CN108181025A - 一种光纤复合架空地线热故障在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤复合架空地线热故障在线监测方法，包含：当OPGW电缆所在的输电线路沿线发生火灾或其他热故障时，OPGW电缆环境温度迅速升高，热量通过包裹在分布式光纤传感器外部的铝钢绞线等介质传导至OPGW内部的单模通信光纤，通过基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置监测OPGW里的单模光纤后向拉曼散射信号的时间和幅值，同时计算OPGW的铝钢绞线的热阻值，就可以定位监测到该火灾或热故障发生的地点以及外部的环境温度，实现快速指引人员进行故障处理。本发明具有通过采用拉曼散射原理，光纤扰偏控制技术、噪声滤波技术以及OPGW铝钢绞线外包层的热阻值算法，在降低成本，提高监测精度的情况下实现对基于单模光纤的OPGW运行环境温度监测的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤测温技术领域，特别涉及一种适用于输电线路领域中光纤复合架空地线（OPGW）的热故障在线监测方法。
背景技术
光纤复合架空地线电缆中的光纤，是智能电网电力通信 “四遥”自动控制的神经网络光缆。一旦遭受沿途外部异常温度甚至火灾破坏，后果极其严重。光纤分布式温度监测（DTS，Distributed Temperature Sensing），也称为分布式光纤测温。依据光时域反射（OTDR）原理、拉曼（Raman）散射效应和布里渊散射效应对温度的敏感从而实现温度监测，全系统采用光纤作为敏感信息传感和信号传输的载体，具有连续测温、分布式测温、实时测温、抗电磁干扰、本征安全、远程监控、高灵敏度、安装简便、长寿命等特点，广泛应用于管道、隧道、电缆、石油石化、煤矿等行业。
由于光纤复合架空地线电缆中的光纤，基本为单模光纤构成。单模光纤具有纤芯极细，数值孔径极小，传输模式单一，因此无法直接应用具有低成本优势的多模光纤拉曼散射测温技术。
而若采用布里渊散射原理对光纤复合架空地线电缆中的单模光纤进行测温时，其反射回来的信号不仅带有温度信号，还带有应力信号，则需要对该反射信号进行信号解调处理，去掉应力信号，检测过程复杂，导致检测成本高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤复合架空地线热故障在线监测方法，通过利用电力公司已经有的复合架空地线（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）中的单模通讯光纤接入本发明的测温装置中，实现不需要另外单独敷设探测光纤实现对OPGW电缆上的沿途外部环境温度分布以及热故障进行实时的在线定位监测的目的。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种光纤复合架空地线热故障在线监测方法，包含以下过程：
采用基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置得到OPGW光缆的温度分布：
步骤S1.1、分别对单模光纤拉曼散射监测主机内的参考单模光纤的Stokes 和Anti-Stokes信号进行积分平均运算。
步骤S1.2、在执行步骤S1.1的同时，还分别对OPGW电缆内单模测温光纤的Stokes和Anti-Stokes信号进行积分平均运算。
步骤S2.1、对经步骤S1.1处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到参考单模光纤的温度T0。
步骤S2.2、在执行步骤S2.1的同时，对经步骤S1.2处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到OPGW电缆内单模光纤上的拉曼散射温度T1。
步骤S3、根据参考单模光纤的温度T0和探测温度T1计算得到OPGW内单模光纤上的整段温度T2。
步骤S4、根据OPGW的铝钢绞线介质的导热系数，计算OPGW的铝钢绞线热阻值，得到OPGW电缆外部环境的等效温度T3。
步骤S5、对步骤S4得到的等效温度T3进行噪声滤波处理，得到OPGW电缆上分布的最接近真实温度值T的外部环境温度曲线。
步骤S6、根据预设的热故障报警算法和/或预设热故障报警阈值，判断上述得到的最接近真实温度值T的外部环境温度是否满足热故障报警条件，以确定是否报警。
优选地，所述测温光纤为利用OPGW电缆中任意一根单模光纤作为分布式光纤温度传感器。
优选地，其还包含以下过程：当测温光纤所在的OPGW电缆线路沿线发生火灾或其他热故障时，受到火灾火场或其他热故障的热辐射和热气流作用，其热量通过包裹在上述OPGW电缆的铝钢绞线外包层，传导至OPGW电缆的内部单模通信光纤上，通过所述基于单模光纤的拉曼散射效应的分布式光纤测温装置监测OPGW电缆线路的外部环境温度分布，根据检测到该温度对应的后向拉曼散射信号的时间可以得到该火灾或热故障发生的地点到本测试装置之间的距离，使得实现快速指引人员进行故障处理。
本发明第二个技术方案为：一种基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置，包含：激光器，分别与所述激光器连接的偏振控制器和驱动电路；波分复用器，微弱信号探测器，信号采集及控制电路和处理器。所述波分复用器分别与所述偏振控制器和微弱信号探测器连接，并分别与参考单模光纤和测温光纤连接。所述信号采集及控制电路分别与所述微弱信号探测器，驱动电路和处理器连接。所述激光器发出的脉冲激光信号至所述偏振控制器，同时向所述驱动电路发送同步触发信号。
所述偏振控制器接收所述激光器输出的脉冲信号激光，并对所述脉冲信号激光进行解偏振控制，产生失去偏振特性的脉冲信号激光并将其经所述波分复用器向所述参考单模光纤和测温光纤发送。
所述驱动电路接收所述同步触发信号并根据该信号向所述信号采集及控制电路发送采集信号的指令，所述信号采集及控制电路执行。
所述波分复用器分别采集所述失去偏振特性的脉冲信号激光在参考单模光纤和在测温光纤中产生的后向拉曼散射信号并向所述微弱信号探测器发送。
所述微弱信号探测器将所述后向拉曼散射信号进行放大并向所述信号采集和控制电路发送，所述信号采集和控制电路将其处理转化成数字信号并向所述处理器发送，所述处理器利用拉曼散射光时域反射技术得出测温光纤沿线的温度分布。
优选地，所述测温装置还设有主机，所述参考单模光纤盘绕设置在所述主机内部；所述处理器设置在所述主机内部。
优选地，所述测温光纤为利用OPGW光缆中任意一根单模光纤作为分布式光纤温度传感器。
优选地，所述后向拉曼散射信号包括为斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，其中所述斯托克斯光信号与温度无关，所述反斯托克斯光信号则受到光纤局部温度的调制。
优选地，所述处理器用于执行如下的计算机程序步骤：步骤S1.1、分别对单模光纤拉曼散射监测主机内的参考单模光纤的Stokes 和Anti-Stokes信号进行积分平均运算。
步骤S1.2、在执行步骤S1.1的同时，还分别对OPGW电缆内单模测温光纤的Stokes和Anti-Stokes信号进行积分平均运算。
步骤S2.1、对经步骤S1.1处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到参考单模光纤的温度T0。
步骤S2.2、在执行步骤S2.1的同时，对经步骤S1.2处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到OPGW电缆内单模光纤上的拉曼散射温度T1。
步骤S3、根据参考单模光纤的温度T0和探测温度T1计算得到OPGW内单模光纤上的整段温度T2。
步骤S4、根据OPGW的铝钢绞线介质的导热系数，计算OPGW的铝钢绞线热阻值，得到OPGW电缆外部环境的等效温度T3。
步骤S5、对步骤S4得到的等效温度T3进行噪声滤波处理，得到OPGW电缆上分布的最接近真实温度值T的外部环境温度曲线。
步骤S6、根据预设的热故障报警算法和/或预设热故障报警阈值，判断上述得到的最接近真实温度值T的外部环境温度是否满足热故障报警条件，以确定是否报警。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明与现有的基于多模光纤拉曼测温技术相比，本发明通过利用电力公司已经有的OPGW电缆中的任意一根单模光纤接入本发明的测温装置中，实现不需要另外单独敷设多模探测光纤实现对已经铺设好的OPGW光缆沿途的整段环境温度分布以及热故障进行实时的在线监测。本发明通过采用拉曼散射原理，光纤扰偏控制技术、噪声滤波技术以及OPGW铝钢绞线外包层的热阻值算法，在降低成本，提高监测精度的情况下实现对基于单模光纤的OPGW运行环境温度监测的优点。本发明能够达到与基于多模光纤拉曼散射测温技术同样测温精度。
本发明与现有的基于布里渊散射原理对光纤复合架空地线电缆中的单模光纤进行测温技术相比，具有结构简单、成本显著降低的优势。
附图说明
图1为本发明一种单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置的主要组成结构框图；
图2为本发明一种单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置的处理器所执行的计算方法过程流程图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，本发明一种单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置，包含：激光器，分别与所述激光器连接的偏振控制器，驱动电路，波分复用器，其分别与所述偏振控制器、微弱信号探测器、参考单模光纤和测温光纤连接；所述测温光纤为利用OPGW光缆中的任意一个单模光纤作为分布式光纤温度传感器，检测传感器的温度分部信息。设有处理器的主机，所述参考单模光纤盘绕设置在所述主机内部。信号采集及控制电路，其分别与所述微弱信号探测器，驱动电路和处理器连接。
所述激光器用于产生并发射脉冲信号激光，所述偏振控制器用于接收所述激光器输出的脉冲信号激光，并对所述脉冲信号激光进行解偏振控制，产生失去偏振特性的脉冲信号激光；将所述失去偏振特性的脉冲信号激光经所述波分复用器向所述参考单模光纤和测温光纤发送。同时，所述激光器还向所述驱动电路输送同步触发信号，所述驱动电路根据接收到的同步触发信号向所述信号采集及控制电路发送采集信号的指令，所述信号采集及控制电路执行。所述波分复用器采集所述失去偏振特性的脉冲信号激光在参考单模光纤和在测温光纤中产生的后向拉曼散射信号并向所述微弱信号探测器发送；所述后向拉曼散射信号包括为斯托克斯光（Stoks）信号和反斯托克斯（Anti-Stoks）光信号，其中斯托克斯光几乎与温度无关，而反斯托克斯光则受到光纤局部温度的调制。
所述微弱信号探测器将所述后向拉曼散射信号进行放大并向所述信号采集和控制电路发送，所述信号采集和控制电路将其处理转化成数字信号并向所述处理器发送，所述处理器利用拉曼散射光时域反射技术得出测温光纤沿线的温度分布。
如图2所示，所述处理器用于执行如下的计算机程序步骤：步骤S1.1、分别对单模光纤拉曼散射监测主机内的参考单模光纤的Stokes 和Anti-Stokes信号进行积分平均运算。
步骤S1.2、在执行步骤S1.1的同时，还分别对OPGW电缆内单模测温光纤的Stokes和Anti-Stokes信号进行积分平均运算。
步骤S2.1、对经步骤S1.1处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到参考单模光纤的温度T0。
步骤S2.2、在执行步骤S2.1的同时，对经步骤S1.2处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到OPGW电缆内单模光纤上的拉曼散射温度T1。
步骤S3、根据参考单模光纤的温度T0和探测温度T1计算得到OPGW内单模光纤上的整段温度T2。
步骤S4、根据OPGW的铝钢绞线介质的导热系数，计算OPGW的铝钢绞线热阻值，得到OPGW电缆外部环境的等效温度T3。
步骤S5、对步骤S4得到的等效温度T3进行噪声滤波处理，得到OPGW电缆上分布的最接近真实温度值T的外部环境温度曲线。
步骤S6、根据预设的热故障报警算法和/或预设热故障报警阈值，判断上述得到的最接近真实温度值T的外部环境温度是否满足热故障报警条件，以确定是否报警。
当测温光纤所在的OPGW电缆线路沿线发生火灾或其他热故障时，受到火灾火场或其他热故障的热辐射和热气流作用，其热量通过包裹在上述OPGW电缆的铝钢绞线外包层，传导至OPGW电缆的内部单模通信光纤上，通过所述基于单模光纤的拉曼散射效应的分布式光纤测温装置监测OPGW电缆线路的外部环境温度分布，根据检测到该温度对应的后向拉曼散射信号的时间可以得到该火灾或热故障发生的地点到本测试装置之间的距离，使得实现快速指引人员进行故障处理。
所述偏振控制器的工作原理为：由于信号传输过程中的偏振相关性的影响，光的偏振态随机变化引起严重的偏振相关噪声，光纤扰偏技术是将通过扰偏器的偏振光，以较高的速度不断的改变其偏振态，从而令偏振光在一定的时间段里的总体效果失去偏振特性。
所述步骤S4中的噪声滤波处理原因为：由于光信号非常小，并且光在传输过程中，相位与偏振态都发生了变化，产生了各种噪声，有用信号基本上被噪声淹没了，需要针对信号的特别，深入分析有用信号的特点，设计相对应的滤波器，将噪声滤除掉，保留有用信号。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种光纤复合架空地线热故障在线监测方法，其特征在于，包含以下过程：
采用基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置得到OPGW电缆的温度分布：
步骤S1.1、分别对单模光纤拉曼散射监测主机内的参考单模光纤的Stokes 和Anti-Stokes信号进行积分平均运算；
步骤S1.2、在执行步骤S1.1的同时，还分别对OPGW电缆内单模测温光纤的Stokes 和Anti-Stokes信号进行积分平均运算；
步骤S2.1、对经步骤S1.1处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到参考单模光纤的温度T0；
步骤S2.2、在执行步骤S2.1的同时，对经步骤S1.2处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到OPGW电缆内单模光纤上的拉曼散射温度T1；
步骤S3、根据参考单模光纤的温度T0和探测温度T1计算得到OPGW内单模光纤上的整段温度T2；
步骤S4、根据OPGW的铝钢绞线介质的导热系数，计算OPGW的铝钢绞线热阻值，得到OPGW电缆外部环境的等效温度T3；
步骤S5、对步骤S4得到的等效温度T3进行噪声滤波处理，得到OPGW电缆上分布的最接近真实温度值T的外部环境温度曲线；
步骤S6、根据预设的热故障报警算法和/或预设热故障报警阈值，判断上述得到的最接近真实温度值T的外部环境温度是否满足热故障报警条件，以确定是否报警。
2.如权利要求1所述的光纤复合架空地线热故障在线监测方法，其特征在于，所述测温光纤为利用OPGW电缆中任意一根单模光纤作为分布式光纤温度传感器。
3.如权利要求1所述的光纤复合架空地线热故障在线监测方法，其特征在于，其还包含以下过程：当测温光纤所在的OPGW电缆线路沿线发生火灾或其他热故障时，受到火灾火场或其他热故障的热辐射和热气流作用，其热量通过包裹在上述OPGW电缆的铝钢绞线外包层，传导至OPGW电缆的内部单模通信光纤上，通过所述基于单模光纤的拉曼散射效应的分布式光纤测温装置监测OPGW电缆线路的外部环境温度分布，根据检测到该温度对应的后向拉曼散射信号的时间可以得到该火灾或热故障发生的地点到本测试装置之间的距离，使得实现快速指引人员进行故障处理。
4.一种基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置，其特征在于，包含：
激光器，分别与所述激光器连接的偏振控制器和驱动电路；波分复用器，微弱信号探测器，信号采集及控制电路和处理器；
所述波分复用器分别与所述偏振控制器和微弱信号探测器连接，并分别与参考单模光纤和测温光纤连接；
所述信号采集及控制电路分别与所述微弱信号探测器，驱动电路和处理器连接；
所述激光器发出的脉冲激光信号至所述偏振控制器，同时向所述驱动电路发送同步触发信号；
所述偏振控制器接收所述激光器输出的脉冲信号激光，并对所述脉冲信号激光进行解偏振控制，产生失去偏振特性的脉冲信号激光并将其经所述波分复用器向所述参考单模光纤和测温光纤发送；
所述驱动电路接收所述同步触发信号并根据该信号向所述信号采集及控制电路发送采集信号的指令，所述信号采集及控制电路执行；
所述波分复用器分别采集所述失去偏振特性的脉冲信号激光在参考单模光纤和在测温光纤中产生的后向拉曼散射信号并向所述微弱信号探测器发送；
所述微弱信号探测器将所述后向拉曼散射信号进行放大并向所述信号采集和控制电路发送，所述信号采集和控制电路将其处理转化成数字信号并向所述处理器发送，所述处理器利用拉曼散射光时域反射技术得出测温光纤沿线的温度分布。
5.如权利要求4所述的基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置，其特征在于，所述测温装置还设有主机，所述参考单模光纤盘绕设置在所述主机内部；所述处理器设置在所述主机内部。
6.如权利要求4所述的基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置，其特征在于，所述测温光纤为利用OPGW光缆中任意一根单模光纤作为分布式光纤温度传感器。
7.如权利要求4所述的基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置，其特征在于，所述后向拉曼散射信号包括为斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，其中所述斯托克斯光信号与温度无关，所述反斯托克斯光信号则受到光纤局部温度的调制。
8.如权利要求4所述的基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置，其特征在于，所述处理器用于执行如下的计算机程序步骤：步骤S1.1、分别对单模光纤拉曼散射监测主机内的参考单模光纤的Stokes 和Anti-Stokes信号进行积分平均运算；
步骤S1.2、在执行步骤S1.1的同时，还分别对OPGW电缆内单模测温光纤的Stokes 和Anti-Stokes信号进行积分平均运算；
步骤S2.1、对经步骤S1.1处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到参考单模光纤的温度T0；
步骤S2.2、在执行步骤S2.1的同时，对经步骤S1.2处理后的Stokes 和Anti-Stokes光信号进行差分运算得到OPGW电缆内单模光纤上的拉曼散射温度T1；
步骤S3、根据参考单模光纤的温度T0和探测温度T1计算得到OPGW内单模光纤上的整段温度T2；
步骤S4、根据OPGW的铝钢绞线介质的导热系数，计算OPGW的铝钢绞线热阻值，得到OPGW电缆外部环境的等效温度T3；
步骤S5、对步骤S4得到的等效温度T3进行噪声滤波处理，得到OPGW电缆上分布的最接近真实温度值T的外部环境温度曲线；
步骤S6、根据预设的热故障报警算法和/或预设热故障报警阈值，判断上述得到的最接近真实温度值T的外部环境温度是否满足热故障报警条件，以确定是否报警。
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