一种面向电力变电站基于光纤传感技术的故障检测系统的制作方法

1.本发明涉及一种面向电力变电站基于光纤传感技术的故障检测系统，将光纤传感技术与 辅助精确定位故障分析相结合的变电站工地安全管理策略，设计应用了面向耐压过程中的故 障检测系统，采用相位敏感型光时域反射技术gis放电分布式定位技术、gis内部放电引 发的分布式光纤振动检测系统信号特征技术。gis放电分布式光学检测抗干扰技术与放电类 型模式识别技术。将信息传递至云端服务器，获取耐压过程中光纤的频率、幅度等数据并预 测其活动趋势，精准定位故障发生的位置。


背景技术：

2.随着计算机技术的飞速发展、空间技术的日新月异及计算机图形学理论的日渐完善，gis (geographic information system)技术也日趋成熟，并且逐渐被人们所认识和接受。近 年来，gis被世界各国普遍重视，尤其是“数字地球”概念的提出，使其核心技术gis更为 各国政府所关注。目前，以管理空间数据见长的gis已经在全球变化与监测、军事、资源管 理、城市规划、土地管理、环境研究、农作物估产、灾害预测、交通管理、矿产资源评价、 文物保护、湿地制图以及政府部门等许多领域发挥着越来越重要的作用。当前gis正处于急 剧发展和变化之中，研究和总结gis技术发展，对进一步开展gis研究工作具有重要的指导 意义。因此，本文就目前gis技术的研究现状及未来发展趋势进行总结和分析。gis设备内 部充以数个大气压的sf6气体，一旦发生气体间隙的击穿或固体绝缘表面的闪络故障，放电 释放出的能量很大。放电时能量在密闭空间的瞬时集中释放会引起强烈的声波信号，声波信 号传播至gis罐体表面从而产生振动信号，其频率大约在数千至数十千赫兹之间。
3.gis全称气体绝缘组合电器设备(gas insulated switchgear)。就是把断路器、隔离开 关、母线等等用金属壳密封起来，里面充满六氟化硫气体，这样可以把高压开关设备做的更 紧凑，占地面积小且更安全。对运行的gis设备进行局部放电检测可采用超高频(uhf)、超 声波原理检测局部放电，此外还可以对gis气室内的气体成分进行检测，看六氟化硫sf6是否 有分解产物。德国pdsg生产的aiacompact局部放电检测仪，是专门应用与运行中gis局部放 电检测的。
4.利用超高频法进行gis局部放电的故障定位,研制了局部放电故障定位系统,定位系统由示 波器完成对超高频信号的数据采集,数据处理与运算在计算机中完成,定位方法采用时间差 计算法,利用互相关函数算法计算时间差.通过在gis模型的不同位置设置放电源,进行定 位实验,结果表明定位系统可以有效的检测gis局部放电信号,实现局部放电故障的定位,系 统的软硬件设计方案切实可行。
5.目前，gis局部放电检测主要有化学检测法、超声波检测法、超高频法和脉冲电流法。 化学检测法：局部放电会使sf6气体分解出sof2和f2等中间分解物，优点是通过分析sf6 气体成分，可判断gis内部放电状况的严重程度。缺点是不同类别局部放电敏感性不同、吸 附剂和干燥剂可能会影响测量、无法定量测量。超声波检测法：采用声发射传感器，一般测 取频率在20khz～100khz之间的信号，优点是较灵敏(可以测到最小相当于20pc的
放电)、 抗电磁干扰、安装简单、定位准确并可识别缺陷的类型。缺点是不易定量检测。超高频法： 超高频法是近几年出现的一种检测方法，优点是检测灵敏度高，抗干扰能力强，是目前比 较好的一种检测方法。缺点是不易定量检测，对多元局部放电定位困难。脉冲电流法：脉冲 电流法是局部放电检测的经典方法。对于gis，其缺点是由于其结构原因，检测比较困难。 但其最大的优点是可定量检测。
6.目前，国内外在gis现场监测领域对于光纤主要作为传感器的信号通信媒介使用，没有 利用光纤本身作为传感介质，直接基于振动引发的光相位变化进行分布式振动传感的应用， 相关研究也仍处于理论研究与实验室模拟阶段。常见的gis故障主要有：本体sf6气体泄漏、 fs6气体水分含量超标、盆式绝缘子闪烙、载流回路接触不良过热、断路器操作机构故障。 因此，进行基于相位敏感型分布式光纤传感的gis内部放电故障定位识别与抗干扰技术研究 实现φ-otdr技术在gis放电故障定位中的现场应用对保障公司生产安全，缩短工程建设周 期，降低运行维护成本具有重要意义。


技术实现要素：

7.本发明目的是，主要解决的技术问题是提供一种面向电力变电站基于光纤传感技术的故 障检测系统，将光纤传感技术与辅助精确定位故障分析相结合的变电站工地安全管理策略。
8.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种面向电力变电站基于光纤传感技术的 故障检测系统，利用相位敏感型光时域反射技术gis放电分布式定位技术、基于gis内部放 电引发的分布式光纤振动检测系统，gis装置内部布置连续的光纤，对光纤的输出信号用基 于相位敏感型光时域反射技术的测量，采用gis放电分布式定位技术：即测量gis内部放电 引发的分布式光纤振动检测系统信号特征技术：通过对基于φ-otdr的分布式光纤定位系统 信噪比、灵敏度、空间分辨率、定位精度、采样率影响因素研究，掌握系统中光源信号参数、 光电器件参数、信号检测与后处理方法以及光纤布置方案对上述性能指标的影响规律。相位 敏感型光时域反射给出gis内部放电的信息，gis内部放电引发的分布式光纤振动检测系统 信号特征技术。gis放电分布式光学检测抗干扰技术与放电类型模式识别技术。采用光纤数 据传感技术并与das故障检测系统结合，达到快速准确的定位耐压测试事故现场，判断异常 情况并以最快速度发出预警；提升定位系统性能指标的方案，并通过仿真计算及实验室测试 进行验证；再次，结合现场gis设备的情况，优选适合现场应用的布置方案。最后，通过光 纤传感技术的故障检测系统，实现对异常位置的精确定位。
9.gis放电分布式光学检测抗干扰技术与放电类型模式识别技术，实时捕捉耐压测试过程 中光纤的频率数据以及强度数据等，通过光纤上面的光纤编号，可以实时计算出耐压过程中 的异常故障位置，达到精装定位捕捉的目的，对保障公司生产安全，缩短工程建设周期，降 低运行维护成本具有重要意义。
10.可以通过光纤的传感数据信息传送至云端平台后进行分析处理。关键步骤有：数据采集： 通过实时采集耐压过程中的光纤传感数据并传送至系统平台。数据筛选：系统根据预制的现 场情况，剔除一些明显不正确的数据。算法模型匹配：通过获取到的数据与系统算法模型库 进行匹配，分析得到异常的类型以及故障发生的精准位置。
11.进一步，通过对φ-otdr技术的振动定位原理研究，掌握光纤中瑞利散射光信号相
位改 变的机理和分布式光纤定位方法。其次，对比背向瑞利信号检测后处理的不同方案，优选适 合长距离gis放电定位使用的信号后处理技术。再次，结合光纤距离和定位精度的要求，选 用合适的光源信号。最后，选取合适的光学器件，搭建完整的光纤传感技术的故障检测系统， 实现对单模光纤振动信号的分布式定位检测，用于对耐压现场异常位置的定位识别。
12.进一步，通过对基于φ-otdr的分布式光纤定位系统信噪比、灵敏度、空间分辨率、定 位精度、采样率影响因素研究，掌握系统中光源信号参数、光电器件参数、信号检测与后处 理方法以及光纤布置方案对上述性能指标的影响规律。其次，提出提升定位系统性能指标的 方案，并通过仿真计算及实验室测试进行验证；再次，结合现场gis设备的情况，优选适合 现场应用的布置方案。最后，通过光纤传感技术的故障检测系统，实现对异常位置的精确定 位。
13.综上所述，本发明指出的一种方法策略，在耐压测试的过程中，通过光纤传感技术、gis 放电分布式定位技术等技术可以有效从根本上精准定位到输压压过程中的故障异常位置以 及发出预警。可见发现常见的gis故障，主要有本体sf6气体泄漏、fs6气体水分含量超标、 盆式绝缘子闪烙、载流回路接触不良过热、断路器操作机构故障，各种故障反应出的。
14.有益效果，本发明提出提升定位系统性能指标的方案，并通过仿真计算及实验室测试进 行验证；再次，结合现场gis设备的情况，优选适合现场应用的布置方案。最后，通过光纤 传感技术的故障检测系统，实现对异常位置的精确定位。如何捕捉耐压测试过程中光纤的频 率数据以及强度数据等，通过光纤上面的光纤编号gis放电分布式光学检测抗干扰技术与放 电类型模式识别技术，实时捕捉耐压测试过程中光纤的频率数据以及强度数据等，通过光纤 上面的光纤编号，通过光纤编号可以定位到具体位置，通过终端可以看到该位置的频率强度 可以实时计算出耐压过程中的异常故障位置，达到精装定位捕捉的目的，对保障公司生产安 全，缩短工程建设周期，降低运行维护成本具有重要意义。通过光纤编号可以定位到具体位 置，通过机器可以看到该位置的频率强度。
15.本发明提出提升定位系统性能指标的方案，并通过仿真计算及实验室测试进行验证；再 次，结合现场gis设备的情况，优选适合现场应用的布置方案。最后，通过光纤传感技术的 故障检测系统，实现对异常位置的精确定位。
16.本发明是基于光纤传感技术，将光纤传感技术与辅助精确定位故障分析相结合的变电站 工地安全管理策略，设计应用了面向耐压过程中的故障检测系统，采用位敏感型光时域反射 技术gis放电分布式定位技术、gis内部放电引发的分布式光纤振动检测系统信号特征技术。 gis放电分布式光学检测抗干扰技术与放电类型模式识别技术。将信息传递至云端服务器， 获取耐压过程中光纤的频率、幅度等数据并预测其活动趋势，精准定位故障发生的位置。本 发明能实时关注变电站在耐压过程中的耐压过程动态，从根本上规避变电站耐压测试过程中 的不安全行为，精准定位到故障位置。并通过某变电站实地项目对提出的安全管理策略进行 验证，可以证明所提方法的有效性和实用性。
附图说明
17.图1放电信号定位测试即本发明的方法原理框图；
18.图2背向瑞利散射光干涉原理。
具体实施方式
19.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅 是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
20.基于光纤传感技术，建立了光纤传感技术故障定位分析系统，运用物联网技术与相关算 法分析技术，把光纤的信息数据进行算法分析，实现现场的耐压测试过程中的故障定位分析。 基于相位敏感型光时域反射技术gis放电分布式定位技术，通过对φ-otdr技术的振动定位， 掌握光纤中瑞利散射光信号相位改变的机理和分布式光纤定位方法。其次，对比背向瑞利信 号检测后处理的不同方案，优选适合长距离gis放电定位使用的信号后处理技术。再次，结 合光纤距离和定位精度的要求，选用合适的光源信号。最后，选取合适的光学器件，搭建完 整的光纤传感技术的故障检测系统，实现对单模光纤振动信号的分布式定位检测，用于对耐 压现场异常位置的定位识别。
21.基于gis内部放电引发的分布式光纤振动检测系统信号特征技术，通过对基于φ-otdr 的分布式光纤定位系统信噪比、灵敏度、空间分辨率、定位精度、采样率影响因素研究，掌 握系统中光源信号参数、光电器件参数、信号检测与后处理方法以及光纤布置方案对上述性 能指标的影响规律。其次，提出提升定位系统性能指标的方案，并通过仿真计算及实验室测 试进行验证；再次，结合现场gis设备的情况，优选适合现场应用的布置方案。最后，通过 光纤传感技术的故障检测系统，实现对异常位置的精确定位。
22.gis放电分布式光学检测抗干扰技术与放电类型模式识别：gis内部放电引发的分布式 光纤振动检测系统信号特征，gis放电分布式光学检测抗干扰与放电类型模式识别可采用现 有的模式识别方法；如1千米的光纤就是编号0001-1000，抗干扰技术与放电类型算法模式 识别通过信号的变化来体现；
23.已知两束光强分别为a，角频率相差ω的激光，干涉后的光强信号i为
24.i＝2a 2acos(ωt ψ)
25.其中，ψ就是光纤收到外界物理信号影响导致的相位变化信号，t为时间。
26.第一步，通过高通滤波器，即可得到光强信号i的交流部分i
ac
，
27.i
ac
＝2acos(ωt ψ)
28.式中角频率ω是系统通过aom调制上去的，属于已知信号，所以可以利用i、q复解调算 法解调出未知的待测信号ψ。
29.由于ω是已知信号，可以得到本地信号，s1、s230.s1＝cos(ωt)
31.s2＝-sin(ωt)
32.让i
ac
和s1混频，
33.i
ac
*s1＝2acos(ωt ψ)*cos(ωt)
34.ꢀꢀꢀꢀꢀ
＝acos(2ωt ψ) acos(ψ)
35.过滤其中高频部分cos(2ωt ψ),得到信号s1
36.s1＝acos(ψ)
37.让i
ac
和s2混频，
38.i
ac
*s2＝2acos(ωt ψ)*-sin(ωt)
39.ꢀꢀꢀꢀꢀ
＝-asin(2ωt ψ) asin(ψ)
40.过滤其中高频部分sin(2ωt ψ),得到信号s2
41.s2＝asin(ψ)
42.用s2/s1，得到
[0043][0044]
再用反正切运算，即可得到待测信号ψ。
[0045]
相位差固定，传播方向一致的瑞利散射光可以发生干涉效应，从而增强背向瑞利信号。 背向瑞利散射光干涉原理如图2所示，入射光脉冲向右箭头，向左箭头为背向瑞利散射光由， 入射端注入脉冲宽度为τ的窄线宽激光脉冲，沿着传感光纤传输，设在a点所发射的激光脉 冲光信号表达式为：
[0046][0047]
其中：er(t)为入射光振幅，f为光频率，φ0(t)为无扰动时的初相位。b点的背向rayleigh 散射信号可表示为：
[0048][0049]
其中e
rb
(t)为b点的背向rayleigh散射光振幅。当点c有扰动信号时，光信号会受扰动信 号的作用，其相位发生改变，c点的背向rayleigh散射信号可表示为:
[0050][0051]
其中e
rc
(t)为c点的背向rayleigh散射光振幅，φ1(t)为光纤受扰动信号影响后的光相位。 当c点的背向rayleigh散射光传播到b点并且与b点产生的背向rayleigh散射光相叠加， 传输到探测器时发生干涉，探测器接收的光信号表示为：
[0052][0053]
探测器接收的光强可表示为：
[0054][0055]
当外界振动信号作用于传感光纤时，会产生应力效应、弹光效应、泊松效应，分别导致 光纤的轴向长度l、折射率n、纤芯直径d发生变化，变化量分别为δl、δn、δd。最终 导致瑞利散射光的相位φ发生变化
[21]
，相位的变化量δφ可以表征为：
[0056][0057]
β为光在光纤中的传播常数，在公式(6)中第三项为纤芯直径变化所带来的相位变化，相 对于前两项太小，可忽略不计。最终光信号相位变化可表示为
[22]
：
[0058][0059]
p是振动信号造成的声压，e是杨氏模量，μ、s为泊松系数，只与声压p有关。因此，在 其他条件恒定的情况下，当振动信号作用于传感光纤时，相位变化量δφ正比于振动信号
造 成的声压p。因此，通过对相位信号变化量的分析可以提取到振动信号的特征。
[0060]
基于gis放电分布式光学检测抗干扰技术与放电类型模式识别技术，通过实物搭 建部分gis模型，将光纤布置在gis管道表面。其次，通过人为设置振动源的方式， 检验φ-otdr分布式光纤定位系统对振动信号的定位精度。最后，通过人为设置放电 点的方式检验φ-otdr分布式光纤定位系统对放电位置的定位精度，确保光纤传感技 术的故障检测系统能够实现对耐压试验中的放电位置进行准确定位。为了实现对耐压 过程中的故障精准定位，通过光纤的传感数据信息传送至云端平台后进行分析处理。 关键步骤有：数据采集：通过实时采集耐压过程中的光纤传感数据并传送至系统平台； 如框图所示，瑞利散射信号的叠加、φ-otdr检测定位计算，gis耐压试验放电可以 作为φ-otdr检测定位的建模建立判断数据库，φ-otdr检测定位计算时通过小波变 换降噪与时域差分定位振动点，通过实物搭建gis模型，将光纤布置在gis管道表面； 其次，通过人为设置振动源的方式，检验φ-otdr分布式光纤定位系统对振动信号的 定位精度；最后，通过人为设置放电点的方式检验φ-otdr分布式光纤定位系统对放 电位置的定位精度，确保光纤传感技术的故障检测系统能够实现对耐压试验中的放电 位置进行准确定位。gis耐压试验放电为了算法模型匹配的基础数据。
[0061]
数据筛选：系统根据预制的现场情况，剔除一些明显不正确的数据并经小波变换降噪。 算法模型匹配：通过获取到的数据与系统算法模型库进行匹配，分析得到异常的类型以及故 障发生的精准位置。可以参考沈隆翔等的“基于外差探测和全嵌入式架构的φ-otdr识别预 警系统”，通过结合模拟下变频技术,数字iq解调算法,图像处理的模式识别方法。时域有 限差分法的基本思想是用中心差商代替场量对时间和空间的一阶偏微商,通过在时域的递 推模拟波的传播过程,从而得出场分布。分布式光纤在场中分布，当外界产生温度振动等干 扰场的出现时位置被定位。
[0062]
通过光纤的传感数据信息传送至云端平台后进行分析处理。关键步骤有：数据采集：通 过实时采集耐压过程中的光纤传感数据并传送至系统平台。数据筛选：系统根据预制的现场 情况，剔除一些明显不正确的数据。算法模型匹配：通过获取到的数据与系统算法模型库进 行匹配，分析得到异常的类型以及故障发生的精准位置。
[0063]
综上所述，本发明指出的一种方法策略，在耐压测试的过程中，通过光纤传感技术、gis 放电分布式定位技术等技术可以有效从根本上精准定位到输压压过程中的故障异常位置以 及发出预警。
[0064]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书内 容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括 在本发明的保护范围内。