基于botdr的输电线路导线温度分布式监测装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于BOTDR输电导线温度分布式监测装置及方法，BOTDR与OPGW内的光纤连接，通过布里渊散射频移温度应力解调仪分离出输电线路OPGW中各探测点的温度和应力两个参变量，并根据输电线路OPGW和导线的稳态热传导方程建立OPGW分布式温度与导线分布式温度的关系，并根据输电线路OPGW在相邻时间段内监测得到的温度数据计算出线路上随时间变化的对流散热系数，结合输电线路OPGW和导线的材料参数以及输电线路导线载流量监测系统测量的导线动态载流量信息，采用牛顿迭代法计算出输电线路的导线温度分布。实现输电线路导线的分布式温度监测。本发明的有益效果是:只需采用一台设备在变电站进行安装就能实现输电线路上实时、长距离的OPGW和导线的温度分布在线监测。
【专利说明】基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高压输电线路电力运维领域，特别涉及输电线路导线温度分布式监测 装置及方法。
【背景技术】
[0002] 在高压输电线路正常运行期间，输电导线在大电流负载情况下会产生较高的温 度，从而会改变输电线路运行时的弧垂，若输电导线温度升高到一定程度后将会危及输电 线路的正常运行，从而出现不必要的停电、跳闸以及安全事故。所以，对高压输电线路导线 温度的在线监测是一个迫切需要解决的问题。目前，对于高压输电线路导线温度的在线监 测方法主要采用在导线上安装定点式温度传感器装置的方法来实现，然而导线的温度受环 境温度和风速的影响比较大，因此在输电线路上呈现分布式温度分布，然而目前尚未有一 种线路全分布式导线温度的监测方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种高压输电线路导线分布式温度的在线监测装置及方 法。该监测方法无需在输电线路上额外安装传感器，而是以输电线路中的光纤复合架空地 线OPGW内部光纤作为传感器和信息传输通道，通过监测输电线路OPGW的温度分布，并引入 输电导线的动态载流量，根据OPGW和导线之间的热平衡关系计算获得输电导线的温度分 布，实现输电导线的分布式温度监测。
[0004] 本发明的技术方案为：
[0005] -种基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置，包括布里渊光时域反射仪 (BOTDR)、分布式光纤传感器、导线载流量监测系统、计算机及信息处理单元，所述的分布式 光纤传感器为光纤复合架空地线OPGW内的一根传感光纤，其特征在于：B0TDR安装在高压 输电线路输变电站内，OPGW内部传感光纤通过变电站内的光纤接口接入B0TDR，导线载流 量监测系统和BOTDR分别与计算机及信息处理单元相连。
[0006] 所述的光纤复合架空地线内的一根传感光纤为单模光纤。
[0007] 所述的导线载流量监测系统和BOTDR通过USB接口与计算机及数据处理单元连 接，计算机及数据处理单元接收BOTDR发送的分布式光纤传感器上各空间位置上的温度与 应变信息以及导线载流量监测系统发送的导线动态载流量信息；并完成存储、管理、计算及 信息显示，通过现有相应算法计算出输电线路导线的分布式温度。
[0008] 利用基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置的方法，其特征在于按以下 步骤进行：步骤一、根据OPGW的瞬态热平衡方程计算输电线路上各空间点的对流散热系数 h(t);步骤二、根据输电线路OPGW和导线任意相对应空间点的日照辐射功率具有稳定线性 关系的条件，建立OPGW和导线的稳态热平衡关系式；步骤三、引入导线的动态载流量信息， 并采用牛顿迭代法求解得到输电导线的温度分布。
[0009] 具体按以下步骤进行：步骤一、利用BOTDR监测得到OPGW的温度分布TQPew，建立导 线和OPGW任意一空间相对应点的稳态热平衡方程（1)式和（2)式；步骤二、根据公式（7) 的性质，将⑴式乘以DdZ^后与⑵式相减获得公式（8);步骤三、鉴于公式⑶中包含 两个未知数：导线温度TD和导地线的对流散热系数h (t)，采用同一探测点的多个相邻时间 测量得到的数据来求得缆线的对流散热系数h(t);步骤四、计算出导地线的对流散热系数 后，方程只存在一个未知变量，带入材料和输电线路参数，并引入输电线路导线动态载流量 数据，采用牛顿迭代法求解得到导线的温度分布；步骤五、鉴于以上求解均只在一个空间探 测点进行，只需要对输电线路上每一个空间探测点进行步骤三、步骤四就能实现输电线路 导线分布式温度的监测；
[0010] 在输电线路上同一空间位置的OPGW和导线的稳态热平衡方程可描述如下：
[0011] OPGW : Qso Qro Qco = 0 (1)
[0012] 导线：I2R (Td)+Qsd QrD Qcd = 0 (2)
[0013] 公式⑴和⑵中Qs。、Qsd分别为OPGW和导线吸收的日照辐射功率，此两个量均 是未知量；I为导线的载流量，为已知量；R(T d)为导线的单位长度电阻，其大小与导线的温 度相关；Qm和Qril分别为OPGW和导线的热辐射散热功率，Q。。和Q cfl分别为OPGW和导线的对 流散热功率，它们的表达式如下：
[0014]
【权利要求】
1. 一种基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置，包括布里渊光时域反射仪 (BOTDR)、分布式光纤传感器、导线载流量监测系统、计算机及信息处理单元，所述的分布式 光纤传感器为光纤复合架空地线OPGW内的一根传感光纤，其特征在于：B0TDR安装在高压 输电线路输变电站内，OPGW内部传感光纤通过变电站内的光纤接口接入B0TDR，导线载流 量监测系统和BOTDR分别与计算机及信息处理单元相连。
2. 根据权利要求1所述的基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置，其特征在 于：所述的光纤复合架空地线内的一根传感光纤为单模光纤。
3. 根据权利要求1或2所述的基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置，其特 征在于：所述的导线载流量监测系统和BOTDR通过USB接口与计算机及数据处理单元连接， 计算机及数据处理单元接收BOTDR发送的分布式光纤传感器上各空间位置上的温度与应 变信息以及导线载流量监测系统发送的导线动态载流量信息；并完成存储、管理、计算及信 息显示，通过现有相应算法计算出输电线路导线的分布式温度。
4. 利用权利要求3所述的基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置的方法，其 特征在于按以下步骤进行：步骤一、根据OPGW的瞬态热平衡方程计算输电线路上各空间点 的对流散热系数h(t);步骤二、根据输电线路OPGW和导线任意相对应空间点的日照辐射功 率具有稳定线性关系的条件，建立OPGW和导线的稳态热平衡关系式；步骤三、引入导线的 动态载流量信息，并采用牛顿迭代法求解得到输电导线的温度分布。
5. 根据权利要求4所述的基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置的方法，其 特征在于按以下步骤进行：步骤一、利用BOTDR监测得到OPGW的温度分布Twew，建立导线和 OPGW任意一空间相对应点的稳态热平衡方程（1)式和（2)式；步骤二、根据公式（7)的性 质，将（1)式乘以DdZ^后与（2)式相减获得公式（8);步骤三、鉴于公式（8)中包含两个未 知数：导线温度Td和导地线的对流散热系数h(t)，采用同一探测点的多个相邻时间测量得 到的数据来求得缆线的对流散热系数h(t);步骤四、计算出导地线的对流散热系数后，方 程只存在一个未知变量，带入材料和输电线路参数，并引入输电线路导线动态载流量数据， 采用牛顿迭代法求解得到导线的温度分布；步骤五、鉴于以上求解均只在一个空间探测点 进行，只需要对输电线路上每一个空间探测点进行步骤三、步骤四就能实现输电线路导线 分布式温度的监测； 在输电线路上同一空间位置的OPGW和导线的稳态热平衡方程描述如下： OPGff：QS0QroQco = 0 (1) 导线=I2R(Td)+QsdQrDQcd = 0 (2) 公式（1)和（2)中Qs。、Qsd分别为OPGW和导线吸收的日照辐射功率，此两个量均是未 知量；I为导线的载流量，为已知量；R(Td)为导线的单位长度电阻，其大小与导线的温度相 关；Q,。和Qril分别为OPGW和导线的热辐射散热功率，Q。。和Qcfl分别为OPGW和导线的对流散 热功率，它们的表达式如下：
QrD=Dd[(Td+273) 4(T〇+273)4] (4) Qc〇 =h(t)D0 (TopgwT0) (5) QcD =h(t)DD(TDT0) (6) 式中h(t)为对流散热系数，并认为导线和OPGW有相同的表面材料特性，所以认为导线 和OPGW在对流散热系数上相同；公式中T_为OPGW内传感光纤温度，Td为导线温度，Ttl为 环境温度，％和Dd分别为OPGW和导线的直径，为材料的表面辐射系数，斯蒂芬-玻尔兹曼 常数，其值为5. 67108W/m2 ; 由于OPGW和导线所在空间位置相同，所以它们的自然环境也一致，OPGW表面和导线表 面受到的日照情况一致，所以OPGW与导线的日照辐射功率有以下关系：
将⑴式乘以DdZ^后与⑵式相减获得以下等式： I2R(Td) =Dd [ (TD+273)4 (T_+273)4]+h(t)Dd (TDT_) (8) 式中有两个未知变量Td和h(t)，采用同一探测点的多个相邻时间测量得到的数据来求 得缆线的对流散热系数h(t);因此，式（8)中只存在导线温度Td为未知变量，所以对导线温 度进行求解，采用牛顿迭代方法进行求解：
则叫=?) ? = 1二3......η为迭代次数（10) 8V~D{n)) 通过（9)式、（10)式计算得到导线的分布式温度。
【文档编号】G01K11/32GK104316216SQ201410483791
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】程登峰, 夏令志, 王贻平, 叶剑涛, 张健, 傅中, 严波, 刘洪凯 申请人:国家电网公司, 国网安徽省电力公司电力科学研究院