一种架空输电线路健康监测方法及系统与流程

本发明涉及一种对架空输电线路进行健康监测的方法及系统，尤其涉及一种基于分布式光纤传感技术全面监测舞动的幅度、频率、舞动轨迹等信息的一种传感方法及系统，属于智能电网领域。

背景技术：

高压架空输电线路是我国电力输送采用的主要模式，但其运行过程中会因风、雨、雪等自然天气作用而引发舞动灾害，舞动易导致导线鞭击及电弧烧伤或断线、断股现象，同时还易导致金具严重磨损、断裂、脱落，或绝缘子钢脚断裂、杆塔倾倒以至于线路跳闸等多种故障的发生。

因此，对舞动进行实时监控并预警、做到启用预案以避免经济损失是非常有必要的。目前，舞动监测主要借助视频图像法、加速度传感器、光栅传感器、基于单芯光纤的分布式传感器等技术。视频图像法所采集图像清晰度有限且所输出的二维信息难以真实反映导线的三维舞动情况，并易受雨雪等天气影响；加速度传感器可定量分析输电线路某一点上下振动和左右摆动的情况，但只能测出导线直线运动的振幅和频率，对于复杂的圆周运动则无法准确测量，且舞动剧烈时，易松弛乃至脱落，增加不可预知的噪声，导致测得的舞动轨迹严重失真；此外，以上两种技术长期户外工作的供电受限。光栅(fiberbraggrating,fbg)传感器目前只能进行导线舞动频率、强度的定量测量，难以利用fbg应变变化量估算导线舞动轨迹。基于单芯光纤的分布式传感器采用与fbg技术相似，只能实现导线舞动的变化频率、变化强度进行测量，无法实现对导线舞动空间扭转及纵向波动波长的监测。

以上技术在舞动监测中均存在不足，因此需要更加全面、准确、连续、可靠的舞动监测技术。本发明提出采用相位敏感光时域反射仪(phaseopticaltimedomainreflectometry,φ-otdr)结合多芯光纤(multi-corefiber,mcf)实现舞动信息的全面监测，可以监测整条光纤沿线所有点形状信息的全分布式传感技术。

φ-otdr可以被认为是一个移动干涉式扰动/振动传感器在传感光纤内探测外界信号，扰动/振动会引起相应位置干涉光相位的线性变化，通过提取该位置不同时刻的干涉信号并解调，利用相干瑞利散射光的相位而非光强来探测扰动/振动等信号，不仅可以利用相位变化大小来提供扰动/振动事件强度信息，还可利用线性定量测量值来实现对扰动/振动事件相位、频率和位置信息的定量获取，从而实现外界物理量的定量测量。另外，φ-otdr技术的振动/扰动频率测量范围高达khz量级，可快速、定量、准确的测量动态应变，在不需供电的情况下能够提供长达100公里距离的安全预警监控，特别适用于架空输电线路的的安全预警，报警敏感度高，定位精确。

目前φ-otdr在单芯光纤传感领域得到了普遍应用，但仅依靠现有φ-otdr方案无法实现形状传感；mcf技术的成熟为实现分布式形状动态监测提供了很大空间，本发明利用φ-otdr结合适用于形状监测的mcf将非常适用于测量架空线路舞动的变化轨迹，突破现有舞动监测技术的不足，在获得舞动频率、幅度等信息的基础上还可全面获得线路舞动的轨迹，全方位的获得架空输电线路的舞动信息，为长距离架空输电线路舞动的全面监测提供可靠的技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于相位敏感光时域反射仪(phaseopticaltimedomainreflectometry,φ-otdr)和多芯光纤(multi-corefiber,mcf)的架空输电线路的健康监测方案，同时构建基于深度学习的舞动模式识别人工神经网络模型，实现架空输电线路的全面、连续、可靠监测的一种新技术。

本发明的目的是这样实现的：一种基于相位敏感光时域反射仪和多芯光纤实现架空输电线路舞动监测的系统，所述架空输电线路舞动监测系统包括相位敏感光时域反射仪(φ-otdr)、扇入、多芯光纤(mcf)、扇出；所述舞动监测系统中，φ-otdr含探测脉冲发射器和信号接收器，mcf同时作为φ-otdr的信号传输介质和敏感元件并与架空输电线路随动，实现架空输电线路舞动信息的全面监测；所述φ-otdr的探测信号由信号输出端口经扇入、进入mcf，mcf中所产生的背向瑞利散射信号被φ-otdr接收；每个探测脉冲获得的瑞利散射信号(曲线)中包括来自mcf中多根芯的应变信息。

所述多芯光纤可使用七芯光纤、四芯光纤、三芯光纤；所述多芯光纤中用于形状传感的每两根偏芯光纤与圆心所形成的扇形夹角为120度。

所述系统光路连接方式为：φ-otdr的探测信号输出端口接扇入的一个输入端，扇入的输出端接mcf的一端，mcf另一端接扇出，mcf中的三根芯或四根芯逐根首尾呈s形连接；mcf中的各芯使用扇入、扇出器件耦合引出mcf中的各芯，将其中的三根、或四根芯做首尾s型连接，后将上述s形连接的mcf接入系统，使得φ-otdr系统可一次性获得形状重构需要的所有应变结果；使用φ-otdr系统分布式检测mcf中各芯沿线的应变值，用来实现对待测物体的形状重构；所述的传感系统使用φ-otdr监测mcf的应变信息，将应变信息对应光纤所处的位置分别提取，得到每根芯对应的形变信息。

对每个探测脉冲获得的瑞利散射曲线进行分段截取，(即对所述系统采集到的多个芯的光信号进行分段截取)，使用φ-otdr的数据分析系统一次性提取形状重构需要的所有应变值。结合形状重构算法获得输电线路舞动轨迹。所述形状重构所需应变值，根据描述空间曲线的几何方法可以精确的计算出mcf发生形状变化区域的曲率半径，通过求解frenet-serret常微分方程，获取形状重构各特征值，曲率半径、切向量、法向量、副法向量，近而获得mcf的扭转值，根据以上参数即能重构mcf的三维形状。φ-otdr的一般数据分析已经成熟。

所述三维形状重构也可使用其它数学、技术方案重构方案实现；所述三维形状重构特征值结合环境参量温度、湿度、风力、风向等参量，构建架空输电线路舞动监测的人工神经网络，基于深度学习训练适用于架空输电线路舞动模式识别的人工神经网络，选择所述三维形状重构特征值和便于进行舞动模式识别的参量，作为架空输电线路舞动模式识别神经网络的输入向量，这些参量包括但不限于：温度、湿度、风力、导线的曲率、导线挡距、塔顶位移、导线扭转角、导线的切向量、法向量和副法向量等；神经网络的输出向量全面包含舞动的频率、振幅、初始相位、形状、振动类型，全面获取了舞动的信息。

进一步的，根据已有环境参数、形状特征值等训练出快速对架空输电线路舞动模式识别的神经网络模型，对架空输电线路的舞动做模式识别。以实现快速、精确的舞动监测。

进一步的，系统在监测架空输电线路时，工作在连续不断的实时监测状态。系统除可连续监测架空输电线路的舞动外，还可实现覆冰、振动干扰、人或动物攀爬等的实时监测

本发明提出的一种基于φ-otdr和mcf实现架空输电线路舞动监测的方法，所述舞动监测方法，使用φ-otdr作为信号发射、接收与处理系统，使用mcf同时作为系统的信号传输介质和敏感元件并与架空输电线路随动；所述监测方法及系统可实现架空输电线路舞动频率、舞动幅度、舞动轨迹和舞动变化规律的全面、实时监测。

进一步，本发明对所述的每个探测脉冲获得的瑞利散射曲线进行分段截取，即对所述系统采集到的多个芯的光信号进行分段截取，使用φ-otdr检测的数据分析系统一次性提取形状重构需要的所有应变值；结合形状重构算法获得输电线路舞动轨迹；所述形状重构所需应变值，根据描述空间曲线的几何方法计算出多芯光纤发生形状变化区域的曲率半径，通过求解frenet-serret常微分方程，获取形状重构各特征值，曲率半径、切向量、法向量、副法向量近而获得mcf的扭转值，根据以上参数重构即能重构mcf的三维形状。

本发明采用上述技术方案，能产生如下有益效果：本发明在实现架空输电线路健康监测方面，可精准重构线路舞动的三维形状、全面掌握舞动信息的问题，除可实现舞动监测外还可实现传统传感系统可实现的功能(如覆冰、振动干扰、人或动物攀爬等)。传感系统除可使用本发明提出的φ-otdr外，还可以使用其它多种分布式光纤传感系统中，如基于布里渊散射的分布式光纤传感系统、光频域分析仪等，实现舞动幅度、舞动频率、舞动轨迹多种物理量测量精度的测量。本发明的实现有望发展一种新的架空输电线路健康监测的方法及系统，推动智能电网的进一步发展。

附图说明

图1七芯mcf内部各芯相对于中性轴的排列及受力示意图；

图2mcf内部4芯s型连接示意图；

图3mcf输出的瑞利散射曲线示意图；

图4分段截取后各芯的瑞利散射曲线示意图；

图5各芯沿线应变信息示意图；

图6重构出的三维形状示意图；

图7舞动模式识别神经网络；

图8架空输电线路舞动监测系统示意图。

具体实施方式

为更加清楚明白地描述本发明，下面以φ-otdr传感系统结合七芯光纤为例，本发明可以使用的光纤传感系统不仅限于φ-otdr类系统和七芯光纤，结合附图说明本发明的较佳实施例。

本发明的较佳实施例中所用的七芯光纤的结构示意图如图1所示；

本发明的系统结构如图2所示，包括φ-otdr系统(1)、fan-in(2)、多芯光纤(3)、fan-out(4)；

本发明使用扇入与扇出分别引出mcf中的七根芯，使用七芯光纤中的四根芯，芯2、芯3、芯4、芯7，或芯1、芯4、芯5、芯6通过扇入、扇出将四芯首尾相连呈s形连接。图2以芯2、芯3、芯4、芯7为例，通过扇入、扇出将四芯引出并将它们首尾相接呈s形连接；七芯光纤作为信号传输介质和敏感元件可以作为电缆系统中光纤复合架空地线的一根芯或专门铺设。

本发明用于传感时的具体实施步骤如下：

系统光路连接方式如下：φ-otdr系统(1)的探测信号端口fan-in(2)的输入端，fan-in(2)的输出端接多芯光纤(3)，多芯光纤(3)接fan-out(4)，多芯光纤(3)中的芯2、芯3、芯4、芯7为例将四芯呈s形连接，如图2所示。

传感过程步骤如下：

步骤1、探测光信号经fan-in(2)、进入多芯光纤(3)的芯2、芯3、芯4、芯7，所产生的瑞利散射信号被φ-otdr接收；

步骤2、φ-otdr的探测信号由系统信号输出端口进入mcf可以一次性经过mcf的4根芯，每个探测脉冲获得的瑞利散射曲线包括来自4根芯的应变信息，瑞利散射曲线示意图如图3所示。扇入、扇出即fan-in、fan-out一般采用熔接方式与多芯光纤相连。由于fan-in、fan-out与多芯光纤的熔接损耗，芯与芯间的信号存在能量差异。

步骤3、分段截取瑞利散射信号，如图4所示，使用φ-otdr的数据分析系统一次性提取形状重构需要的所有应变值，如图5所示。

步骤4、根据φ-otdr获得的应变值以及描述空间曲线的几何方法可以精确的计算出mcf发生形状变化区域的曲率半径，通过求解frenet-serret常微分方程，获取形状重构特征值：切向量、法向量、副法向量，近而获得七芯光纤的扭转值，即能确定被测物体的三维形状。

为计算出曲率半径的值，需首先定义一个局部坐标系，计算出θi的值，如图1例中所示，图中给出了一个7芯光纤横截面结构分布、7芯光纤弯曲轴和其中性轴。在图1例中芯3受张力，而芯2和芯7受压缩力，该横截面受应力所致的曲率半径与各纤芯应变值间的关系可由表达式(1)、(2)给出：

r＝r2/ε2,4＝r3/ε3,4(1)

r＝r2/ε2,4＝r7/ε7,4(2)

其中，r是弯曲半径，r2、r3、r7分别是芯2、芯3、芯7到中性轴的距离，ε2,4、ε3,4、ε7,4分别是芯2、芯3、芯7与芯4的应变差。根据图1中r2、r3、r7与r的三角函数关系，以及θ2、θ3、θ7夹角间依次相差2π/3的相位关系，可计算出r2、r3、r7的值。最后，将r2、r3、r7代入式(1)和(2)中，即可精确的计算出mcf发生形状变化区域的曲率半径，即能确定被测物体的弯曲程度。通过求解frenet-serret常微分方程(式(3))，获取形状重构特征值。假设初始条件(t0，n0，b0，r0)，其中t为单位切向量，n为单位法向量，b为单位副法向量，r为曲率半径，κ为曲线的曲率，τ为曲线的挠率。根据上述各关键参数，可以获得mcf扭转值，近而利用三维形状重构算法获得待测线路的形状，形状示意图如图6所示。

步骤5、使用面向架空输电线路舞动监测的人工神经网络，选择典型的并便于舞动模式识别的参量，作为神经网络的输入向量，这些参量有：温度、湿度、风力、导线的曲率、导线挡距、塔顶位移、导线扭转角、导线的切向量、法向量和副法向量等。根据舞动全面监测目的，其输出向量为线路舞动的频率、振幅、初始相位、形状、振动类型，即舞动的全面信息。

步骤6、系统在监测架空输电线路时，处于连续不断的实时监测状态。系统除可连续监测架空输电线路的舞动外，还可实现覆冰、振动干扰的实时监测。

基于φ-otdr融合mcf实现架空输电线路舞动监测的应用现场示意图如图8所示。

根据已有环境参数、形状特征值等训练出快速对架空输电线路舞动模式识别的神经网络模型，对架空输电线路的舞动做模式识别的方法可参考现有技术[1、巫世晶,向农.神经网络在输电导线舞动监测诊断系统中的应用[j].华北电力技术,1998(09):3-5+44.2、一种裂纹形状反演方法[p]，cn201010022673.9，上海工程技术大学，2010]。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。