架空输电线路健康监测方法及系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010257375.1 (22)申请日 2020.04.03 (71)申请人 南京晓庄学院 地址 211171 江苏省南京市江宁区弘景大 道3601号 申请人 南安普顿大学 (72)发明人 陈勐勐阿里马苏迪 (74)专利代理机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 代理人 陈建和 (51)Int.Cl. G01D 5/353(2006.01) G01D 21/02(2006.01) G06N 3/04(2006.01) G06N 3/08(2006.01) H。

2、02J 13/00(2006.01) (54)发明名称 一种架空输电线路健康监测方法及系统 (57)摘要 一种基于相位敏感光时域反射仪和多芯光 纤实现架空输电线路健康监测的方法， 使用相位 敏感光时域反射仪-OTDR作为传感器， 使用多 芯光纤MCF同时作为系统的信号传输介质和敏感 元件并与架空输电线路随动； 对所述的每个探测 脉冲获得的瑞利散射曲线进行分段截取， 即对所 述系统采集到的多个芯的光信号进行分段截取， 使用-OTDR检测的数据分析系统一次性提取形 状重构需要的所有应变值； 根据描述空间曲线的 几何方法计算出多芯光纤发生形状变化区域的 曲率半径， 通过求解Frenet-Serret。

3、常微分方程， 获取形状重构各特征值， 即能确定被测线缆的弯 曲程度和扭转程度。 实现架空输电线路舞动动变 化规律的全面、 实时健康监测。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 111442788 A 2020.07.24 CN 111442788 A 1.一种基于相位敏感光时域反射仪和多芯光纤实现架空输电线路健康监测的方法， 其 特征是， 使用相位敏感光时域反射仪-OTDR作为传感器， 使用多芯光纤MCF同时作为系统 的信号传输介质和敏感元件并与架空输电线路随动； 实现架空输电线路舞动频率、 舞动幅 度、 舞动轨迹和舞动变化规律的全面、 实时健康监测。 2.根据权利要求1所述的基于相位敏。

4、感光时域反射仪和多芯光纤实现架空输电线路健 康监测的方法， 其特征是， 对所述的每个探测脉冲获得的瑞利散射曲线进行分段截取， 即对 所述系统采集到的多个芯的光信号进行分段截取， 使用-OTDR检测的数据分析系统一次 性提取形状重构需要的所有应变值； 根据描述空间曲线的几何方法计算出多芯光纤发生形 状变化区域的曲率半径， 通过求解Frenet-Serret常微分方程， 获取形状重构各特征值， 曲 率半径、 切向量、 法向量、 副法向量， 近而获得光纤的扭转值， 即能确定被测线缆的弯曲程度 和扭转程度。 3.一种基于相位敏感光时域反射仪和多芯光纤实现架空输电线路健康监测的系统， 其 特征是， 所述。

5、架空输电线路舞动监测系统包括相位敏感光时域反射仪-OTDR、 扇入、 多芯 光纤MCF、 扇出； 所述舞动监测系统中， -OTDR含探测脉冲发射器和信号接收器， MCF同时作 为-OTDR的信号传输介质和敏感元件并与架空输电线路随动， 实现架空输电线路舞动信 息的全面监测； 所述-OTDR的探测信号输出端口接扇入的输入端， 扇入的输出端接MCF的 一端， MCF另一端接扇出， MCF中的三根芯或四根芯通过扇入与扇出器件的对应引出端口逐 次首尾相接呈S形连接； MCF中所产生的背向瑞利散射信号被-OTDR接收； 每个探测脉冲获 得的瑞利散射信号中包括来自MCF中多根芯的应变信息。 4.根据权利要。

6、求3所述的系统， 其特征是， 所述多芯光纤使用七芯光纤、 四芯光纤、 三芯 光纤； 所述多芯光纤中用于形状传感的每两根偏芯光纤与圆心所形成的扇形夹角为120度。 5.根据权利要求3所述的系统， 其特征是， 所述系统光路连接方式为： 相位敏感光时域 反射仪的探测信号输出端口接扇入的一个输入端， 扇入的输出端接多芯光纤的一端， 多芯 光纤另一端接扇出， 多芯光纤中的三根芯或四根芯逐根首尾呈S形连接； 多芯光纤中的各芯 使用扇入、 扇出器件耦合引出多芯光纤中的各芯， 将其中的三根、 或四根芯做首尾S型连接， 后将上述S形连接的MCF接入系统， 使得-OTDR系统可一次性获得形状重构需要的所有应 变结。

7、果； 使用-OTDR系统分布式检测MCF中各芯沿线的应变值， 用来实现对待测物体的形 状重构； 所述的传感系统使用-OTDR监测多芯光纤的应变信息， 将应变信息对应光纤所处 的位置分别提取， 得到每段MCF对应的形变信息。 6.根据权利要求3所述的系统， 其特征是， 所述系统在监测架空输电线路时， 系统工作 在连续不断的实时监测状态。 系统除可连续监测架空输电线路的舞动外， 还实现覆冰、 振动 干扰的实时监测。 7.根据权利要求3所述的系统， 其特征是， 舞动数据分析使用面向架空输电线路舞动监 测的人工神经网络， 所述形状重构特征值、 包括导线的曲率、 导线挡距、 塔顶位移、 导线扭转 角、 。

8、导线的切向量、 法向量和副法向量结合环境参量， 即温度、 湿度、 风力、 风向作为架空输 电线路舞动模式识别神经网络的输入向量； 神经网络的输出向量全面包含舞动的频率、 振 幅、 初始相位、 形状、 振动类型， 全面获取了架空输电线路的舞动信息。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111442788 A 2 一种架空输电线路健康监测方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及一种对架空输电线路进行健康监测的方法及系统， 尤其涉及一种基于 分布式光纤传感技术全面监测舞动的幅度、 频率、 舞动轨迹等信息的一种传感方法及系统， 属于智能电网领域。 背景技术 0002 高压架空输电线路是我国电力输送采用。

9、的主要模式， 但其运行过程中会因风、 雨、 雪等自然天气作用而引发舞动灾害， 舞动易导致导线鞭击及电弧烧伤或断线、 断股现象， 同 时还易导致金具严重磨损、 断裂、 脱落， 或绝缘子钢脚断裂、 杆塔倾倒以至于线路跳闸等多 种故障的发生。 0003 因此， 对舞动进行实时监控并预警、 做到启用预案以避免经济损失是非常有必要 的。 目前， 舞动监测主要借助视频图像法、 加速度传感器、 光栅传感器、 基于单芯光纤的分布 式传感器等技术。 视频图像法所采集图像清晰度有限且所输出的二维信息难以真实反映导 线的三维舞动情况， 并易受雨雪等天气影响； 加速度传感器可定量分析输电线路某一点上 下振动和左右摆动。

10、的情况， 但只能测出导线直线运动的振幅和频率， 对于复杂的圆周运动 则无法准确测量， 且舞动剧烈时， 易松弛乃至脱落， 增加不可预知的噪声， 导致测得的舞动 轨迹严重失真； 此外， 以上两种技术长期户外工作的供电受限。 光栅(Fiber Brag Grating, FBG)传感器目前只能进行导线舞动频率、 强度的定量测量， 难以利用FBG应变变化量估算导 线舞动轨迹。 基于单芯光纤的分布式传感器采用与FBG技术相似， 只能实现导线舞动的变化 频率、 变化强度进行测量， 无法实现对导线舞动空间扭转及纵向波动波长的监测。 0004 以上技术在舞动监测中均存在不足， 因此需要更加全面、 准确、 连续。

11、、 可靠的舞动 监测技术。 本发明提出采用相位敏感光时域反射仪(Phase Optical Time Domain Reflectometry,-OTDR)结合多芯光纤(Multi-Core Fiber,MCF)实现舞动信息的全面监 测， 可以监测整条光纤沿线所有点形状信息的全分布式传感技术。 0005 -OTDR可以被认为是一个移动干涉式扰动/振动传感器在传感光纤内探测外界 信号， 扰动/振动会引起相应位置干涉光相位的线性变化， 通过提取该位置不同时刻的干涉 信号并解调， 利用相干瑞利散射光的相位而非光强来探测扰动/振动等信号， 不仅可以利用 相位变化大小来提供扰动/振动事件强度信息， 还可。

12、利用线性定量测量值来实现对扰动/振 动事件相位、 频率和位置信息的定量获取， 从而实现外界物理量的定量测量。 另外， -OTDR 技术的振动/扰动频率测量范围高达kHz量级， 可快速、 定量、 准确的测量动态应变， 在不需 供电的情况下能够提供长达100公里距离的安全预警监控， 特别适用于架空输电线路的的 安全预警， 报警敏感度高， 定位精确。 0006 目前-OTDR在单芯光纤传感领域得到了普遍应用， 但仅依靠现有-OTDR方案无 法实现形状传感； MCF技术的成熟为实现分布式形状动态监测提供了很大空间， 本发明利用 -OTDR结合适用于形状监测的MCF将非常适用于测量架空线路舞动的变化轨迹。

13、， 突破现有 舞动监测技术的不足， 在获得舞动频率、 幅度等信息的基础上还可全面获得线路舞动的轨 说明书 1/5 页 3 CN 111442788 A 3 迹， 全方位的获得架空输电线路的舞动信息， 为长距离架空输电线路舞动的全面监测提供 可靠的技术方案。 发明内容 0007 本发明的目的在于， 提供一种基于相位敏感光时域反射仪(Phase Optical Time DomainReflectometry,-OTDR)和多芯光纤(Multi-Core Fiber,MCF)的架空输电线路的 健康监测方案， 同时构建基于深度学习的舞动模式识别人工神经网络模型， 实现架空输电 线路的全面、 连续、 。

14、可靠监测的一种新技术。 0008 本发明的目的是这样实现的： 一种基于相位敏感光时域反射仪和多芯光纤实现架 空输电线路舞动监测的系统， 所述架空输电线路舞动监测系统包括相位敏感光时域反射仪 (-OTDR)、 扇入、 多芯光纤(MCF)、 扇出； 所述舞动监测系统中， -OTDR含探测脉冲发射器 和信号接收器， MCF同时作为-OTDR的信号传输介质和敏感元件并与架空输电线路随动， 实现架空输电线路舞动信息的全面监测； 所述-OTDR的探测信号由信号输出端口经扇入、 进入MCF， MCF中所产生的背向瑞利散射信号被-OTDR接收； 每个探测脉冲获得的瑞利散射 信号(曲线)中包括来自MCF中多根芯。

15、的应变信息。 0009 所述多芯光纤可使用七芯光纤、 四芯光纤、 三芯光纤； 所述多芯光纤中用于形状传 感的每两根偏芯光纤与圆心所形成的扇形夹角为120度。 0010 所述系统光路连接方式为： -OTDR的探测信号输出端口接扇入的一个输入端， 扇 入的输出端接MCF的一端， MCF另一端接扇出， MCF中的三根芯或四根芯逐根首尾呈S形连接； MCF中的各芯使用扇入、 扇出器件耦合引出MCF中的各芯， 将其中的三根、 或四根芯做首尾S 型连接， 后将上述S形连接的MCF接入系统， 使得-OTDR系统可一次性获得形状重构需要的 所有应变结果； 使用-OTDR系统分布式检测MCF中各芯沿线的应变值，。

16、 用来实现对待测物 体的形状重构； 所述的传感系统使用-OTDR监测MCF的应变信息， 将应变信息对应光纤所 处的位置分别提取， 得到每根芯对应的形变信息。 0011 对每个探测脉冲获得的瑞利散射曲线进行分段截取， (即对所述系统采集到的多 个芯的光信号进行分段截取)， 使用-OTDR的数据分析系统一次性提取形状重构需要的所 有应变值。 结合形状重构算法获得输电线路舞动轨迹。 所述形状重构所需应变值， 根据描述 空间曲线的几何方法可以精确的计算出MCF发生形状变化区域的曲率半径， 通过求解 Frenet-Serret常微分方程， 获取形状重构各特征值， 曲率半径、 切向量、 法向量、 副法向量。

17、， 近而获得MCF的扭转值， 根据以上参数即能重构MCF的三维形状。 -OTDR的一般数据分析已 经成熟。 0012 所述三维形状重构也可使用其它数学、 技术方案重构方案实现； 所述三维形状重 构特征值结合环境参量温度、 湿度、 风力、 风向等参量， 构建架空输电线路舞动监测的人工 神经网络， 基于深度学习训练适用于架空输电线路舞动模式识别的人工神经网络， 选择所 述三维形状重构特征值和便于进行舞动模式识别的参量， 作为架空输电线路舞动模式识别 神经网络的输入向量， 这些参量包括但不限于： 温度、 湿度、 风力、 导线的曲率、 导线挡距、 塔 顶位移、 导线扭转角、 导线的切向量、 法向量和副。

18、法向量等； 神经网络的输出向量全面包含 舞动的频率、 振幅、 初始相位、 形状、 振动类型， 全面获取了舞动的信息。 0013 进一步的， 根据已有环境参数、 形状特征值等训练出快速对架空输电线路舞动模 说明书 2/5 页 4 CN 111442788 A 4 式识别的神经网络模型， 对架空输电线路的舞动做模式识别。 以实现快速、 精确的舞动监 测。 0014 进一步的， 系统在监测架空输电线路时， 工作在连续不断的实时监测状态。 系统除 可连续监测架空输电线路的舞动外， 还可实现覆冰、 振动干扰、 人或动物攀爬等的实时监测 0015 本发明提出的一种基于-OTDR和MCF实现架空输电线路舞动。

19、监测的方法， 所述舞 动监测方法， 使用-OTDR作为信号发射、 接收与处理系统， 使用MCF同时作为系统的信号传 输介质和敏感元件并与架空输电线路随动； 所述监测方法及系统可实现架空输电线路舞动 频率、 舞动幅度、 舞动轨迹和舞动变化规律的全面、 实时监测。 0016 进一步， 本发明对所述的每个探测脉冲获得的瑞利散射曲线进行分段截取， 即对 所述系统采集到的多个芯的光信号进行分段截取， 使用-OTDR检测的数据分析系统一次 性提取形状重构需要的所有应变值； 结合形状重构算法获得输电线路舞动轨迹； 所述形状 重构所需应变值， 根据描述空间曲线的几何方法计算出多芯光纤发生形状变化区域的曲率 半。

20、径， 通过求解Frenet-Serret常微分方程， 获取形状重构各特征值， 曲率半径、 切向量、 法 向量、 副法向量近而获得MCF的扭转值， 根据以上参数重构即能重构MCF的三维形状。 0017 本发明采用上述技术方案， 能产生如下有益效果： 本发明在实现架空输电线路健 康监测方面， 可精准重构线路舞动的三维形状、 全面掌握舞动信息的问题， 除可实现舞动监 测外还可实现传统传感系统可实现的功能(如覆冰、 振动干扰、 人或动物攀爬等)。 传感系统 除可使用本发明提出的-OTDR外， 还可以使用其它多种分布式光纤传感系统中， 如基于布 里渊散射的分布式光纤传感系统、 光频域分析仪等， 实现舞动。

21、幅度、 舞动频率、 舞动轨迹多 种物理量测量精度的测量。 本发明的实现有望发展一种新的架空输电线路健康监测的方法 及系统， 推动智能电网的进一步发展。 附图说明 0018 图1七芯MCF内部各芯相对于中性轴的排列及受力示意图； 0019 图2MCF内部4芯S型连接示意图； 0020 图3MCF输出的瑞利散射曲线示意图； 0021 图4分段截取后各芯的瑞利散射曲线示意图； 0022 图5各芯沿线应变信息示意图； 0023 图6重构出的三维形状示意图； 0024 图7舞动模式识别神经网络； 0025 图8架空输电线路舞动监测系统示意图。 具体实施方式 0026 为更加清楚明白地描述本发明， 下面以。

22、-OTDR传感系统结合七芯光纤为例， 本发 明可以使用的光纤传感系统不仅限于-OTDR类系统和七芯光纤， 结合附图说明本发明的 较佳实施例。 0027 本发明的较佳实施例中所用的七芯光纤的结构示意图如图1所示； 0028 本发明的系统结构如图2所示， 包括-OTDR系统(1)、 Fan-in(2)、 多芯光纤(3)、 Fan-out(4)； 说明书 3/5 页 5 CN 111442788 A 5 0029 本发明使用扇入与扇出分别引出MCF中的七根芯， 使用七芯光纤中的四根芯， 芯2、 芯3、 芯4、 芯7， 或芯1、 芯4、 芯5、 芯6通过扇入、 扇出将四芯首尾相连呈S形连接。 图2以芯。

23、2、 芯 3、 芯4、 芯7为例， 通过扇入、 扇出将四芯引出并将它们首尾相接呈S形连接； 七芯光纤作为信 号传输介质和敏感元件可以作为电缆系统中光纤复合架空地线的一根芯或专门铺设。 0030 本发明用于传感时的具体实施步骤如下： 0031 系统光路连接方式如下： -OTDR系统(1)的探测信号端口Fan-in(2)的输入端， Fan-in(2)的输出端接多芯光纤(3)， 多芯光纤(3)接Fan-out(4)， 多芯光纤(3)中的芯2、 芯 3、 芯4、 芯7为例将四芯呈S形连接， 如图2所示。 0032 传感过程步骤如下： 0033 步骤1、 探测光信号经Fan-in(2)、 进入多芯光纤(。

24、3)的芯2、 芯3、 芯4、 芯7， 所产生的 瑞利散射信号被-OTDR接收； 0034 步骤2、 -OTDR的探测信号由系统信号输出端口进入MCF可以一次性经过MCF的4 根芯， 每个探测脉冲获得的瑞利散射曲线包括来自4根芯的应变信息， 瑞利散射曲线示意图 如图3所示。 扇入、 扇出即Fan-in、 Fan-out一般采用熔接方式与多芯光纤相连。 由于Fan-in、 Fan-out与多芯光纤的熔接损耗， 芯与芯间的信号存在能量差异。 0035 步骤3、 分段截取瑞利散射信号， 如图4所示， 使用-OTDR的数据分析系统一次性 提取形状重构需要的所有应变值， 如图5所示。 0036 步骤4、 。

25、根据-OTDR获得的应变值以及描述空间曲线的几何方法可以精确的计算 出MCF发生形状变化区域的曲率半径， 通过求解Frenet-Serret常微分方程， 获取形状重构 特征值： 切向量、 法向量、 副法向量， 近而获得七芯光纤的扭转值， 即能确定被测物体的三维 形状。 0037 为计算出曲率半径的值， 需首先定义一个局部坐标系， 计算出 i的值， 如图1例中 所示， 图中给出了一个7芯光纤横截面结构分布、 7芯光纤弯曲轴和其中性轴。 在图1例中芯3 受张力， 而芯2和芯7受压缩力， 该横截面受应力所致的曲率半径与各纤芯应变值间的关系 可由表达式(1)、 (2)给出： 0038 Rr2/ 2,4。

26、r3/ 3,4 (1) 0039 Rr2/ 2,4r7/ 7,4 (2) 0040 其中， R是弯曲半径， r2、 r3、 r7分别是芯2、 芯3、 芯7到中性轴的距离，2,4、 3,4、 7,4分 别是芯2、 芯3、 芯7与芯4的应变差。 根据图1中r2、 r3、 r7与r的三角函数关系， 以及 2、 3、 7夹 角间依次相差2 /3的相位关系， 可计算出r2、 r3、 r7的值。 最后， 将r2、 r3、 r7代入式(1)和(2) 中， 即可精确的计算出MCF发生形状变化区域的曲率半径， 即能确定被测物体的弯曲程度。 通过求解Frenet-Serret常微分方程(式(3)， 获取形状重构特。

27、征值。 假设初始条件(T0， N0， B0， R0)， 其中T为单位切向量， N为单位法向量， B为单位副法向量， R为曲率半径， 为曲线的曲 率， 为曲线的挠率。 根据上述各关键参数， 可以获得MCF扭转值， 近而利用三维形状重构算 法获得待测线路的形状， 形状示意图如图6所示。 0041 说明书 4/5 页 6 CN 111442788 A 6 0042 步骤5、 使用面向架空输电线路舞动监测的人工神经网络， 选择典型的并便于舞动 模式识别的参量， 作为神经网络的输入向量， 这些参量有： 温度、 湿度、 风力、 导线的曲率、 导 线挡距、 塔顶位移、 导线扭转角、 导线的切向量、 法向量和。

28、副法向量等。 根据舞动全面监测目 的， 其输出向量为线路舞动的频率、 振幅、 初始相位、 形状、 振动类型， 即舞动的全面信息。 0043 步骤6、 系统在监测架空输电线路时， 处于连续不断的实时监测状态。 系统除可连 续监测架空输电线路的舞动外， 还可实现覆冰、 振动干扰的实时监测。 0044 基于-OTDR融合MCF实现架空输电线路舞动监测的应用现场示意图如图8所示。 0045 根据已有环境参数、 形状特征值等训练出快速对架空输电线路舞动模式识别的神 经网络模型， 对架空输电线路的舞动做模式识别的方法可参考现有技术1、 巫世晶,向农. 神经网络在输电导线舞动监测诊断系统中的应用J.华北电力。

29、技术,1998(09):3-5+44.2、 一种裂纹形状反演方法P， CN201010022673.9， 上海工程技术大学， 2010。 0046 以上实施例仅为本发明的较佳实施例， 但本发明的保护范围并不限于上述实施方 式， 在本领域普通技术人员所具备的知识范围内， 不脱离本发明精神和范围的任何修改和 局部替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 7 CN 111442788 A 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/3 页 8 CN 111442788 A 8 图4 图5 图6 说明书附图 2/3 页 9 CN 111442788 A 9 图7 图8 说明书附图 3/3 页 10 CN 111442788 A 10 。