一种基于热惯性相位差和环境温度典型非对称特征的光纤复合架空地线覆冰监测方法

本发明涉及一种基于热惯性相位差和环境温度典型非对称特征的光纤复合架空地线覆冰监测方法，属于测量。

背景技术：

1、光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire, opgw)因其结构特性和高空架设方式，在恶劣的气象环境中，经常面临严重的覆冰威胁。覆冰不仅显著增加光缆的机械负荷，引起弧垂变化、杆塔倾斜甚至结构损坏，还可能引发闪络、断股乃至通信中断等连锁故障，对电网稳定运行构成严峻挑战。输电线路覆冰造成的严重威胁，对保障电网安全稳定运行提出了迫切要求，因此，亟需研究一种高效可靠的技术对线路的覆冰状态进行监测，以精准掌握线路状态、及时预警潜在风险，并为除冰抢险提供决策支持。

2、分布式光纤传感技术利用光纤中前向传输光脉冲产生的散射信号测量光纤沿线的应变和温度，具有电磁扰动小、环境适应力强、实时性优等特点，工程中常使用布里渊光时域反射仪(brillouin optical time domain reflectometer, botdr)监测opgw覆冰时的温度状态。有的学者利用botdr监测110 kv线路16 km长近19 h温度变化，并将15.4 km位置的检测结果与光纤光栅传感器检测结果进行了对比，发现在15.4 km位置点与光纤光栅传感器监测的温度曲线基本一致，验证了botdr能够准确监测opgw的温度状态。一旦光纤温度可以准确获得，则后续研究重点是建立光纤温度变化与覆冰状态的联系。一些学者利用了输电线路覆冰段光纤温度与环境温度之间的热惯性特性来监测线路覆冰，当环境温度随时间线性变化时，该方法的可行性已得到验证。但考虑利用botdr对线路温度进行测量的实际情况，现有研究均基于理想对称正弦温度假设，未考虑实际环境中升降温速率不对称、波峰波谷形态非均匀等非理想温度特征的影响，也均未研究实测真实环境温度对监测方法的影响。

技术实现思路

1、本发明的要解决的问题是提出一种基于热惯性相位差和环境温度典型非对称特征的光纤复合架空地线覆冰监测方法。

2、为解决上述问题，本发明采用的技术方案：

3、一种基于热惯性相位差和环境温度典型非对称特征的光纤复合架空地线覆冰监测方法，其覆冰厚度基于覆冰段光纤温度相对于环境温度的热惯性相位差进行估算，并考虑环境温度典型非对称特征对热惯性相位差的影响，该估算方法包括如下步骤：

4、步骤1：搭建覆冰工况下光纤复合架空地线(optical fiber composite overheadground wire, opgw)的三维瞬态温度场模型；

5、步骤2：通过仿真获取覆冰厚度与光纤温度之间的规律，提出基于热惯性相位差的覆冰监测方法；

6、步骤3：根据实际环境温度典型非对称特征推导并建立考虑波峰段持续时间的覆冰厚度与热惯性相位差的拟合公式；

7、步骤4：通过非理想环境温度仿真及实测环境温度数据对上述拟合公式进行校验，验证其在复杂环境温度下的有效性。

8、所述步骤1中包括如下具体步骤：

9、步骤1-1：根据型号opgw-24b1-155的物理结构，通过有限元仿真软件搭建三维模型，对opgw内部结构进行合理等效简化，相关仿真热性能参数包括铝包钢线、光纤及冰层的密度、导热系数和比热容依据表1进行设置。参考现有文献及结合实际覆冰情况，选择合适的模型尺寸；

10、表1

11、

12、步骤1-2：根据实际情况下opgw在运行时的覆冰段与未覆冰段的瞬态热传导方程，如式(1)-(2)所示，确定合适的边界条件。采用自由四面体网格进行剖分，同时保证求解时的收敛性和计算结果的正确性；

13、

14、

15、其中，ρf、ρs和ρi分别为光纤、钢和冰的密度，单位：kg/m3；cf、cs和ci分别为光纤、钢和冰的比热容，单位：j/(kg∙k)；t为时间，单位：s；v为风速，单位：m/s；kf、ks和ki分别为光纤、钢和冰的导热系数，单位：w/(m∙k)。

16、所述步骤2中包括如下具体步骤：

17、步骤2-1：采用正弦函数法模拟环境温度日变化，研究覆冰厚度不同时光纤温度的变化规律；

18、步骤2-2：根据步骤2-1的仿真结果得到结论：覆冰段光纤温度曲线与环境温度曲线相比，存在明显的热惯性现象，并且随着覆冰厚度的增加，热惯性越来越明显，由此定义了光纤温度与环境温度曲线之间的热惯性相位差(φ)，并采用快速傅里叶变换(fastfourier transform, fft)进行计算，设ta(n)和ti(n)分别为环境温度序列与覆冰段光纤温度序列，0≤n≤n-1，分别对它们进行fft，如式(3)-(4)所示。根据fft结果可计算两条温度曲线之间的热惯性相位差，如式(5)所示：

19、

20、

21、

22、其中，n表示时间序列的离散时间索引；n表示采样点总数；k1为基频（周期为24 h）对应的序号；arg[x]为复数x的相位；φ为热惯性相位差，单位：°。

23、步骤2-3：根据步骤2-1得到的仿真数据，可基于热惯性相位差估算覆冰厚度，如式(6)所示：

24、

25、其中，b为覆冰厚度，单位：mm。

26、所述步骤3中包括如下具体步骤：

27、步骤3-1：考虑到实际环境温度曲线并非严格满足正弦函数，为了研究这种偏差对式(6)准确性的影响，根据实际环境温度典型非对称特征构造环境温度曲线，由于冬季输电线路沿线的日环境温度曲线主要呈现波峰窄、波谷宽的特征，将tpeak定义为波峰段持续时间，表示在一个周期内环境温度高于均值的连续段总时长。分别设置不同的tpeak和覆冰厚度，仿真获取不同波峰段持续时间和不同覆冰厚度下的热惯性相位差数据，发现波峰段持续时间对热惯性相位差的影响极为显著；

28、步骤3-2：考虑实际部分工况会出现tpeak＞12 h的宽波峰、窄波谷的温度曲线，同样对其进行仿真研究，发现其热变化特性与tpeak≤12 h的窄波峰、宽波谷工况呈完全对称分布。设tp为等效波峰段持续时间，可由式(7)计算：

29、

30、其中，tpeak为波峰段持续时间，单位：h；tp为等效波峰段持续时间，单位：h；

31、步骤3-3：基于步骤3-1获取的仿真数据对式(6)进行修正，得到不同波峰段持续时间下的覆冰厚度与热惯性相位差的拟合关系式，如式(8)所示：

32、

33、步骤3-4：基于步骤3-3获取的6组拟合关系式，分别对其二次项系数、一次项系数和常数项与tp进行线性拟合，得到确定系数r2分别为0.9431、0.9542和0.9614，证实三者与tp呈线性相关，据此建立考虑波峰段持续时间的通用估算公式，如式(9)所示：

34、

35、所述步骤4中包括如下具体步骤：

36、步骤4-1：构建多种非理想环境温度曲线，包括升/降温速率不对称曲线、波峰波谷振幅不对称曲线、多种典型非正弦温度曲线和实际现场采集的复杂环境温度曲线；

37、步骤4-2：将上述环境温度输入仿真模型，计算出热惯性相位差并代入式(9)，可以得到估算的覆冰厚度以及覆冰厚度估算误差，验证本方法在复杂环境温度下的有效性。

38、本发明的研究过程基于分布式光纤测量技术，利用有限元软件进行opgw覆冰的三维瞬态温度场仿真，提出了一种基于热惯性相位差和环境温度典型非对称特征的光纤复合架空地线覆冰监测方法，解决了传统覆冰监测方法存在的环境工况假设理想化、工程适用性不足等关键问题，可为输电线路覆冰监测、冰灾预警与融冰决策提供可靠的技术支撑。