基于多参量分布式光纤传感的架空输电线路风振监测分析

杨 芳，唐小亮，尹文阔，王敏学

基于多参量分布式光纤传感的架空输电线路风振监测分析

杨 芳1，唐小亮1，尹文阔1，王敏学2

(1.广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远 511518；2.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074)

输电线路风振可能造成线路闪络、断股和金具疲劳损坏等故障，严重影响电力系统的安全稳定运行，准确和实时地监测线路的风振情况对灾害预警、故障排除和状态评估意义重大。为了解决传统风振监测手段维护困难、可靠性低等缺点，提出了一种基于多参量分布式光纤传感的输电线路风振监测装置。首先介绍了分布式光纤传感的基本原理和设备基本结构，然后利用数值仿真的方法分析了舞动和微风振动时线路的振动频率、幅值特征，论证了利用分布式光纤监测风振的可行性。实验证明，该装置能同时监测输电线路沿线各段的风振及线路内部应力变化情况，其60 km内的定位精度为±50 m，舞动及微风振动频率监测误差分别为0.07 Hz和0.01 Hz。该装置为架空输电线路的风振在线监测提供了新方法。

分布式光纤传感；舞动；微风振动；输电线路；OPGW

0 引言

舞动、微风振动等线路风振现象可能引起电弧烧伤、金具损伤等，甚至还会引起断股断线、杆塔倒塌等严重事故，严重影响电力系统的稳定运行[1]。如果可以实时地监测和评估输电线路的风振情况，并且在故障时快速定位故障位置，就可以快速恢复输电线路故障，并针对性地对灾害出现较多地区的线路进行改造[2]。目前主要的风振监测技术包括加速度传感法、图像处理法、GPS传感法[3-6]和光栅传感法[7]，然而加速器传感法需要安装一系列的加速器传感器，且需要软件拟合舞动轨迹，成本较高，准确度也不足；图像处理法依赖视频拍摄器，易受大雾、雨雪的天气影响，可靠性较差；GPS系统基站的修建及日常维护费用高，经济性不足；光纤光栅的传感距离有限，监测线路风振需要多点布设[8]以形成准分布式光纤监测，施工难度大且维护困难。所以发展能够长距离监测且经济的输电线路新型传感器对长距离输电线路风振的在线监测意义重大。

分布式光纤传感技术(Distributed Optical Fiber Sensing, DOFS)可以实现空间的连续监测，传输距离可达100 km以上，利用光时域反射技术，通过监测后向散射光的相位、振幅等进行监测，目前已广泛应用于桥梁、道路和电缆[9-11]等区域的监测。目前光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire, OPGW)的广泛铺设，分布式光纤可以直接利用OPGW内的冗余光纤，主机设置在变电站内，安装维护简单，在输电线路监测领域[12]发展前景广阔。然而，分布式光纤在应用于风振监测方面研究较少且多基于单一参量光纤传感技术[13-14]，无法估计线缆受损情况或覆冰等情况[15]，抗干扰能力较弱。所以，多参量分布式光纤传感技术[16-17]是提高输电线路全面性和可靠性监测的关键技术。

鉴于此，本文提出了一种基于多参量的分布式光纤输电线路风振监测方法，首先介绍了多参量分布式光纤的原理与基本构造，然后仿真分析了舞动及微风振动时输电线路的振动特性，论证了该设备监测线路舞动及微风振动的可行性，最后在实验室进行了OPGW微风振动、舞动和应变实验，结果证明该设备可以实时监测和评估线路的风振及损伤情况，并对线路风振和故障位置进行准确定位。

1 多参量分布式光纤监测基本原理及结构

1.1 分布式光纤传感基本原理

在光纤中不完全均匀的折射率的影响下，在其中传播的光沿着光纤向前后都发生散射，如图1所示，监测后向散射光的返回时间后，代入式(1)即可对发生在光纤上的扰动进行定位。

式中：为光纤扰动位置；t为光信号往返所需时间；c为光速；n为光纤的折射率。该定位技术即光时域反射技术。光纤中的散射光分为瑞利散射光、拉曼散射光和布里渊散射光，其中瑞利散射光强最强，布里渊散射光次之，拉曼散射光最弱，如图2所示。

图2 光纤中的散射光频图

布里渊散射光对温度和应力敏感，故布里渊光时域反射仪[18](Brillouin optical time domain reflectometer, BOTDR)可以用于分布式的温度和应力传感，其光频移量与温度和应变的关系如式(2)所示。

在光纤发生振动时，振动区域的光纤折射率会随时间变化，从而改变后向散射光的相位，以实现对线缆振动情况的监测。相位敏感型的瑞利散射光时域反射技术[19-20](Phase-sensitive optical time domain reflectometer,FOTDR)是通过监测光的相位变化来定位振动区域的技术，在光纤某点出现扰动时，该点及其之后的散射点会叠加一个额外的相移，导致电流信号变化，通过两个时刻的后向散射光做差就可以定位振动区域，振动定位原理如图3所示。

图3 FOTDR监测与定位振动区域示意图

1.2 多参量分布式光纤传感主机结构

多参量分布式光纤传感装置结构如图4所示，其中BOTDR、ΦOTDR系统共用一个光源，装置采用窄线宽光源，脉冲调制器采用声光调制器，光调制器将连续光调制为脉冲光，为了增加线路的监测范围，本装置的光放大器采用了拉曼方法与掺铒放大器两级放大模式，增益后光经过带通滤波器进入光环形器中，带通滤波器用于滤除光放大器噪声。

图4 多参量分布式光纤传感光学系统结构

2 分布式光纤的风振监测可行性分析

2.1 输电线路覆冰舞动的数值模拟

冬季，由于线路不规则覆冰导致其在风作用下所受升力不平衡，容易导致线路舞动。覆冰导线舞动三自由度模型[21-22]如图5所示。

图5 覆冰导线舞动模型

线路舞动的三自由度模型方程求解十分复杂，为了简化计算文中忽略扭转自由度，列出两自由度方程如式(3)所示。

图6(a)为求解得到的线路覆冰舞动轨迹，线路舞动时纵向方向(垂直地面方向)的振幅占主要部分，横向上振幅只有纵向的1/10左右，所以估计出舞动时纵向方向的振动频率就可以估计舞动的情况。舞动纵向分量FFT分解后为频率0.48 Hz，如图6(b)所示，在线路的振动监测范围内。

输电线路只有在不规则覆冰产生不均衡升力时才会发生舞动[16]。根据抛物线法和弹性变形胡克定律，由舞动引起的水平拉力的变化可由式(4)计算。

表1 舞动仿真线路参数

2.2 线路微风振动分析

风激励是引起微风振动的主要原因[23-24]，而能量平衡法是计算微风振动的主要方法，计算公式如式(5)所示。

图7 不同半波作用下水平张力的变化

设输电线的方向位移如式(6)所示。

在二分之一的周期内，风输入的功率如式(7)—式(8)所示。

风能输入功率如式(10)所示。

线缆自阻尼功率表达式如式(11)所示。

本文取振幅为小于0.6d的风能功率，将式(10)、式(11)代入平衡方程式(5)可得式(12)。

仿真线路参数设置跨距为220 m，单位长度重量为0.974 3 kg/m，拉力为72 300 N，截面积为277.75 mm2，仿真得到不同风速下的微风振动曲线如图8所示。由图8可知风速越大，微风振动的频率越高，振幅越小，其振动频率一般为20～300 Hz，在此多参量分布式光纤设备的频率监测范围内。另外，高振幅的舞动很容易引起线路疲劳，并造成线路的断股和损伤。

图8 仿真得到的微风振动时域图

3 实验结果与分析

3.1 舞动监测实验及分析

本次实验采用型号为OPGW-24B1-150的OPGW进行实验，OPGW结构示意图如图9所示，将实验所用的OPGW内部的光纤接出，在尾端成环处理，在OPGW的首端抽出两根光纤，将OPGW接出的光纤外接22.4 km的光纤盘后，从光纤盘内抽出光纤接入分布式光纤主机中。

图9 OPGW结构示意图

将 OPGW以15% RTS 按图安装在试验档上，试验过程中实时监测光信号。悬挂装置保证 OPGW 在施振段静态时的弧垂角不超过(1.5±0.5)°。根据第2.1节的结论，舞动的频率在0～3 Hz之间，考虑线缆的结构等因素，本实验调整舞动振动器的振动频率为1.41 Hz，使得线缆进入稳定的舞动状态，OPGW长度为60 m，其实验场地如图10所示。

DOFS系统监测得到的振动曲线是位置-时间的矩阵，该系统的时间采样频率为754 Hz，时间采样点数为4 096，空间采样点数为4 083个，每两个点之间的距离为16 m，所得数据为4096×4083的矩阵，三维曲线如图11所示。

图10 舞动实验示意图

图11 OPGW舞动时域—距离—强度三维示意图

将两个相邻位置的时间—强度曲线进行滑动平均和差分处理后(其中滑动平均窗口取6)，可以得到如图12所示的定位图，由于只有OPGW舞动区域出现振动，而大部分区域的振动强度是随机的白噪声，所以对其进行平均后相减可以得到如图12所示的位置-振动强度曲线，其强度最大点即为舞动位置，如图12所示其定位位置为22 390—22 450 m段，此段位置与OPGW舞动段位置误差在20 m以内。

图12 舞动位置定位图

将舞动定位位置的22 400 m处的时间—振动强度曲线提取后进行快速傅立叶变化，得到的频谱图如图13所示。在线路发生舞动时，其频谱图在1.47 Hz及其倍频(4.2 Hz、8.4 Hz)附近会出现振动强度峰值，与实验设置的振动频率相同，证明该装置可以准确监测线路的舞动频率，其振动频率误差为0.06 Hz。

3.2 微风振动监测实验及分析

微风振动实验采用与舞动实验相同的OPGW型号，其实验场地如图12所示。将OPGW以15%～20% RTS 按图安装在试验档上，根据第2.2节的结论，在20～300 Hz范围内设置线路稳定振动频率，最后设置微风振动频率发生器的频率为50 Hz，在OPGW前分别续接入22.4 km、44.4 km和59.6 km的光纤盘，微风振动位置定位如图14所示。

在线路某段出现微风振动时，其振动位置距离DOFS越长，其定位算法得到的风振位置的信噪比越低，如图15所示。这是由分布式光纤的相干衰弱引起的，实验结果定位位置与线路实际位置进行对比分析如表2所示，该设备在60 km范围内的定位精度为±50 m。

图14 微风振动实验示意图

图15 微风振动定位图

表2 OPGW微风振动实际位置与监测定位位置

对不同位置处的时域曲线进行快速傅里叶分解得到图16所示的频率—位置—振动强度图，振动频谱如图17所示。当OPGW微风振动时，在50 Hz及其多倍频附近有很明显的峰值，且微风振动位置距离分布式光纤主机位置越远其振动强度越弱，其测量的误差在0.01 Hz左右，实验证明该装置可以准确定位60 km以内的微风振动位置并监测其振动频率。

图16 不同位置处微风振动频谱—位置—振动强度分析图

图17 22 400 m处微风振动频谱分析图

3.3 应变监测试验及分析

在线路出现长期微风振动或舞动时，可能会导致其疲劳损伤，并出现断股甚至断线等事故，在OPGW损伤时，根据文献[25-26]的结论，在消耗完光纤内部余长的情况下，其BOTDR所测得的频移值会随着断股数的增加而增加，可以此分析其线路损伤问题。为了测试此设备监测线路应变能力，进行了OPGW的拉力试验，试验将100 m长的OPGW(型号为OPGW-96B1.3-150)固定在拉力器上，其额定拉断力(Rated Tensile Strength，RTS)为94.8 kN，依次施加65% RTS，85% RTS和125% RTS的拉力，测试其BOTDR的频移情况，实验设置如图18所示。

图18 OPGW 应力—应变性能试验装置

图19 不同拉力下的频移变化情况

4 结论

本文提出一种基于多参量分布式光纤的输电线路风振监测系统，通过仿真和实验得到如下结论：

1) 输电线路舞动时振动主要集中在垂直于地面方向，其振幅为水平方向的十倍左右，且舞动时线缆内部各点的应力会根据线路振动频率周期性变化，仿真分析其垂直地面方向振动频率为0.48 Hz；输电线路微风的振动频率在20～300 Hz之间，振动幅值小于线路直径。舞动与振动频率在DOFS的监测范围内，利用分布式光纤监测舞动和微风振动具有可行性。

2) 在实验室进行了微风振动及舞动实验，结果表明，监测范围在60 km内时，设备定位线缆舞动和微风振动的定位精度在±50 m以内。频谱分析可得，在线缆舞动和微风振动时，分布式光纤监测得到的频谱曲线在其实际振动频率及其多倍频处都会出现峰值。设备的舞动频率监测误差小于0.06 Hz，微风振动频率监测误差小于0.01 Hz。

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Analysis of transmission line wind vibration monitoring based on a multi parameter distributed optical fiber sensor

YANG Fang1, TANG Xiaoliang1, YIN Wenkuo1, WANG Minxue2

(1. Qingyuan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Qingyuan 511518, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)

Wind vibration of transmission lines may cause line flashovers, broken stocks, and fatigue damage to fittings. This poses a great threat to the safe and stable operation of a power system. Accurate and real-time monitoring of wind vibration of lines is of great significance for disaster warning, troubleshooting and status assessment. To overcome the shortcomings of traditional monitoring methods, such as difficulty in maintenance and low reliability, this paper proposes a multi-parameter distributed optical fiber sensor-based wind vibration monitoring device for transmission lines. The numerical simulation method is used to analyze the vibration frequency of the line during galloping and breeze vibration and amplitude characteristics, demonstrating the feasibility of using distributed optical fiber to monitor wind vibration. Experiments show that the device can simultaneously monitor wind vibration and OPGW damage of various sections along the transmission line. The positioning accuracy within 60 km is ±50 m, and the monitoring errors of galloping and breeze vibration frequencies are 0.07 Hz and 0.01 Hz respectively. It provides a new method for wind vibration online monitoring of the transmission lines.

distributed optical fiber sensing; galloping; wind vibration; power transmission lines; OPGW

10.19783/j.cnki.pspc.211670

南方电网公司科技项目资助(GDKJXM20198377)；国家自然科学基金项目资助(52077091)

This work is supported by the Science and Technology Project of China Southern Power Grid Co., Ltd. (No. GDKJXM20198377).

2021-12-07；

2022-01-23

杨 芳(1986-)，男，通信作者，硕士，高级工程师，主要研究方向为输电线路运行技术、智能技术应用；E-mail：1902099210@qq.com

唐小亮(1984-)，男，硕士，高级工程师，研究方向为输配电技术管理；E-mail: 785045586@ qq.com

尹文阔(1993-)，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为输电线路运维。E-mail: 13297958072@ 163.com

(编辑 张爱琴)