一種架空輸電線路走廊的分布式風速在線監測方法與流程

本發明屬于電力運維領域，特別涉及一種架空輸電線路走廊的分布式風速在線監測方法。

背景技術：

架空輸電線路的受風激勵而振動、舞動嚴重威脅著輸電線路的安全運行。但由于缺乏相關數據，電力部門不能準確掌握線路的風力水平，難以評估導線、金具、鐵塔等的疲勞壽命，預測風害事故的發生；由于輸電線路分布區域廣、傳輸距離長、地形條件復雜多變、受環境氣候影響大，完全由人工定期巡檢工作量大，且難以做到全天候、廣覆蓋。

因此，電力部門迫切需要一種對線路走廊風速進行在線監測的方法，以便評估線路的運行狀態與疲勞程度。并希望通過對現場實時測量的數據進行分析和處理，及時掌握輸電線路風害情況變化；通過對風力信息分析為輸電線路的安全運行提供實時預警服務，提高輸電線路設備的運行可靠性并降低維修費用。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決的上述現有技術存在的問題，提供一種架空輸電線路走廊的分布式風速在線監測方法，架空輸電線路配置的有光纖的線纜。該監測方法無需在線路上額外安裝傳感器，通過檢測輸電線路配套光纖通道的振動狀態，結合輸電線路的振動與風速模型，實現輸電線路走廊的分布式風速監測。

本發明的技術方案是：

一種架空輸電線路走廊的分布式風速在線方法，所述的架空輸電線路配置有光纖的線纜，其特征在于以分布式光纖振動監測系統測量的數據、輸電線路分布式振動方程為基礎來計算輸電線路走廊的風速大小。

所述的架空輸電線路為光纖復合架空地線OPGW、光纖復合相線OPPC或全介質自承式光纜ADSS。

當風吹過輸電線后，由于空氣的粘性作用，會在輸電線表面產生較大的邊界層，邊界層因輸電線表面不平坦而剝離進而形成周期性的卡爾曼漩渦。卡爾曼漩渦會引起輸電線表面垂直風向的抬舉力變化進而產生空氣振動，進而形成了輸電線風致振動；振動的強度與風速密切相關。因此，通過監測輸電線路光通道的振動情況，就可以反演出輸電線路走廊的風速情況。根據風速、不平衡張力與振動的具體關系，一種架空輸電線路走廊的分布式風速在線方法，其特征在于具體按照以下步驟進行：

步驟1：利用分布式光纖振動監測儀向光纖中發送一束光脈沖后，采用高速數據采集卡采集光纖中的背向散射光的相位及偏振信息；然后用廣義數學形態學濾波器對采集的光信號進行濾波運算，消減信號中的噪聲，進一步得到該信號所包含光纖通道各質點的在當前時刻的振動頻率、振動幅度參量；

步驟2：根據步驟1中的監測結果，得到輸電線路光纖通道在受風激勵時各質點在振動時偏離中心點的瞬時位移U、由采樣頻率及采集點數確定的時間t，進而計算得到線體在時間t上的二階偏導數在空間距離x上的二階偏導數進而線體上下表面單位長度上的不平衡張力即表現為抬舉力F_l，根據瞬時位移U的二階偏微分方程得以表達：

$F_l=m\frac{{\∂}^{2}U}{\∂t^2}-T_0\frac{{\∂}^{2}U}{\∂x^2}---\left(1\right)$

式中，m——單位長度上的線纜重量，視為常數，kg/m；

x——待計算質點與耐張線夾出口的距離，m；

t——時間，s；

U——待計算質點的振動時偏離中心點的位移，m；

T₀——輸電線纜的水平張力，線路架設好以后視為一個常數，N；

步驟3：根據步驟1中的監測結果，得到輸電線路光纖通道在受風激勵時各質點在振動時的振動角頻率ω＝2πf，其中f為所測線路的振動頻率，根據流體力學的理論，輸電線體表面單位長度上的抬舉力F_l，也可以通過風速與振動頻率表達為下式，單位為N/m

F_i＝0.5ρV²DC_lsin(ωt) (2)

式中，ρ——空氣密度，kg/m³；

V——風速，m/s；

D——光纖所在線纜的直徑，m；

C_l——升力系數，對于給定的系統視為常量，無量綱；

ω——輸電線振動時的角頻率，rad/s；

t——時間，s。

步驟4：通過公式(1)、(2)就可以建立起風速V與線纜振動參量之間的關系：

$0.5{\mathrm{\ρV}}^2{\mathrm{DC}}_l\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)=m\frac{{\∂}^{2}U}{\∂t^2}-T_0\frac{{\∂}^{2}U}{\∂x^2}---\left(3\right)$

式中，ρ、D、C_l、m、T₀為線路設計參量或者常量，為已知量或者通過前期的數據標定獲取，ω、t、U、x為分布式光纖振動監測儀監測，能直接測量的值；

根據公式(3)，就計算出與耐張線夾出口距離x處的風速V：

$V=\sqrt{\frac{(m\frac{{\∂}^{2}U}{\∂t^2}-T_0\frac{{\∂}^{2}U}{\∂x^2})}{0.5{\mathrm{\ρDC}}_l\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)}}---\left(4\right)$

步驟5：相同的算法推廣至輸電線路各空間位置，則就實現了整條輸電線路走廊的風速計算。

本發明可以結合輸電線路自身的參數(單位長度質量、水平張力等)或者通過前期的若干數據的標定，實現輸電線路走廊的分布式風速在線監測。該系統及方法可以對輸電線路走廊的風速進行實時、在線的監測，有效提升輸電線路系統的運行可靠性，降低人力物力消耗。

附圖說明

圖1是本發明的方法步驟流程圖；

具體實施方式

結合附圖對本發明作進一步說明。一種架空輸電線路走廊的分布式風速在線監測方法，包括的步驟如圖1所示：

步驟1：利用分布式光纖振動監測儀監測輸電線路光纖通道的光信號，然后采用廣義形態學濾波器對采樣信號進行濾波預處理，預處理的具體方法是：分布式光纖振動監測儀向光纖中發送一束光脈沖后，采用高速數據采集卡采集光纖中的背向散射光的相位及偏振等信息，并用于后續處理；由于實際中的采樣信號通常含有不同種類、不同頻率的噪聲，因此，短尺度的結構元素能夠較好地濾除噪聲中的高頻成分，具有平滑波形的作用，而長尺度的結構元素則低通效果明顯，需根據實際信號波形和以往的經驗來選取，用廣義數學形態學濾波器對采集的光信號進行濾波運算，可以消減信號中的噪聲，進一步得到該信號所包含光纖通道各質點的在當前時刻的振動頻率、振動幅度參量。

步驟2：根據步驟1中的監測結果，得到輸電線路光纖通道在受風激勵時各質點在振動時偏離中心點的瞬時位移U、由采樣頻率及采集點數確定的時間t，進而計算得到線體在時間t上的二階偏導數在空間距離x上的二階偏導數進而線體上下表面單位長度上的不平衡張力即抬舉力F_l也可以根據瞬時位移U的二階偏微分方程得以表達：

$F_l=m\frac{{\∂}^{2}U}{\∂t^2}-T_0\frac{{\∂}^{2}U}{\∂x^2}---\left(1\right)$

式中，m——單位長度上的線纜重量，可視為常數，kg/m；

x——待計算質點與耐張線夾出口的距離，m；

t——時間，s；

U——待計算質點的振動時偏離中心點的位移，m；

T₀——輸電線纜的水平張力，線路架設好以后可視為一個常數，N；

步驟3：根據步驟1中的監測結果，也可以得到輸電線路光纖通道在受風激勵時各質點在振動時的振動角頻率ω＝2πf，其中f為所測線路的振動頻率。根據流體力學的理論，輸電線體表面單位長度上的抬舉力也可以通過風速與振動頻率表達為(單位：N/m)：

F_l＝0.5ρV²DC_lsin(ωt) (2)

式中，ρ——空氣密度，kg/m³；

V——風速，m/s；

D——光纖所在線纜的直徑，m；

C_l——升力系數，對于給定的系統，可視為常量，無量綱；

ω——輸電線振動時的角頻率，rad/s；

t——時間，s。

步驟4：通過公式(1)(2)就可以建立起風速V與線纜振動參量之間的關系：

$0.5{\mathrm{\ρV}}^2{\mathrm{DC}}_l\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)=m\frac{{\∂}^{2}U}{\∂t^2}-T_0\frac{{\∂}^{2}U}{\∂x^2}---\left(3\right)$

式中，ρ、D、C_l、m、T₀為線路設計參量或者常量，為已知量或者可通過前期的數據標定獲取，ω、t、U、x為分布式光纖振動監測儀監測可以直接測量的值。

根據公式(3)，就可以計算出與耐張線夾出口距離x處的風速V：

$V=\sqrt{\frac{(m\frac{{\∂}^{2}U}{\∂t^2}-T_0\frac{{\∂}^{2}U}{\∂x^2})}{0.5{\mathrm{\ρDC}}_l\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)}}---\left(4\right)$

步驟5：相同的算法推廣至輸電線路各空間位置，則就實現了整條輸電線路走廊的風速計算。