[发明专利]基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置及方法

权利要求书

1.一种基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置，包括布里渊光时域反射仪(BOTDR)、分布式光纤传感器、导线载流量监测系统、计算机及信息处理单元，所述的分布式光纤传感器为光纤复合架空地线OPGW内的一根传感光纤，其特征在于：BOTDR安装在高压输电线路输变电站内，OPGW内部传感光纤通过变电站内的光纤接口接入BOTDR，导线载流量监测系统和BOTDR分别与计算机及信息处理单元相连。

2.根据权利要求1所述的基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置，其特征在于：所述的光纤复合架空地线内的一根传感光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1或2所述的基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置，其特征在于：所述的导线载流量监测系统和BOTDR通过USB接口与计算机及数据处理单元连接，计算机及数据处理单元接收BOTDR发送的分布式光纤传感器上各空间位置上的温度与应变信息以及导线载流量监测系统发送的导线动态载流量信息；并完成存储、管理、计算及信息显示，通过现有相应算法计算出输电线路导线的分布式温度。

4.利用权利要求3所述的基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置的方法，其特征在于按以下步骤进行：步骤一、根据OPGW的瞬态热平衡方程计算输电线路上各空间点的对流散热系数h(t)；步骤二、根据输电线路OPGW和导线任意相对应空间点的日照辐射功率具有稳定线性关系的条件，建立OPGW和导线的稳态热平衡关系式；步骤三、引入导线的动态载流量信息，并采用牛顿迭代法求解得到输电导线的温度分布。

5.根据权利要求4所述的基于BOTDR的输电线路导线温度分布式监测装置的方法，其特征在于按以下步骤进行：步骤一、利用BOTDR监测得到OPGW的温度分布T_OPGW，建立导线和OPGW任意一空间相对应点的稳态热平衡方程(1)式和(2)式；步骤二、根据公式(7)的性质，将(1)式乘以D_D/D_O后与(2)式相减获得公式(8)；步骤三、鉴于公式(8)中包含两个未知数：导线温度T_D和导地线的对流散热系数h(t)，采用同一探测点的多个相邻时间测量得到的数据来求得缆线的对流散热系数h(t)；步骤四、计算出导地线的对流散热系数后，方程只存在一个未知变量，带入材料和输电线路参数，并引入输电线路导线动态载流量数据，采用牛顿迭代法求解得到导线的温度分布；步骤五、鉴于以上求解均只在一个空间探测点进行，只需要对输电线路上每一个空间探测点进行步骤三、步骤四就能实现输电线路导线分布式温度的监测；

在输电线路上同一空间位置的OPGW和导线的稳态热平衡方程描述如下：

OPGW：Q_so Q_ro Q_co＝0  (1)

导线：I²R(T_D)+Q_sD Q_rD Q_cD＝0  (2)

公式(1)和(2)中Q_so、Q_sD分别为OPGW和导线吸收的日照辐射功率，此两个量均是未知量；I为导线的载流量，为已知量；R(T_D)为导线的单位长度电阻，其大小与导线的温度相关；Q_ro和Q_rD分别为OPGW和导线的热辐射散热功率，Q_co和Q_cD分别为OPGW和导线的对流散热功率，它们的表达式如下：

Q_rD＝D_D[(T_D+273)⁴(T₀+273)4](4)

Q_co＝h(t)D_O(T_OPGW T₀)  (5)

Q_cD＝h(t)D_D(T_D T₀)  (6)

式中h(t)为对流散热系数，并认为导线和OPGW有相同的表面材料特性，所以认为导线和OPGW在对流散热系数上相同；公式中T_OPGW为OPGW内传感光纤温度，T_D为导线温度，T₀为环境温度，D_O和D_D分别为OPGW和导线的直径，为材料的表面辐射系数，斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为5.6710⁸W/m²；

由于OPGW和导线所在空间位置相同，所以它们的自然环境也一致，OPGW表面和导线表面受到的日照情况一致，所以OPGW与导线的日照辐射功率有以下关系：

Qso=DODDQsD---(7)]]>

将(1)式乘以D_D/D_O后与(2)式相减获得以下等式：

I²R(T_D)＝D_D[(T_D+273)⁴(T_OPGW+273)⁴]+h(t)D_D(T_D T_OPGW)  (8)

式中有两个未知变量T_D和h(t)，采用同一探测点的多个相邻时间测量得到的数据来求得缆线的对流散热系数h(t)；因此，式(8)中只存在导线温度T_D为未知变量，所以对导线温度进行求解，采用牛顿迭代方法进行求解：

令：

(9)

则：n为迭代次数(10)

通过(9)式、(10)式计算得到导线的分布式温度。