基于多芯光纤的输电线路服役状态监测预警系统及方法

本发明涉及电力系统服役状态监测，特别是涉及一种基于多芯光纤的输电线路服役状态监测预警系统及方法。

背景技术：

1、确保电力线路安全稳定是保障用电质量的重要基础。然而，在恶劣的天气条件下，输电线路可能面临高温故障、大面积的覆冰或无法控制的舞动，导致线路故障。由于输电线路跨区域范围广且修复难度大，一旦发生严重的电缆高温故障、覆冰或舞动事故，就可能导致长时间、大面积的停电事件。因此，需要采取监测和预警措施来应对这些问题，以确保电力线路的安全性和可靠性。

2、在输电线路服役状态监测中，传统的点式传感器存在许多问题，如电磁干扰和供电需求等。近年来，随着光纤复合架空地线（optical power grounded waveguide，简写为：opgw）在输电线路中的广泛应用，利用光纤作为传感媒介进行输电线路的覆冰检测已经成为一种突出的优势，但仍存在测量距离受限、耗时较长等不足。

3、总而言之，现有的技术尚还存在以下问题：

4、（1）目前输电线路服役状态监测缺乏一个集成监测输电线路各种灾害的系统。传统的监测方法虽然有一定的适用性和准确性，但它们都是单独的监测手段，无法综合考虑线路遭受的各种灾害情况。导致无法全面了解和评估线路的安全状况，难以提前采取相应的预防和应对措施。为了解决这个问题，需要发展一种集成监测系统，能够同时监测和评估输电线路的覆冰、风荷载、温升和折损等多种灾害因素。

5、（2）目前在分布式光纤输电线路服役状态监测中，存在温度和应变交叉敏感的问题，无法同时对输电线路的温度与应变进行全周期的监测。

6、有鉴于此，如何克服现有技术所存在的缺陷，解决上述技术问题中的至少一部分问题，是本技术领域待解决的难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷或改进需求，本发明提供一种基于多芯光纤的输电线路服役状态监测预警系统及方法，发挥多芯光纤多参量同步感知与解调的优势，将多芯光纤与地线复合制成光缆，测量光纤沿线的散射信号，解调出温度、应变、振动等多个参量，通过计算得到输电线路的覆冰厚度和弧垂变化量等信息，并设定不同的阈值，从而实时判断输电线路的服役状态，为后续的预警与决策提供依据。本发明提供一个集成化的系统，解决了目前输电线路服役状态监测中温度与应变交叉敏感的问题，提高了传感距离和精度。

2、本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于多芯光纤的输电线路服役状态监测预警系统，包括多芯光纤传感模块、信号处理与监测模块以及灾害预警模块，其中：

4、所述多芯光纤传感模块包括多芯光纤和分别与每个纤芯相连的解调仪，通过所述多芯光纤作为传感器，获取输电线路运行过程中的多个物理参量，所述物理参量包括温度、应变以及振动参量，通过所述解调仪对获取的物理参量进行同步解调分析；

5、所述信号处理与监测模块用于对解调后的物理参量进行处理与计算，并进行线路温度、线路覆冰以及线路风振的监测；

6、所述灾害预警模块用于根据各项监测结果与对应的预设阈值做对比，判断是否发出预警通知。

7、进一步的，所述解调仪用于将获取的光信号解调为电信号，所述解调仪包括光栅解调仪、拉曼测温仪、偏振分析仪、布里渊解调仪和相位敏感光时域反射仪中的一种或多种；所述多芯光纤包括中间纤芯和分布在所述中间纤芯四周的6个外环纤芯，其中：

8、一对外环纤芯与布里渊解调仪相连，用于测量线路应变；一对外环纤芯与光栅解调仪相连，用于测量线路中关键点位应变值；一个外环纤芯与相位敏感光时域反射仪相连，用于测量线路振动；一个外环纤芯与偏振分析仪相连，用于测量线路局部振动频率；中间纤芯与拉曼测温仪相连，用于测量线路温度，并为其他传感器提供温度补偿，以消除温度-应变交叉敏感效应。

9、进一步的，所述信号处理与监测模块包括导线温度监测模块、导线覆冰监测模块以及导线风振监测模块；其中：

10、所述导线温度监测模块用于根据解调出的温度信号分析监测当前线路中的温度分布状态；所述导线覆冰监测模块用于根据解调出的温度和应变信号，以及根据计算得到的覆冰厚度和弧垂变化量信息，分析监测当前线路中的覆冰程度；所述导线风振监测模块用于根据解调出的振动频率信号，以及根据计算得到的弧垂变化量信息，分析监测当前线路受风影响程度。

11、进一步的，导线温度监测模块用于根据解调出的温度信号分析监测当前线路中的温度分布状态具体包括：

12、利用拉曼测温仪，采集线路运行温度，对整条线路的温度情况进行全面监测；并根据拉曼温度场的定位结果针对性地测量细部温度，根据这些温度信息来监测当前线路中的温度分布状态；将温度分布状态发送给灾害预警模块以进行当前线路的温度分析。

13、进一步的，对于线路高温预警：

14、所述灾害预警模块根据所述导线温度监测模块发送的温度分布状态进行当前线路的温度分析；若线路温度大于线路高温阈值，则发出输电线路高温预警；否则判断输电线路温度状态正常。

15、进一步的，所述导线覆冰监测模块用于根据解调出的温度和应变信号，以及根据计算得到的覆冰厚度和弧垂变化量信息，分析监测当前线路中的覆冰程度具体包括三个覆冰程度的监测；其中：

16、第一覆冰程度的监测包括：利用拉曼测温仪，采集线路运行温度，将采集的线路运行温度发送给灾害预警模块以进行第一覆冰程度的分析；

17、第二覆冰程度的监测包括：利用布里渊解调仪，采集线路应变情况，利用光栅解调仪，采集线路中关键点位的局部应变情况；同时通过拉曼测温仪实现对线路应变、局部应变的温度补偿，提高应变测量精度；将采集的线路应变情况以及局部应变情况发送给灾害预警模块以进行第二覆冰程度的分析；

18、第三覆冰程度的监测包括：利用相位敏感光时域反射仪，实现对线路振动频率的检测，进一步根据振动频率计算线路的覆冰厚度，并根据采集的应变值计算线路的弧垂变化量；将计算的覆冰厚度和弧垂变化量发送给灾害预警模块以进行第三覆冰程度的分析。

19、进一步的，对于线路覆冰预警：

20、所述灾害预警模块根据所述导线覆冰监测模块发送的线路运行温度进行第一覆冰程度的分析；若线路温度小于线路低温阈值，则发出覆冰初期征兆信号并进入第二覆冰程度的分析；否则判断输电线路覆冰状态正常；

21、所述灾害预警模块根据所述导线覆冰监测模块发送的线路应变情况以及局部应变情况进行第二覆冰程度的分析；若线路应变大于应变阈值，则发出严重覆冰预警信号并进入第三覆冰程度的分析；否则判断覆冰程度处于可接受范围；

22、所述灾害预警模块根据所述导线覆冰监测模块发送的覆冰厚度和弧垂变化量进行第三覆冰程度的分析；若覆冰厚度大于厚度阈值，且弧垂变化量超过弧垂变化量阈值，则发出重大危险预警；若覆冰厚度大于厚度阈值，但弧垂变化量未超过弧垂变化量阈值，则发出存在导线闪络风险预警。

23、进一步的，所述导线风振监测模块用于根据解调出的振动频率信号，以及根据计算得到的弧垂变化量信息，分析监测当前线路受风影响程度具体包括：

24、利用相位敏感光时域反射仪和偏振分析仪，实时采集线路振动信号，获取线路振动频率；利用布里渊解调仪，采集线路应变值，并根据应变值计算线路的弧垂变化量；将获取的线路振动频率以及计算的弧垂变化量发送给灾害预警模块以进行当前线路受风影响程度的分析。

25、进一步的，对于线路风振预警：

26、所述灾害预警模块根据所述导线风振监测模块发送的线路振动频率以及弧垂变化量进行线路受风影响的分析；

27、若线路振动频率在微风振动频率范围内，则进一步判断微风振动累计时间是否超出累计时间阈值；

28、若微风振动累计时间超出累计时间阈值则发出线路疲劳预警信号；若微风振动累计时间未超出累计时间阈值则判断输电线路微风振动状态正常；

29、若线路振动频率不在微风振动频率范围内，则判断线路振动频率是否在舞动频率范围内；

30、若线路振动频率不在舞动频率范围内，则判断线路振动状态正常；若在舞动频率范围内则进一步判断弧垂变化量是否大于弧垂变化量阈值；

31、若弧垂变化量大于弧垂变化量阈值则发出线路舞动状态异常预警；若弧垂变化量不大于弧垂变化量阈值则判断线路舞动状态正常。

32、另一方面，本发明提供了一种基于多芯光纤的输电线路服役状态监测预警方法，应用于如第一方面所述的基于多芯光纤的输电线路服役状态监测预警系统，包括：

33、通过多芯光纤作为传感器，获取输电线路运行过程中的多个物理参量，所述物理参量包括温度、应变以及振动参量；

34、通过解调仪对获取的物理参量进行同步解调分析，并进行线路温度、线路覆冰以及线路风振的监测；

35、根据各项监测结果与对应的预设阈值做对比，判断是否发出预警通知。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

37、（1）监测系统集成化：能同时同步监测温度、应变、振动等多个参量，并可通过计算得到输电线路的覆冰厚度和弧垂变化量等信息，从而实时判断输电线路的服役状态。能够同时监测和评估输电线路的覆冰、风荷载、温升等多种灾害因素，全面了解和评估线路的安全状况，使工作人员能够提前采取相应的预防和应对措施。系统稳定性高，数据采集的延时小，实时性高，可靠性强。

38、（2）消除温度与应变交叉敏感：发挥多芯光纤多参量同步感知与解调的优势，利用基于拉曼散射的分布式光纤传感技术为其他传感器提供温度补偿，实现输电线路温度与应变的同时感知与监测，提高了传感距离和精度。

39、（3）实时监测与预警：将多种光纤传感技术获取的数据进行融合和分析，通过算法建立模型，实现对线路安全状况的全面评估。并及时发出灾害预警，以避免事故的发生或减轻其影响。系统还具备远程监控和管理功能，使运维人员可以随时随地监测线路状况，及时调整工作计划，提高线路的可靠性和安全性。