输电线路导线分布式弧垂的监测装置及方法

1.一种利用输电线路导线分布式弧垂的监测装置进行输电线路导线分布式弧垂监测的方法，输电线路导线分布式弧垂的监测装置包括计算机及信息处理单元(3)、设置在输电线路(6)上的光纤复合架空地线(2)，光纤复合架空地线(2)中的一根传感光纤作为分布式光纤传感器，其特征在于：它还包括布里渊光时域反射仪(1)、设置在输电线路(6)导线上的点式温度传感器(4)，所述分布式光纤传感器连接布里渊光时域反射仪(1)的第一通信端，布里渊光时域反射仪(1)的第二通信端连接计算机及信息处理单元(3)的第一数据通信端，所述点式温度传感器(4)的信号输出端连接计算机及信息处理单元(3)的第二数据通信端；
所述布里渊光时域反射仪(1)和计算机及信息处理单元(3)均位于高压输电线路输变电站(5)内；
利用输电线路导线分布式弧垂的监测装置进行输电线路导线分布式弧垂监测的方法包括如下步骤：
步骤1：利用点式温度传感器(4)和布里渊光时域反射仪(1)分别得到输电线路(6)上一点的温度值和光纤复合架空地线(2)的温度分布TOPGW，并将温度值和温度分布TOPGW传输给计算机及信息处理单元(3)；
步骤2：在计算机及信息处理单元(3)内建立输电线路(6)和光纤复合架空地线(2)的稳态热平衡关系，从而获得输电线路(6)导线温度、输电线路(6)导线载流量和温度分布TOPGW之间的关系式，如公式(8)所示：
其中，I为输电线路(6)导线的载流量、R为输电线路(6)导线的单位长度电阻、π为圆周率、Dw为输电线路(6)导线直径，ε为光纤复合架空地线(2)的表面辐射系数、σ斯蒂芬-玻尔兹曼常数、Tw为输电线路(6)导线分布温度、TOPGW为光纤复合架空地线(2)的温度分布、k为输电线路(6)导线与空气之间的对流传热系数，公式(8)中只有输电线路(6)导线的载流量I和输电线路(6)导线温度Tw为未知量；
步骤3：以上公式(8)中输电线路(6)导线的载流量I，在整条输电线路(6)上均一致，因此，将点式温度传感器(4)获取的输电线路(6)上一点的温度值，作为输电线路(6)导线分布温度Tw的某一个值，带入公式(8)计算得到输电线路(6)导线的载流量I，此时公式(8)中的输电线路(6)导线载流量I也成为已知量，此时，公式(8)中只存在一个未知变量输电线路(6)导线分布温度Tw；
将布里渊光时域反射仪(1)得到的光纤复合架空地线(2)的温度分布TOPGW带入(8)式，便可计算获得输电线路(6)导线分布温度Tw；
步骤4：在输电线路(6)的每个耐张段区段内计算输电线路(6)导线的平均温度 并采用架空线状态方程，如公式(9)所示，计算输电线路(6)导线的耐张段区段在温度变化后的水平应力值；
式中σ01、σ02分别为温度变化前和变化后输电线路(6)导线水平应力值；
γ1、γ2分别为温度变化前和变化后输电线路(6)导线的比载；
Tw0、 分别为温度变化前和变化后输电线路(6)导线在对应耐张段区段的平均温度；
lD、βD分别为对应耐张段区段的代表档距和代表高差角；
α、E分别为对应耐张段区段输电线路(6)导线的温度膨胀系数和弹性系数；
步骤5：根据公式(9)计算得到的输电线路(6)的耐张段区段在温度变化后输电线路(6)导线的水平应力值σ02，通过以下公式(10)获得输电线路(6)导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂：
其中，f为输电线路(6)导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂，γ2为温度变化后输电线路(6)导线的比载，lD为对应耐张段区段的代表档距，σ02为温度变化后输电线路(6)导线的水平应力，βD为对应耐张段区段的代表高差角；
步骤6：通过代表档距弧垂与耐张段区段内各档距弧垂的分配关系，即如下公式(11)，即可获得输电线路(6)各档距弧垂：
fi为输电线路(6)各档距弧垂，Li为对应耐张段区段的任意一个档距，f为输电线路(6)导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂，βD为对应耐张段区段的代表高差角，lD为对应耐张段区段的代表档距；
这样即可获得整条输电线路(6)的所有档距的弧垂值。
2.根据权利要求1所述的输电线路导线分布式弧垂监测方法，其特征在于：所述步骤2中在计算机及信息处理单元(3)内建立输电线路(6)和光纤复合架空地线(2)的稳态热平衡关系，从而获得输电线路(6)导线温度、输电线路(6)导线载流量和温度分布TOPGW之间的关系式的具体方法为：
同一地点的输电线路(6)导线和光纤复合架空地线(2)有如下稳定热平衡关系：
光纤复合架空地线(2)的稳定热平衡关系为：Qsun_o＝Qr_o+Qc_o (1)
输电线路(6)导线的稳定热平衡关系为：I2R+Qs_w＝Qr_w+Qc_w (2)
公式(1)和(2)中Qsun_o和Qs_w分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线吸收的日照辐射功率，Qsun_o和Qs_w均是未知量，I为输电线路(6)导线的载流量，R为输电线路(6)导线的单位长度电阻，Qr_o和Qr_w分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的热辐射散热功率，Qc_o和Qc_w分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的对流散热功率，Qr_o、Qr_w、Qc_o和Qc_w的表达式如下：
Qc_o＝kDo(TOPGW-Tref)  (5)
Qc_w＝kDw(Tw-Tref)  (6)
其中，TOPGW为光纤复合架空地线(2)的温度分布，Tw为输电线路(6)导线分布温度，Tref为环境温度，Do和Dw分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的直径，ε为光纤复合架空地线(2)的表面辐射系数，σ斯蒂芬-玻尔兹曼常数，k为输电线路(6)导线与空气之间的对流传热系数，π为圆周率；
由于光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线所在空间位置相同，所以光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的自然环境也一致，光纤复合架空地线(2)表面和输电线路(6)导线表面受到的日照情况一致，所以光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的日照辐射功率有以下关系：
Qsun_o和Qs_w分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线吸收的日照辐射功率，Do和Dw分别为光纤复合架空地线(2)和输电线路(6)导线的直径，将公式(7)代入公式(2)式中即可获得步骤2中的公式(8)。

输电线路导线分布式弧垂的监测装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及高压输电线路电力运维技术领域，具体涉及一种输电线路导线分布式弧垂的监测装置及方法。\n背景技术\n[0002] 为保证高压输电线的正常运行，输电线路必须与周围环境保持一定的电气间隔，从而有效避免输电线路出现不必要的闪络、停电、跳闸甚至安全故障。输电线路的弧垂直接反映了输电线路与周围环境之间的电气间隔情况，因此对输电线路的弧垂监测能快速有效的掌握输电线路的安全运行状态。\n[0003] 目前，对于高压输电线路导线弧垂的在线监测方法，主要采用在导线和绝缘子串处安装张力传感器、倾角传感器等方法来实现，这些方法只能对输电线路特殊段的弧垂进行监测，并不能实现对输电线路全路段弧垂的分布式监测，不能实时掌握输电线路全路段的安全运行情况。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于提供一种输电线路导线分布式弧垂的监测装置及方法，该装置及方法以输电线路中的光纤复合架空地线(OPGW，Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire)内部光纤作为传感器和信息传输通道，通过监测输电线路的温度分布，采用导地线之间的稳态热平衡关系，推算出导线的分布式温度，并引入输电线路导线的线路参数，采用输电线路的状态方程计算导线各档距的弧垂，实现输电导线的分布式弧垂监测。\n[0005] 为解决上述技术问题，本发明公开的输电线路导线分布式弧垂的监测装置，它包括计算机及信息处理单元、设置在输电线路上的光纤复合架空地线，光纤复合架空地线中的一根传感光纤作为分布式光纤传感器，其特征在于：它还包括布里渊光时域反射仪(BOTDR)、设置在输电线路导线上的点式温度传感器，所述分布式光纤传感器连接布里渊光时域反射仪的第一通信端，布里渊光时域反射仪的第二通信端连接计算机及信息处理单元的第一数据通信端，所述点式温度传感器的信号输出端连接计算机及信息处理单元的第二数据通信端。\n[0006] 一种利用上述监测装置进行输电线路导线分布式弧垂监测的方法，它包括如下步骤：\n[0007] 步骤1：利用点式温度传感器和布里渊光时域反射仪分别得到输电线路上一点的温度值和光纤复合架空地线的温度分布TOPGW，并将温度值和温度分布TOPGW传输给计算机及信息处理单元；\n[0008] 步骤2：在计算机及信息处理单元内建立输电线路和光纤复合架空地线的稳态热平衡关系，从而获得输电线路导线温度、输电线路导线载流量和温度分布TOPGW之间的关系式，如公式(8)所示：\n[0009]\n[0010] 其中，I为输电线路导线的载流量、R为输电线路导线的单位长度电阻、π为圆周率、Dw为输电线路导线直径，ε为光纤复合架空地线的表面辐射系数、σ斯蒂芬-玻尔兹曼常数、Tw为输电线路导线分布温度、TOPGW为光纤复合架空地线的温度分布、k为输电线路导线与空气之间的对流传热系数，公式(8)中只有输电线路导线的载流量I和输电线路导线温度Tw为未知量；\n[0011] 步骤3：以上公式(8)中输电线路导线的载流量I，在整条输电线路上均一致，因此，将点式温度传感器获取的输电线路上一点的温度值，作为输电线路导线分布温度Tw的某一个值，带入公式(8)计算得到输电线路导线的载流量I，此时公式(8)中的输电线路导线载流量I也成为已知量，此时，公式(8)中只存在一个未知变量输电线路导线分布温度Tw；\n[0012] 将布里渊光时域反射仪得到的光纤复合架空地线的温度分布TOPGW带入(8)式，便可计算获得输电线路导线分布温度Tw；\n[0013] 步骤4：在输电线路的每个耐张段区段内计算输电线路导线的平均温度 并采用架空线状态方程，如公式(9)所示，计算输电线路导线的耐张段区段在温度变化后的水平应力值；\n[0014]\n[0015] 式中σ01、σ02分别为温度变化前和变化后输电线路导线水平应力值；\n[0016] γ1、γ2分别为温度变化前和变化后输电线路导线的比载；\n[0017] Tw0、 分别为温度变化前和变化后输电线路导线在对应耐张段区段的平均温度；\n[0018] lD、βD分别为对应耐张段区段的代表档距和代表高差角；\n[0019] α、E分别为对应耐张段区段输电线路导线的温度膨胀系数和弹性系数；\n[0020] 步骤5：根据公式(9)计算得到的输电线路的耐张段区段在温度变化后输电线路导线的水平应力值σ02，通过以下公式(10)获得输电线路导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂：\n[0021]\n[0022] 其中，f为输电线路导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂，γ2为温度变化后输电线路导线的比载，lD为对应耐张段区段的代表档距，σ02为温度变化后输电线路导线的水平应力，βD为对应耐张段区段的代表高差角；\n[0023] 步骤6：通过代表档距弧垂与耐张段区段内各档距弧垂的分配关系，即如下公式(11)，即可获得输电线路各档距弧垂：\n[0024]\n[0025] fi为输电线路各档距弧垂，Li为对应耐张段区段的任意一个档距，f为输电线路导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂，βD为对应耐张段区段的代表高差角，lD为对应耐张段区段的代表档距；\n[0026] 这样即可获得整条输电线路的所有档距的弧垂值。\n[0027] 本发明的监测原理为：布里渊光时域反射仪向光纤复合架空地线也就是分布式光纤传感器发射脉冲激光信号，光信号在光纤中传播时，受光纤材料的影响会产生后向散射光信号；当光纤复合架空地线的温度发生变化后，光纤的微结构也会发生变化，导致后向散射光的中心波长会发生偏移；通过检测后向散射光的返回时间就可以计算出温度发生变化的位置，实现线路监测的空间定位，并解调出沿线各位置的温度大小。将布里渊光时域反射仪获得的温度信息通过USB接口传输给计算机及数据处理单元，同时将点式传感器监测的温度数据传输给计算机及数据处理单元，进行整条输电线路的载流量计算，并将载流量作为已知量计算获得导线分布式温度，对计算获得的导线分布式温度结合线路参数计算获得导线的分布式弧垂值，并完成数据的存储、管理、计算、结果显示以及异常报警等，达到对导线分布式弧垂的实时监测目的。\n[0028] 采用布里渊光时域反射仪，将线路上每一探测点的温度TOPGW和应力σ解调出来，解调出温度和应力，利用布里渊光时域反射仪解调得到光纤复合架空地线的温度分布TOPGW，根据光纤复合架空地线和输电线路导线的稳态热平衡方程计算输电线路导线的载流量，并将载流量作为已知量，计算获得导线的分布式温度；引入线路参数，采用架空线状态方程计算获得输电线路导线的水平张力，计算获得输电线路导线各耐张段的代表档距弧垂，进而计算获得导线的分布式弧垂。\n[0029] 本发明的有益效果：\n[0030] 本发明采用布里渊光时域反射仪与光纤复合架空地线内的一根单模光纤连接，布里渊光时域反射仪对光纤复合架空地线进行分布式温度监测，在输电线路一端采用点式温度传感器监测导线上一点的温度，采用输电线路导线和光纤复合架空地线之间的稳态热平衡关系，计算获得输电线路的载流量大小；并根据导线和光纤复合架空地线之间的热平衡关系计算获得输电线路导线的温度分布，结合输电线路的线路参数信息，通过现有的计算方法实现输电线路导线的分布式弧垂计算与监测。\n[0031] 本发明以布里渊光时域反射仪监测到的光纤复合架空地线上的温度数据为基础进行导线分布式温度在线监测，该监测方法只需额外在导线上安装一个点式温度传感器，本监测设备不直接监测导线弧垂，而是以布里渊光时域反射仪测量得到的光纤复合架空地线温度分布作为数据基础，进而通过数据处理间接得到导线的温度分布，最后通过相应算法获得导线的分布式弧垂。该方法智能化程度高，便于计算机进行自动计算，可实时显示输电线路上导线的分布式弧垂，具有重要的经济价值和社会价值。\n附图说明\n[0032] 图1为本发明装置的结构示意图。\n[0033] 其中，1—布里渊光时域反射仪、2—光纤复合架空地线、3—计算机及信息处理单元、4—点式温度传感器、5—高压输电线路输变电站、6—输电线路。\n具体实施方式\n[0034] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：\n[0035] 本发明的一种输电线路导线分布式弧垂的监测装置，如图1所示，它包括计算机及信息处理单元3、设置在输电线路6上的光纤复合架空地线2(光纤复合架空地线2位于输电线路6导线的上方)，光纤复合架空地线2中的一根传感光纤(单模光纤)作为分布式光纤传感器，它还包括布里渊光时域反射仪1、设置在输电线路6导线上的点式温度传感器4，所述分布式光纤传感器连接布里渊光时域反射仪1的第一通信端，布里渊光时域反射仪1的第二通信端连接计算机及信息处理单元3的第一数据通信端，所述点式温度传感器4的信号输出端连接计算机及信息处理单元3的第二数据通信端。所述布里渊光时域反射仪1和计算机及信息处理单元3均位于高压输电线路输变电站5内。\n[0036] 布里渊光时域反射仪1通过USB接口与计算机及信息处理单元3连接，计算机及信息处理单元3接收布里渊光时域反射仪1发送的分布式光纤传感器上各空间位置上的温度信息；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弧垂。\n[0037] 上述输电线路导线分布式弧垂的监测装置的工作过程为：\n[0038] 1、连接设备，将布里渊光时域反射仪1与光纤复合架空地线2中的一根传感光纤进行连接，以该传感光纤作为传感单元，并在输电线路导线上的一点安装点式温度传感器4；\n[0039] 2、数据采集，采用布里渊光时域反射仪1采集光纤复合架空地线2中的一根传感光纤内光纤散射回来的光信号，并对光信号进行解调，计算机及信息处理单元3获得输电线路\n6上光纤复合架空地线2的温度分布，同时计算机及信息处理单元3采集点式温度传感器4传回的温度数据；\n[0040] 3、采用光纤复合架空地线和导线的稳态热平衡关系；\n[0041] 4、将获得的点式传感器温度值以及监测获得的光纤复合架空地线分布式温度值通过USB接口输入到计算机及信息处理单元3中以备计算之用；\n[0042] 5、通过光纤复合架空地线和输电线路6导线之间的稳态热平衡关系，计算输电线路6导线的分布式温度；\n[0043] 6、通过计算得到输电线路6导线分布式温度，结合线路参数资料，计算获得输电线路6各耐张段区段的代表档距弧垂，进而获得输电线路6导线的分布式弧垂。\n[0044] 一种利用上述监测装置进行输电线路导线分布式弧垂监测的方法，该方法首先采用布里渊光时域反射仪1监测获得光纤复合架空地线2上的空间温度分布；然后根据导地线间的稳态热平衡关系，并结合输电线路上导线一点实测温度和环境温度算出导线的载流量，进而推算出线路导线的分布式温度，最后结合输电线路的线路参数，计算获得输电线路导线的分布式弧垂值；\n[0045] 具体方法包括如下步骤：\n[0046] 步骤1：利用点式温度传感器4和布里渊光时域反射仪1分别得到输电线路6上一点的温度值和光纤复合架空地线2的温度分布TOPGW，并将温度值和温度分布TOPGW传输给计算机及信息处理单元(3)；\n[0047] 步骤2：在计算机及信息处理单元3内建立输电线路6和光纤复合架空地线2的稳态热平衡关系，从而获得输电线路6导线温度、输电线路6导线载流量和温度分布TOPGW之间的关系式，如公式(8)所示：\n[0048]\n[0049] 其中，I为输电线路6导线的载流量、R为输电线路6导线的单位长度电阻(查询输电线路的参数资料得到)、π为圆周率、Dw为输电线路6导线直径(查询输电线路的参数资料得到)，ε为光纤复合架空地线2的表面辐射系数(查询输电线路的参数资料得到，输电线路6导线的表面辐射系数和光纤复合架空地线2的表面辐射系数相同，光纤复合架空地线2和输电线路6导线在表面上有相同的特征，因此认为输电线路6导线和光纤复合架空地线2的表面辐射系数相等)、σ斯蒂芬-玻尔兹曼常数(其值为5.67×10-8W/m2)、Tw为输电线路6导线分布温度、TOPGW为光纤复合架空地线2的温度分布(布里渊光时域反射仪1测量得到)、k为输电线路6导线与空气之间的对流传热系数，此系数通过不同缆径不同温度条件下做实验拟合得到，公式(8)中只有输电线路6导线的载流量I和输电线路6导线温度Tw为未知量；\n[0050] 步骤3：以上公式(8)中输电线路6导线的载流量I，在整条输电线路6上均一致，因此，将点式温度传感器4获取的输电线路6上一点的温度值，作为输电线路6导线分布温度Tw的某一个值，带入公式(8)计算得到输电线路6导线的载流量I，此时公式(8)中的输电线路6导线载流量I也成为已知量，此时，公式(8)中只存在一个未知变量输电线路6导线分布温度Tw；\n[0051] 将布里渊光时域反射仪1得到的光纤复合架空地线2的温度分布TOPGW带入(8)式，便可计算获得输电线路6导线分布温度Tw；\n[0052] 步骤4：在输电线路6的每个耐张段区段内计算输电线路6导线的平均温度 (结合输电线路的线路资料，如档距、代表档距和架线应力弧垂特性表等)，并采用架空线状态方程，如公式(9)所示，计算输电线路6导线的耐张段区段在温度变化后的水平应力值；\n[0053]\n[0054] 式中σ01、σ02分别为温度变化前和变化后输电线路6导线水平应力值；\n[0055] γ1、γ2分别为温度变化前和变化后输电线路6导线的比载；\n[0056] Tw0、 分别为温度变化前和变化后输电线路6导线在对应耐张段区段的平均温度；\n[0057] lD、βD分别为对应耐张段区段的代表档距和代表高差角；\n[0058] α、E分别为对应耐张段区段输电线路6导线的温度膨胀系数和弹性系数；\n[0059] 步骤5：根据公式(9)计算得到的输电线路6的耐张段区段在温度变化后输电线路6导线的水平应力值σ02，通过以下公式(10)获得输电线路6导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂：\n[0060]\n[0061] 其中，f为输电线路6导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂，γ2为温度变化后输电线路6导线的比载，lD为对应耐张段区段的代表档距，σ02为温度变化后输电线路6导线的水平应力，βD为对应耐张段区段的代表高差角；\n[0062] 步骤6：通过代表档距弧垂与耐张段区段内各档距弧垂的分配关系，即如下公式(11)，即可获得输电线路6各档距弧垂：\n[0063]\n[0064] fi为输电线路6各档距弧垂，Li为对应耐张段区段的任意一个档距，f为输电线路6导线在对应耐张段区段内的代表档距弧垂，βD为对应耐张段区段的代表高差角，lD为对应耐张段区段的代表档距；\n[0065] 这样即可获得整条输电线路6的所有档距的弧垂值。\n[0066] 上述技术方案的步骤2中在计算机及信息处理单元3内建立输电线路6和光纤复合架空地线2的稳态热平衡关系，从而获得输电线路6导线温度、输电线路6导线载流量和温度分布TOPGW之间的关系式的具体方法为：\n[0067] 同一地点的输电线路6导线和光纤复合架空地线2有如下稳定热平衡关系：\n[0068] 光纤复合架空地线2的稳定热平衡关系为：Qsun_o＝Qr_o+Qc_o (1)[0069] 输电线路6导线的稳定热平衡关系为：I2R+Qs_w＝Qr_w+Qc_w (2)\n[0070] 公式(1)和(2)中Qsun_o和Qs_w分别为光纤复合架空地线2和输电线路6导线吸收的日照辐射功率，Qsun_o和Qs_w均是未知量，I为输电线路6导线的载流量，R为输电线路6导线的单位长度电阻，Qr_o和Qr_w分别为光纤复合架空地线2和输电线路6导线的热辐射散热功率，Qc_o和Qc_w分别为光纤复合架空地线2和输电线路6导线的对流散热功率，Qr_o、Qr_w、Qc_o和Qc_w的表达式如下：\n[0071]\n[0072]\n[0073] Qc_o＝kDo(TOPGW-Tref)        (5)\n[0074] Qc_w＝kDw(Tw-Tref)        (6)\n[0075] 其中，TOPGW为光纤复合架空地线2的温度分布，Tw为输电线路6导线分布温度，Tref为环境温度，Do和Dw分别为光纤复合架空地线2(整个光纤复合架空地线)和输电线路6导线的直径，ε为光纤复合架空地线2的表面辐射系数，σ斯蒂芬-玻尔兹曼常数，k为输电线路6导线与空气之间的对流传热系数，π为圆周率；\n[0076] 由于光纤复合架空地线2和输电线路6导线所在空间位置相同，所以光纤复合架空地线2和输电线路6导线的自然环境也一致，光纤复合架空地线2表面和输电线路6导线表面受到的日照情况一致，所以光纤复合架空地线2和输电线路6导线的日照辐射功率有以下关系：\n[0077]\n[0078] Qsun_o和Qs_w分别为光纤复合架空地线2和输电线路6导线吸收的日照辐射功率，Do和Dw分别为光纤复合架空地线2和输电线路6导线的直径，将公式(7)代入公式(2)式中即可获得步骤2中的公式(8)。\n[0079] 本发明采用以上设计后，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、长距离的导线分布式弧垂在线监测。\n[0080] 本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。