放大后的偏振，减少耗损。光经第二环形器的再从端口2到时分复用单元14，其中第二环形器是光只能按端口顺序输出的器件，经过时分复用单元14处理后进入opgw光缆，得到后向散射光信号返回第二环形器的端口2后再从第二环形器的端口3出进入第三环形器的端口1，光从第三环形器的端口2进入fbg滤波器滤除瑞利散射信号和拉曼散射信号，返回第三环形器的端口2再从端口3进入第二耦合器，第二耦合器为50:50耦合器。第一耦合器剩余10％部分连续光经过第二edfa放大后后作为参考光，进入第二耦合器来获取拍频信号，通过拍频信号的来获得布里渊散射的频率变化。第二光电探测器负责将光信号转换为电信号，经过第一带通滤波器滤除噪声信号，最后进入第二信号采集处理单元。

其中，第二信号采集处理单元具体用于根据公式fb＝f0+ct(t-t0)+cε(ε-ε0)计算opgw上各点的应变值，其中f0为散射光信号初始频移，ct为布里渊频移的温度系数，布里渊频移的温度系数约为1.1～1.2mhz/℃，t为光线温度，t0为光纤初始温度，cε为布里渊频移的应变参数，cε约为0.0491mhz/με，ε为光纤的应变值，ε0为光纤的初始应变值。

综合瑞利散射模块13，包括窄带宽相干光源，第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、声光调制器(acoustoopticalmodulator，aom)、第四环形器、第四edfa、第五edfa、起偏器、平衡光电探测器、检偏器、第二带通滤波器、第三信号采集处理单元。

窄带宽相干光源用于发射高相干性激光；第三耦合器用于将高相干性激光分光后分别输入第四edfa和aom；aom用于将输入的信号光调制为脉冲波光信号后输入第五edfa；起偏器用于将输入的脉冲波光信号起偏后输入第四环形器；第四环形器用于将起偏后的光信号输入opgw，并将接收opgw返回的后向散射光信号，将后向散射光信号输入第四耦合器；第四耦合器用于将输入的后向散射光信号分光后分别输入第五耦合器和检偏器；第五耦合器用于将第四edfa和第四耦合器输入的信号合成后输入平衡光电探测器；平衡光电探测器用于将输入的光信号转换为电信号后输入第二带通滤波器；第三信号采集处理单元用于根据滤波后的信号和检偏器输入的信号进行频分分析，得到opgw的振动频率。

综合瑞利散射模块13集成偏振敏感型散射模块和相位敏感型散射模块。第四耦合器可以为50:50耦合器。第三信号采集处理单元通过偏振态变化和相位变化的频率来检测光纤振动频率，可以通过相干探测的方法获得拍频信号强度，产生的拍频信号强度可以表示为其中δω＝2π(v1-v0)为声光调制器的频移v1和v0，为包含扰动信息的光相位，elo和er为回波和本振波的信号强度，θ为回波和本振波之间的偏振角，t为时间，α为光纤损耗系数，z为光纤长度，通过数字正交解调，可得同相和正交解调信号分别为i＝vcos(δωt)和q＝vsin(δωt)，相位可表示为对相位作移动差分可得同时外界的风扰动会导致光纤的双折射现象，引起光的偏振态变化，通过监测光的偏振态变化频率来测量线路的振动频率。

图3为本发明实施例提供的另一种基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统的结构示意图，图3中示出系统的整体数据处理流程。

其中，拉曼传感模块和布里渊传感模块、综合瑞利散射模块分别通过时分复用模块向opwg发送光信号并接收后向散射光信号。然后分别得到振动频率和温度值与应变值。拉曼传感模块和布里渊传感模块、综合瑞利散射模块负责状态信息获取与解耦解调，然后进行数据处理与故障定位，最后进行状态估计。其中，综合瑞利散射模块可以分为偏振敏感瑞利散射模块和相位敏感瑞利散射模块。

接着覆冰区域监测模块进行覆冰区域判断。覆冰区域监测模块主要分析处理拉曼传感系统反馈的温度，根据理论分析和计算，冰的比热容约为光缆的比热容的三倍，且opgw覆冰段会反射太阳光，从而造成覆冰区域的温度变化率较低，通过分析拉曼模块散射解调出的温度分布曲线进而判断覆冰区域opgw光缆的温度会随着环境温度和光照等因素的变化而变化，覆冰段光缆的温度变化量要小于非覆冰段，通过一定时间内输电线路的温度变化量大小对比来判断覆冰区域，将覆冰时曲线与覆冰前的正常曲线相减，温度变化明显大于其它区域的为覆冰区域。

覆冰厚度监测模块主要通过理论公式计算出等值覆冰厚度和覆冰载荷。首先通过公式εi＝εi0+k(ε-ε0)得到光纤应变值，其中εi0为第i档opgw内部光纤产生应变的光缆临界应变，εi为第i档opgw的拉伸应变分布值，k为常数，需要实验标定。通过公式σi＝eεi计算出第i档距光缆的水平应力σi，其中e为光缆的杨氏模量。再通过公式计算第i档距opgw覆冰条件下的比载，其中i为档距编号，li为线路档距，topgw_i为opgw的分布式温度，toi为opgw的初始温度，α为opgw的热膨胀系数，βi为档距两端杆塔的高差角，e为杨氏模量，σ0i为opgw初始水平应力，γi和γ2i分别为输电线路在未覆冰和覆冰条件下的比载，其中m0为opgw单位长度的质量，a为opgw的截面积，最后通过将覆冰区域等效为圆柱体结合计算公式得到等值覆冰厚度，其中d为opgw的直径，bi为线路各档距的等值覆冰厚度。

风速监测模块，利用卡门漩涡公式计算风速，其中s为常数，v为沿线各点风速，f为opgw的振动频率。

基于svm的覆冰报警模块，首先收集线路覆冰时和未覆冰时线路的应变、环境温度以及风速信息，并进行归一化处理，作为构建的svm分类模型的样本，我们将样本记为：d＝(xi,yi)，其中xi是一个三维的向量，包括线路的应变、环境温度和环境风速，yi取+1或-1，这里取环境覆冰时为+1，环境为覆冰时为-1，即为正样本和负样本。然后构建函数当为正样本时，γi大于0，为负样本时，γi小于0。和b为优化函数，这里通过调整和b的值，使得目标函数最小化，从而得到最大的分离超平面，构建的分类决策函数为：在训练得到和b后，将线路实时监测到的覆冰等值厚度、温度和风速信息代入后就可以对线路状态进行动态监测和判断。

进一步地，本发明实施例提供的基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统，还可以包括覆冰定位模块，用于通过得到的光信号返回时间t与公式进行覆冰区域定位，其中c为光速，n为光纤折射率，l为覆冰点距离装置点距离。

可选的，本发明实施例中的光电转换器可以为选择雪崩式光电二极管(avalanchephotodiode，apd)。

可选的，光脉冲编码调制选择7阶的s编码，信噪比约提高到原来的1.5倍。

通过本发明实施例构思的以上基于微气象监测和svm算法的线路覆冰监测系统，能够取得下列的有益效果：

(1)集成了多参量分布式光纤传感模块，能够同时监测全线路的应变和温度信息，解决了布里渊散射信息难以解耦的问题。

(2)同时利用温度和应变来计算和定位监测覆冰区域、覆冰载荷、覆冰等值厚度，提升了覆冰监测的全面性和准确性。

(3)结合温度与应变来进行覆冰预警，减少由于异物悬挂、树挂等情况引起的误判。

(4)利用相位敏感型和偏振敏感型瑞利散射模块来监测风速，对线路覆冰进行预警。

(5)利用svm算法，结合历史线路覆冰时的应变、温度和风速值进行覆冰状态判断，提高了覆冰状态判断的准确性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。