基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置及其方法
【专利摘要】本发明公开基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置及其方法，其特征在于，该装置包括：数据采集模块，用于实时采集待测输电线的温度及应变变化数据，所述数据采集模块包括两个光纤光栅应变传感器及一个三角架，所述三角架的三条边包括一条固定长度的边以及两条长度可变的边，每条长度可变的边上安装一个所述光纤光栅应变传感器；光信号收发与解调模块，用于向数据采集模块发射所述光纤光栅解调仪产生的窄带扫频光以及将接收的光信号解调；数据处理模块，用于从解调后的光信号中获取待测输电线的温度及应变变化数据，并计算待测输电线倾角。
【专利说明】基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感【技术领域】，具体涉及基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置及其方法。
【背景技术】
[0002]传统的输电线倾角测量技术以电子信息处理为基础，在测量输电线倾角时受有源供电、电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限等因素制约，限制了输电线倾角测量的安全性与可靠性。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题传统的输电线倾角测量受有源供电、电磁干扰、信号远程传输不稳定、数据传输容量受限等因素制约，限制了输电线倾角测量的安全性与可靠性。
[0004]为此目的，本发明提出基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置，该装置包括:
[0005]数据采集模块，用于实时采集待测输电线的温度及应变变化数据，所述数据采集模块包括两个光纤光栅应变传感器及一个三角架，所述三角架的三条边包括一条固定长度的边以及两条长度可变的边，每条长度可变的边上安装一个所述光纤光栅应变传感器；
[0006]光信号收发与解调模块，用于向数据采集模块发射所述光纤光栅解调仪产生的窄带扫频光以及将接收的光信号解调；
[0007]数据处理模块，用于从解调后的光信号中获取待测输电线的温度及应变变化数据，并计算待测输电线倾角。
[0008]其中，所述光纤光栅应变传感器包括温度补偿光栅及应变光栅，所述温度补偿光栅用于补偿应变光栅的温度交叉敏感。
[0009]其中，所述数据采集模块中的光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值根据实时采集的数据确定。
[0010]其中，所述光信号收发与解调模块包括光信号收发单元及光纤光栅解调仪，所述光信号收发单元用于向数据采集模块发射所述光纤光栅解调仪产生的窄带扫频光以及将接收的光信号发射到所述光纤光栅解调仪；所述光纤光栅解调仪用于解调光信号。
[0011]其中，所述数据采集模块的光纤光栅应变传感器与所述光信号收发与解调模块通过光纤复合架空地线或者光纤复合相线连接。
[0012]其中，所述数据采集模块进一步包括两个劲度系数相同且已知的弹簧，一个弹簧与一个光纤光栅应变传感器并联安装在三角架一条长度可变的边上，另一个弹簧与另一个光纤光栅应变传感器并联安装在三角架另一条长度可变的边上。
[0013]其中，所述光纤光栅应变传感器包括光纤光栅位移传感器，所述光纤光栅位移传感器用于采集待测输电线的温度、应变变化数据，并计算三角架长度可变的边的实时位移变化数据。
[0014]其中，所述数据处理模块具体用于从解调后的光信号中获取实时的待测输电线的温度及应变变化数据，确定光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值，根据所述中心波长的实时值得到长度可变的边的位移变化，计算三角架长度可变的边的实时边长，并通过余弦定理计算待测输电线倾角。
[0015]较佳的，该装置还包括客户端模块，用于电子地理显示、电网参量监测、日志查询和帮助。
[0016]基于上述装置进行倾角测量的方法，该方法包括:
[0017]S1.通过数据采集模块实时采集待测输电线的温度及应力变化的数据，所述数据米集模块中的光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值根据实时米集的数据确定；
[0018]S2.通过光信号收发与解调模块向所述数据采集模块发射窄带扫频光；
[0019]S3.将与光纤光栅应变传感器的中心波长相同波长的窄带扫频光反射到光信号收发与解调模块；
[0020]S4.将光信号收发与解调模块接收到的光信号进行功率检测，并将所述光信号解调为波长编码的数字信号；
[0021]S5.根据得到的数字信号，从中获取待测输电线的温度及应力变化数据并计算三角架长度可变的边的实时位移变化数据，根据位移变化确定数据处理模块中三角架的长度可变的边的长度，用余弦定理计算待测输电线倾角。
[0022]相比于现有技术，本发明提供的方法的有益效果是:本发明所采用的光纤光栅传感器具有无源化、抗电磁干扰、精度高、体积小质量轻、扰抗腐蚀等特点，并且它可以集信息传感与传输于一身，一个传感器包含两个光栅，对波长变化进行做差处理，这样可以有效地排除光纤光栅传感器对应变及温度交叉敏感的干扰，排除温度对应变的影响，使结果更精确。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1示出了基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置结构图；
[0025]图2示出了应用基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置进行倾角测量的方法流程图；
[0026]图3示出了实施例1中的数据采集模块；
[0027]图4示出了实施例2中的数据采集模块。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置，如图1所示，该装置包括:
[0030]数据采集模块，用于实时采集待测输电线的温度及应变变化数据，所述数据采集模块包括两个光纤光栅应变传感器及一个三角架，所述三角架的三条边包括一条固定长度的边以及两条长度可变的边，每条长度可变的边上安装一个所述光纤光栅应变传感器；
[0031]光信号收发与解调模块，用于向数据采集模块发射所述光纤光栅解调仪产生的窄带扫频光以及将接收的光信号解调；
[0032]数据处理模块，用于从解调后的光信号中获取待测输电线的温度及应变变化数据，并计算待测输电线倾角。
[0033]其中，所述光纤光栅应变传感器包括温度补偿光栅及应变光栅，所述温度补偿光栅用于补偿应变光栅的温度交叉敏感。
[0034]其中，所述数据采集模块中的光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值根据实时采集的数据确定。
[0035]其中，所述光信号收发与解调模块包括光信号收发单元及光纤光栅解调仪，所述光信号收发单元用于向数据采集模块发射所述光纤光栅解调仪产生的窄带扫频光以及将接收的光信号发射到所述光纤光栅解调仪；所述光纤光栅解调仪用于解调光信号。
[0036]其中，所述数据采集模块的光纤光栅应变传感器与所述光信号收发与解调模块通过光纤复合架空地线或者光纤复合相线连接。
[0037]其中，所述数据采集模块进一步包括两个劲度系数相同且已知的弹簧，一个弹簧与一个光纤光栅应变传感器并联安装在三角架一条长度可变的边上，另一个弹簧与另一个光纤光栅应变传感器并联安装在三角架另一条长度可变的边上。
[0038]其中，所述光纤光栅应变传感器包括光纤光栅位移传感器，所述光纤光栅位移传感器用于采集待测输电线的温度、应变变化数据，并计算三角架长度可变的边的实时位移变化数据。
[0039]其中，所述数据处理模块具体用于从解调后的光信号中获取实时的待测输电线的温度及应变变化数据，确定光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值，根据所述中心波长的实时值得到长度可变的边的位移变化，计算三角架长度可变的边的实时边长，并通过余弦定理计算待测输电线倾角。
[0040]较佳的，该装置还包括客户端模块，用于电子地理显示、电网参量监测、日志查询和帮助。
[0041]基于上述装置进行倾角测量的方法，如图2所示，该方法包括:
[0042]S1.通过数据采集模块实时采集待测输电线的温度及应力变化的数据，所述数据米集模块中的光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值根据实时米集的数据确定；
[0043]S2.通过光信号收发与解调模块向所述数据采集模块发射窄带扫频光；
[0044]S3.将与光纤光栅应变传感器的中心波长相同波长的窄带扫频光反射到光信号收发与解调模块；
[0045]S4.将光信号收发与解调模块接收到的光信号进行功率检测，并将所述光信号解调为波长编码的数字信号；
[0046]S5.根据得到的数字信号，从中获取待测输电线的温度及应力变化数据并计算三角架长度可变的边的实时位移变化数据，根据位移变化确定数据处理模块中三角架的长度可变的边的长度，用余弦定理计算待测输电线倾角。
[0047]实施例1:
[0048]本实施例公开一种应用于测量架空线覆冰厚度的基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置，该装置包括:
[0049]数据采集模块，用于实时采集待测架空输电线的温度及应变变化数据，所述数据采集模块包括两个光纤光栅应变传感器、两个劲度系数相同且已知的弹簧及一个三角架，所述三角架的三条边包括一条固定长度的边以及两条长度可变的边，每条长度可变的边上安装一个所述光纤光栅应变传感器；一个弹簧与一个光纤光栅应变传感器并联安装在三角架的一条长度可变的边上，另一个弹簧与另一个光纤光栅应变传感器并联安装在三角架的另一条长度可变的边上；
[0050]本实施例中，如图3所示，一个传感器固定在架空线上，且与之平行，可同步感应架空线的应变；与该传感器并联的弹簧与架空线平行，可同步发生形变，伸长或缩短；绝缘子串用于支撑架空线使架空线与杆塔，保证线路具有可靠的电气绝缘强度；图3中三角架中实线为三角架与绝缘子串的连接和固定杆；所述固定杆与传感器在空间上无交集，被传感器遮挡。
[0051]光信号收发与解调模块，所述光信号收发与解调模块包括光信号收发单元及光纤光栅解调仪，所述光信号收发单元用于向数据采集模块发射所述光纤光栅解调仪产生的窄带扫频光以及将接收的光信号发射到所述光纤光栅解调仪；所述光纤光栅解调仪用于解调光信号。
[0052]数据处理模块，用于从解调后的光信号中获取待测架空输电线的温度及应变变化数据，并计算待测架空输电线倾角；
[0053]客户端模块，用于电子地理显示、电网参量监测、日志查询和帮助。
[0054]其中，所述光纤光栅应变传感器包括温度补偿光栅及应变光栅，所述温度补偿光栅用于补偿应变光栅的温度交叉敏感。
[0055]其中，所述数据采集模块的安装在三角架两个可变长度边结构上的光纤光栅传感器，通过光纤复合架空地线OPGW或光纤复合相线OPPC接续盒与其中的光纤串接。所述0PGW/0PPC是把光纤放置在架空高压输电线的地线/相线中，用以构成输电线路上的光纤通信网，这种结构形式兼具地线/相线与通信双重功能。
[0056]应用上述装置进行倾角测量的方法包括:
[0057]S1.通过数据采集模块实时采集待测输电线的温度及应力变化的数据，所述数据米集模块中的光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值根据实时米集的数据确定；
[0058]S2.通过光信号收发与解调模块向所述数据采集模块发射窄带扫频光；
[0059]S3.数据采集模块中三角形结构两个长度可变边上的光纤光栅应变传感器，反射回与其中心波长相比配的光谱，该光谱携带了架空输电线实时温度、应变变化的相关信息；
[0060]S4.将光信号收发与解调模块接收到的光信号进行功率检测，并将所述光信号解调为波长编码的数字信号；
[0061]S5.根据得到的数字信号，从中获取待测输电线的温度及应力变化数据并计算三角架长度可变的边的实时位移变化数据，根据位移变化确定数据处理模块中三角架的长度可变的边的长度，用余弦定理计算待测输电线倾角。
[0062]步骤S5具体包括:数字信号进入数据处理模块后，由携带温度信息的波长信号可计算出电力线的温度。同一组(共两组)内两个光纤光栅测得的波长数据再通过做差的方式，来补偿传感器由于对应变及温度交叉敏感引起的信号波长的误差。计算出实时应力的变化量，其值与弹簧(已知劲度系数)弹力的变化量相同，进而可以求得弹簧的伸缩量，获得实时三角架三个边的长度，通过余弦定理可求得实时倾角变化。架空线状态得到确定，即可以计算出电力线的对应的覆冰厚度值。
[0063]数据处理模块的告警系统会根据覆冰厚度值，予以相应判断给出低级报警、中级告警或高级告警，并将判断结果传输到客户端模块。此外，上述过程的重要数据都被保存进数据库，以便查询。
[0064]实施例2:
[0065]本实施例与实施例1的不同之处在于:数据采集模块直接采用的是光纤光栅位移传感器。它可以直接获得位移的变化情况，可同时监测架空线温度、应变变化。光纤光栅位移传感器布设在三角形结构两个可变长度的边上，如图4所示，光纤光栅位移传感器平行布设在三角形结构的两个可变边上，三角形结构第三个边为固定边(长度不变)。其中一个传感器与架空线平行，可同步感应架空线的应变(或位移)。本实施例求解倾角的过程与实施例I相同，均是依据获得三角形三边数据，使用余弦定理，求得所求角的值。
[0066]虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
【权利要求】
1.基于光纤光栅传感技术的输电线倾角测量装置，其特征在于，该装置包括: 数据采集模块，用于实时采集待测输电线的温度及应变变化数据，所述数据采集模块包括两个光纤光栅应变传感器及一个三角架，所述三角架的三条边包括一条固定长度的边以及两条长度可变的边，每条长度可变的边上安装一个所述光纤光栅应变传感器； 光信号收发与解调模块，用于向数据采集模块发射所述光纤光栅解调仪产生的窄带扫频光以及将接收的光信号解调； 数据处理模块，用于从解调后的光信号中获取待测输电线的温度及应变变化数据，并计算待测输电线倾角。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器包括温度补偿光栅及应变光栅，所述温度补偿光栅用于补偿应变光栅的温度交叉敏感。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集模块中的光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值根据实时采集的数据确定。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光信号收发与解调模块包括光信号收发单元及光纤光栅解调仪，所述光信号收发单元用于向数据采集模块发射所述光纤光栅解调仪产生的窄带扫频光以及将接收的光信号发射到所述光纤光栅解调仪；所述光纤光栅解调仪用于解调光信号。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集模块的光纤光栅应变传感器与所述光信号收发与解调模块通过光纤复合架空地线或者光纤复合相线连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述数据采集模块进一步包括两个劲度系数相同且已知的弹簧，一个弹簧与一个光纤光栅应变传感器并联安装在三角架一条长度可变的边上，另一个弹簧与另一个光纤光栅应变传感器并联安装在三角架另一条长度可变的边上。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器包括光纤光栅位移传感器，所述光纤光栅位移传感器用于采集待测输电线的温度、应变变化数据，并计算三角架长度可变的边的实时位移变化数据。
8.根据权利要求3或7所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块具体用于从解调后的光信号中获取实时的待测输电线的温度及应变变化数据，确定光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值，根据所述中心波长的实时值得到长度可变的边的位移变化，计算三角架长度可变的边的实时边长，并通过余弦定理计算待测输电线倾角。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，该装置还包括客户端模块，用于电子地理显示、电网参量监测、日志查询和帮助。
10.基于权利要求1-9中任意一项所述装置进行倾角测量的方法，其特征在于，该方法包括: S1.通过数据采集模块实时采集待测输电线的温度及应力变化的数据，所述数据采集模块中的光纤光栅应变传感器的中心波长的实时值根据实时米集的数据确定； S2.通过光信号收发与解 调模块向所述数据采集模块发射窄带扫频光； S3.将与光纤光栅应变传感器的中心波长相同波长的窄带扫频光反射到光信号收发与解调模块； S4.将光信号收发与解调模块接收到的光信号进行功率检测，并将所述光信号解调为波长编码的数字信号； S5.根据得到的数字信号， 从中获取待测输电线的温度及应力变化数据并计算三角架长度可变的边的实时位移变化数据，根据位移变化确定数据处理模块中三角架的长度可变的边的长度，用余弦定理计算待测输电线倾角。
【文档编号】G01C9/00GK103900529SQ201410075240
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】李路明, 张治国, 刘志明, 刘赐麟, 胡彬 申请人:国网江西省电力公司信息通信分公司, 国家电网公司, 北京邮电大学