一种架空输电线路的覆冰及舞动预警监测装置

本发明涉及电力系统传感，具体涉及一种架空输电线路的覆冰及舞动预警监测装置。

背景技术：

1、目前，能源资源日益紧缺的环境下，在能源的传输上出现损耗或者故障时，及时识别并进行相应处理显得尤为重要的。由于架空输电线路长、运输距离远、建设地区偏僻，因此输电线路故障情况的发生具有极大的危害性，会严重影响沿线居民的生产生活。2013年浙江宁波多条输电线路因覆冰发生故障，在故障出现数小时后才确定发生故障的位置，浙江供电公司采用的人工巡查在冰雪覆盖的山林里排查故障点。受山地低温、雨雪、雾凇、大风等影响，输电线路受灾故障点能见度极低，给排查工作带来极大困难。当前，针对输电线路的运行和维护主要依靠人工检测，监测方式存在时间长、效率低等不足之处，这充分说明了在输电线路的监测技术发展中，实施在线监测并准确实时地确定事故故障点的必要性。

2、目前，在输电线路的检测方法主要有称重法、导线倾角法和图形识别法等，其方法依靠点式传感器测量，需要对传感器进行有源供电，在恶劣环境下无法保证系统的安全稳定运行。发明专利“输电线路覆冰厚度测量方法及装置”(中国，公开号：cn110702015a，公开日期：2020.01.17)基于由采集输电线路的四目图像输入卷积神经网络模型确定输电线路的三维模型进而确定输电线路的覆冰厚度。这样对采集设备的稳定运行有着很高的要求，一旦出现摄像头雾化或供电设备的不稳定或对检测装置精度影响较大。近些年来随着光纤复合相线(oppc)和光纤复合架空地线(opgw)在输电线路中越来越多的使用，采用光纤作为传感媒介进行输电线路的覆冰检测的优势突出。发明专利“一种高压输电线网的覆冰状态监测方法”(中国，公开号：cn112710409a，公开日期：2021.04.27)基于布里渊传感技术架构，通过获取环境温度及布里渊频移曲线，解调布里渊频移曲线得到opgw高压输电线缆中的光纤温度信息/应变信息，进而得到输电线缆的覆冰厚度。但是该装置基于布里渊系统在维持高空间分辨率下将测量距离达到100km以上是非常困难的，同时测量时间较长。当前，在输电线路的覆冰检测装置中，点式传感器存在电磁干扰、有源供电等诸多问题；光纤传感装置存在测量距离不足、耗时较长等不足。

技术实现思路

1、本发明提出一种架空输电线路的覆冰及舞动预警监测装置，解决了输电线路的运行和维护主要依靠人工检测，监测方式存在时间长、效率低等不足之处的问题。

2、本发明提供的一种输电线路环境火灾及外力破坏监测装置，包括：激光发射模块、第一耦合器、相位调制器、声光调制器、光纤放大器、光纤环形器、传感光纤、扰偏器、微波发生器、第二耦合器、光电探测器、高速数据采集模块以及服务器；

3、所述激光发射模块用于发射光脉冲进入所述第一耦合器；所述第一耦合器将连续激光分为两路，一路作为本地参考光经过所述扰偏器与第二耦合器相连，另一路作为探测光输入到所述相位调制器，所述相位调制器与所述声光调制器相连；所述相位调制器由所述微波发生器控制，用于将激光调制成多频率光束输出到所述声光调制器；所述声光调制器由所述高速数据采集模块发出电脉冲驱动，用于将连续激光调制成光脉冲，输出给所述光纤放大器；所述光纤放大器用于提高光功率，将形成的多频高功率的探测脉冲光与所述光纤环形器的第一端口相连；所述光纤环形器的第二端口与传感光纤连接，用于产生探测脉冲光引起的瑞利散射；所述光纤环形器的第三端口与所述第二耦合器相连接；

4、所述光纤第二耦合器将本地参考光和传感光纤中所得的后向瑞利光混频产生相干的外差信号；所述光电探测器与第二耦合器相连，所述光电探测器将光信号转化为电压信号，所述高速数据采集模块对数据采集模块输出的电压信号进行采集，所述高速数据采集模块累加次数设置为1000次，采集的瑞利散射电压数据实时发送给所述服务器，所述采集高速数据采集模块与所述声光调制器相连，发出电子驱动信号用来控制信号周期与脉冲宽度；

5、所述服务器用于多行程并行计算，包括多个计算节点，每个计算节点包括多个处理器和内存，多个所述处理器和内存可同时执行多个计算任务，以及互连网络，连接多个所述计算节点，以实现多行程并行计算；

6、所述服务器用于对采集的瑞利散射数据进行多线程的累加平均，再对采集数据进行滤波，将数据做平方运算滑动平均之后开根号得到所需单条瑞利散射曲线的曲线；

7、所述服务器用于得到瑞利散射曲线作为参考样本并将其保存，后续采集的瑞利散射曲线作为测试样本，将参考样本与测试样本进行滑动相关计算，得到最大相关点的滑动频率，通过温度/应变解调算法可以得到输电线路的温度/应变的变化量，检测输电线路的沿线的覆冰事件的发生并进行定位点；

8、所述服务器用于将采集的瑞利信号进行快速傅里叶变换处理，得到输电线路沿线的振动频谱，所述服务器采用多线程并行处理，将数据分为多个数据块，在多个并行计算节点上进行计算，得到输电线路全线振动频谱，通过舞动解调算法可以检测输电线路的沿线的舞动事件的发生并进行定位点；

9、所述服务器用于将输电线路的故障事件及事件的定位点等信息发送给无人机装置及运维人员。

10、优选的，所述相位调制器将激光分频为多频激光，依次连接所述声光调制器、所述光纤放大器、所述光纤环形器、进入所述传感光纤，得到多条后向瑞利散射曲线。

11、优选的，所述温度/应变解调算法包括以下步骤：

12、1)所述微波发生器设置相应参数，所述微波发生器对所述相位调制器发出射频信号将激光调制成多频激光，通过所述高速数据采集模块采集到51条后向瑞利信号，所述服务器将该数据累加平均后保存并作为参考样本；所述相位调制器调整设置相应参数从而改变分频数量，所述高速数据采集模块采集实时21条后向瑞利信号传输给所述服务器，所述服务器将该数据累加平均后保存并作为测试样本；

13、2)利用互相关公式将采集保存的51条参考后向瑞利信号记为a时刻，所述高速数据采集模块采集的实时21条后向瑞利信号记为b时刻，使用实时样本中的信号与参考样本中的信号进行滑动相关计算，在a时刻跟b时刻上的传感光纤上的温度及应变没有变化，那么滑动频率为0时相关度最大；在温度或应变发生变化时，那么得到相关度最大值时滑动的频率，通过滑动的频率数值大小即可获取传感光纤上的温度/应变分布信息；

14、3)利用公式和计算出频率偏移量对应的温度/应变的变化量，其中v为入射激光频率，δv为步骤二所述滑动频率量，δt为所述传感光纤沿线变化的温度量，δε为所述传感光纤沿线变化的应变量。

15、优选的，在所述步骤2中，对于将采集保存的51条后向瑞利信号记为a时刻，与所述高速数据采集模块采集的实时21条后向瑞利信号记为b时刻做相关运算，具体如下：

16、多条后向瑞利散射信号均可以看作是一个关于距离、功率、频率的三维数组，在同一距离下构成了频率和功率的二维数组，对于所述的a时刻的51条后向瑞利信号，即为长度为51的数组，对于所述的b时刻的21条后向瑞利信号，即为长度为21的数组；从a时刻的起始位置取长度为21的数组并以步进为1向右平移与b时刻的数组做相关计算，得到最大相关时刻的坐标点，即可得到频率偏移量，在各个距离下做重复上述步骤，得到输电线路沿线的全段温度/应变变化量。

17、优选的，所述舞动解调算法包括以下步骤：

18、1)通过所述高速数据采集模块采集到单条后向瑞利信号数据传送给所述服务器，对数据首先进行预处理，对其进行去噪等操作，所述服务器对数据进行划分多个数据块，分配不同线程对瑞利信号进行快速傅里叶变换；

19、2)所述服务器首先将原始信号进行补零操作，使其长度为2的整数次幂，得到距离-幅值的二维数组，再将信号分成若干个长度相等的子序列，使用快速傅里叶变换算法对每个子序列进行fft变换，得到其频域表示，对各个子序列的频域表示进行合并，得到整个信号的频域；

20、3)通过对整个信号的频域进行分析，使用基于峰值检测算法判断低频事件，出现低频事件即认定为发生舞动事件。

21、优选的，在所述步骤1中，所述高速数据采集模块实时采集多条瑞利曲线。

22、优选的，通过对固定线路未受应力点进行温度测量，确定温度变化量从而解调输电线路应变量以判断输电线路覆冰情况。

23、优选的，对于输电线路覆冰及舞动监测效率的提高，在保证精度的同时降低测量时间；一般测量时间是由数据采集时间和数据处理时间组成，测量时间是受测量距离跟测量方法的影响；数据采集时间大致等于测量距离的两倍除以光在空气中传播速度c＝3*10^8，数据处理采用并行计算。

24、优选的，所述第一耦合器、第二耦合器均为x型3db耦合器。

25、优选的，所述高速数据采集模块采样率大于10gsps。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

27、基于分布式光纤传感系统，采用频分的方法获取多条瑞利散射曲线，优化信号采集、信号相关计算的算法，使用服务器进行数据多线程并行处理，提高线路覆冰/舞动的监测效率，增加传感距离，可以极大地减少装置成本，做到在输电线路的覆冰/舞动故障事件及事件发生时，实时通过服务器中通信模块发送给无人机装置及运维人员，便于对于输电线路的状态监测，实现高速精确定位及预警功能。