基于botdr的輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于BOTDR輸電導線溫度分布式監(jiān)測裝置及方法，BOTDR與OPGW內(nèi)的光纖連接，通過布里淵散射頻移溫度應力解調(diào)儀分離出輸電線路OPGW中各探測點的溫度和應力兩個參變量，并根據(jù)輸電線路OPGW和導線的穩(wěn)態(tài)熱傳導方程建立OPGW分布式溫度與導線分布式溫度的關(guān)系，并根據(jù)輸電線路OPGW在相鄰時間段內(nèi)監(jiān)測得到的溫度數(shù)據(jù)計算出線路上隨時間變化的對流散熱系數(shù)，結(jié)合輸電線路OPGW和導線的材料參數(shù)以及輸電線路導線載流量監(jiān)測系統(tǒng)測量的導線動態(tài)載流量信息，采用牛頓迭代法計算出輸電線路的導線溫度分布。實現(xiàn)輸電線路導線的分布式溫度監(jiān)測。本發(fā)明的有益效果是:只需采用一臺設(shè)備在變電站進行安裝就能實現(xiàn)輸電線路上實時、長距離的OPGW和導線的溫度分布在線監(jiān)測。
【專利說明】基于BOTDR的輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高壓輸電線路電力運維領(lǐng)域，特別涉及輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測 裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在高壓輸電線路正常運行期間，輸電導線在大電流負載情況下會產(chǎn)生較高的溫 度，從而會改變輸電線路運行時的弧垂，若輸電導線溫度升高到一定程度后將會危及輸電 線路的正常運行，從而出現(xiàn)不必要的停電、跳閘以及安全事故。所以，對高壓輸電線路導線 溫度的在線監(jiān)測是一個迫切需要解決的問題。目前，對于高壓輸電線路導線溫度的在線監(jiān) 測方法主要采用在導線上安裝定點式溫度傳感器裝置的方法來實現(xiàn)，然而導線的溫度受環(huán) 境溫度和風速的影響比較大，因此在輸電線路上呈現(xiàn)分布式溫度分布，然而目前尚未有一 種線路全分布式導線溫度的監(jiān)測方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種高壓輸電線路導線分布式溫度的在線監(jiān)測裝置及方 法。該監(jiān)測方法無需在輸電線路上額外安裝傳感器，而是以輸電線路中的光纖復合架空地 線OPGW內(nèi)部光纖作為傳感器和信息傳輸通道，通過監(jiān)測輸電線路OPGW的溫度分布，并引入 輸電導線的動態(tài)載流量，根據(jù)OPGW和導線之間的熱平衡關(guān)系計算獲得輸電導線的溫度分 布，實現(xiàn)輸電導線的分布式溫度監(jiān)測。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0005] -種基于BOTDR的輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測裝置，包括布里淵光時域反射儀 (BOTDR)、分布式光纖傳感器、導線載流量監(jiān)測系統(tǒng)、計算機及信息處理單元，所述的分布式 光纖傳感器為光纖復合架空地線OPGW內(nèi)的一根傳感光纖，其特征在于：B0TDR安裝在高壓 輸電線路輸變電站內(nèi)，OPGW內(nèi)部傳感光纖通過變電站內(nèi)的光纖接口接入B0TDR，導線載流 量監(jiān)測系統(tǒng)和BOTDR分別與計算機及信息處理單元相連。
[0006] 所述的光纖復合架空地線內(nèi)的一根傳感光纖為單模光纖。
[0007] 所述的導線載流量監(jiān)測系統(tǒng)和BOTDR通過USB接口與計算機及數(shù)據(jù)處理單元連 接，計算機及數(shù)據(jù)處理單元接收BOTDR發(fā)送的分布式光纖傳感器上各空間位置上的溫度與 應變信息以及導線載流量監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的導線動態(tài)載流量信息；并完成存儲、管理、計算及 信息顯示，通過現(xiàn)有相應算法計算出輸電線路導線的分布式溫度。
[0008] 利用基于BOTDR的輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測裝置的方法，其特征在于按以下 步驟進行：步驟一、根據(jù)OPGW的瞬態(tài)熱平衡方程計算輸電線路上各空間點的對流散熱系數(shù) h(t);步驟二、根據(jù)輸電線路OPGW和導線任意相對應空間點的日照輻射功率具有穩(wěn)定線性 關(guān)系的條件，建立OPGW和導線的穩(wěn)態(tài)熱平衡關(guān)系式；步驟三、引入導線的動態(tài)載流量信息， 并采用牛頓迭代法求解得到輸電導線的溫度分布。
[0009] 具體按以下步驟進行：步驟一、利用BOTDR監(jiān)測得到OPGW的溫度分布TQPew，建立導 線和OPGW任意一空間相對應點的穩(wěn)態(tài)熱平衡方程（1)式和（2)式；步驟二、根據(jù)公式（7) 的性質(zhì)，將⑴式乘以DdZ^后與⑵式相減獲得公式（8);步驟三、鑒于公式⑶中包含 兩個未知數(shù)：導線溫度TD和導地線的對流散熱系數(shù)h (t)，采用同一探測點的多個相鄰時間 測量得到的數(shù)據(jù)來求得纜線的對流散熱系數(shù)h(t);步驟四、計算出導地線的對流散熱系數(shù) 后，方程只存在一個未知變量，帶入材料和輸電線路參數(shù)，并引入輸電線路導線動態(tài)載流量 數(shù)據(jù)，采用牛頓迭代法求解得到導線的溫度分布；步驟五、鑒于以上求解均只在一個空間探 測點進行，只需要對輸電線路上每一個空間探測點進行步驟三、步驟四就能實現(xiàn)輸電線路 導線分布式溫度的監(jiān)測；
[0010] 在輸電線路上同一空間位置的OPGW和導線的穩(wěn)態(tài)熱平衡方程可描述如下：
[0011] OPGW : Qso Qro Qco = 0 (1)
[0012] 導線：I2R (Td)+Qsd QrD Qcd = 0 (2)
[0013] 公式⑴和⑵中Qs。、Qsd分別為OPGW和導線吸收的日照輻射功率，此兩個量均 是未知量；I為導線的載流量，為已知量；R(T d)為導線的單位長度電阻，其大小與導線的溫 度相關(guān)；Qm和Qril分別為OPGW和導線的熱輻射散熱功率，Q。。和Q cfl分別為OPGW和導線的對 流散熱功率，它們的表達式如下：
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于BOTDR的輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測裝置，包括布里淵光時域反射儀 (BOTDR)、分布式光纖傳感器、導線載流量監(jiān)測系統(tǒng)、計算機及信息處理單元，所述的分布式 光纖傳感器為光纖復合架空地線OPGW內(nèi)的一根傳感光纖，其特征在于：B0TDR安裝在高壓 輸電線路輸變電站內(nèi)，OPGW內(nèi)部傳感光纖通過變電站內(nèi)的光纖接口接入B0TDR，導線載流 量監(jiān)測系統(tǒng)和BOTDR分別與計算機及信息處理單元相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于BOTDR的輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測裝置，其特征在 于：所述的光纖復合架空地線內(nèi)的一根傳感光纖為單模光纖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于BOTDR的輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測裝置，其特 征在于：所述的導線載流量監(jiān)測系統(tǒng)和BOTDR通過USB接口與計算機及數(shù)據(jù)處理單元連接， 計算機及數(shù)據(jù)處理單元接收BOTDR發(fā)送的分布式光纖傳感器上各空間位置上的溫度與應 變信息以及導線載流量監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的導線動態(tài)載流量信息；并完成存儲、管理、計算及信 息顯示，通過現(xiàn)有相應算法計算出輸電線路導線的分布式溫度。
4. 利用權(quán)利要求3所述的基于BOTDR的輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測裝置的方法，其 特征在于按以下步驟進行：步驟一、根據(jù)OPGW的瞬態(tài)熱平衡方程計算輸電線路上各空間點 的對流散熱系數(shù)h(t);步驟二、根據(jù)輸電線路OPGW和導線任意相對應空間點的日照輻射功 率具有穩(wěn)定線性關(guān)系的條件，建立OPGW和導線的穩(wěn)態(tài)熱平衡關(guān)系式；步驟三、引入導線的 動態(tài)載流量信息，并采用牛頓迭代法求解得到輸電導線的溫度分布。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于BOTDR的輸電線路導線溫度分布式監(jiān)測裝置的方法，其 特征在于按以下步驟進行：步驟一、利用BOTDR監(jiān)測得到OPGW的溫度分布Twew，建立導線和 OPGW任意一空間相對應點的穩(wěn)態(tài)熱平衡方程（1)式和（2)式；步驟二、根據(jù)公式（7)的性 質(zhì)，將（1)式乘以DdZ^后與（2)式相減獲得公式（8);步驟三、鑒于公式（8)中包含兩個未 知數(shù)：導線溫度Td和導地線的對流散熱系數(shù)h(t)，采用同一探測點的多個相鄰時間測量得 到的數(shù)據(jù)來求得纜線的對流散熱系數(shù)h(t);步驟四、計算出導地線的對流散熱系數(shù)后，方 程只存在一個未知變量，帶入材料和輸電線路參數(shù)，并引入輸電線路導線動態(tài)載流量數(shù)據(jù)， 采用牛頓迭代法求解得到導線的溫度分布；步驟五、鑒于以上求解均只在一個空間探測點 進行，只需要對輸電線路上每一個空間探測點進行步驟三、步驟四就能實現(xiàn)輸電線路導線 分布式溫度的監(jiān)測； 在輸電線路上同一空間位置的OPGW和導線的穩(wěn)態(tài)熱平衡方程描述如下： OPGff：QS0QroQco = 0 (1) 導線=I2R(Td)+QsdQrDQcd = 0 (2) 公式（1)和（2)中Qs。、Qsd分別為OPGW和導線吸收的日照輻射功率，此兩個量均是未 知量；I為導線的載流量，為已知量；R(Td)為導線的單位長度電阻，其大小與導線的溫度相 關(guān)；Q,。和Qril分別為OPGW和導線的熱輻射散熱功率，Q。。和Qcfl分別為OPGW和導線的對流散 熱功率，它們的表達式如下：
QrD=Dd[(Td+273) 4(T〇+273)4] (4) Qc〇 =h(t)D0 (TopgwT0) (5) QcD =h(t)DD(TDT0) (6) 式中h(t)為對流散熱系數(shù)，并認為導線和OPGW有相同的表面材料特性，所以認為導線 和OPGW在對流散熱系數(shù)上相同；公式中T_為OPGW內(nèi)傳感光纖溫度，Td為導線溫度，Ttl為 環(huán)境溫度，％和Dd分別為OPGW和導線的直徑，為材料的表面輻射系數(shù)，斯蒂芬-玻爾茲曼 常數(shù)，其值為5. 67108W/m2 ; 由于OPGW和導線所在空間位置相同，所以它們的自然環(huán)境也一致，OPGW表面和導線表 面受到的日照情況一致，所以O(shè)PGW與導線的日照輻射功率有以下關(guān)系：
將⑴式乘以DdZ^后與⑵式相減獲得以下等式： I2R(Td) =Dd [ (TD+273)4 (T_+273)4]+h(t)Dd (TDT_) (8) 式中有兩個未知變量Td和h(t)，采用同一探測點的多個相鄰時間測量得到的數(shù)據(jù)來求 得纜線的對流散熱系數(shù)h(t);因此，式（8)中只存在導線溫度Td為未知變量，所以對導線溫 度進行求解，采用牛頓迭代方法進行求解：
則叫=?) ? = 1二3......η為迭代次數(shù)（10) 8V~D{n)) 通過（9)式、（10)式計算得到導線的分布式溫度。
【文檔編號】G01K11/32GK104316216SQ201410483791
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】程登峰, 夏令志, 王貽平, 葉劍濤, 張健, 傅中, 嚴波, 劉洪凱 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院