基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器及其在線測量方法
2023-08-05 21:34:26 4
基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器及其在線測量方法
【專利摘要】本發明公開的一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，包括中空的殼體，中空殼體內設置有監測裝置板，監測裝置板包括微控制器，微控制器上分別連接有雷射發射模塊、雷射接收模塊、通信模塊、數據存儲模塊、電源模塊和溫溼度採集模塊，溫溼度採集模塊伸出所述中空殼體外，本發明還公開了一種在線測量鹽密的方法，利用介質光波導中的廣場分布理論和光能損耗的機理，通過測量光傳感器的光功率衰減量、環境溫度、相對溼度等數據，利用已建立好的神經網絡模型推導出具有較高準確度的絕緣子等值鹽密，可以實時/定時、準確的在線監測輸電線路現場絕緣子的汙穢，對輸電線路的絕緣子汙穢進行全局診斷及監控，並提供預警信息。
【專利說明】基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器及其在線測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於輸電線路在線監測【技術領域】，具體涉及一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，本發明還涉及一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器的在線測量方法。
【背景技術】
[0002]輸電線路的絕緣子要求在大氣過電壓、內部過電壓和長期運行電壓下均能可靠運行。但沉積在絕緣子表面的固體、液體和氣體微粒與雨、露、冰、雪等惡劣氣象條件的同時作用，使絕緣子的電氣強度大大降低，從而導致輸電線路和變電站的絕緣子不僅可能在過電壓作用下發生閃絡，更頻繁的是在長期運行電壓下發生汙穢閃絡，造成停電事故。覆冰、鳥糞也可以認為是特殊的汙穢，其對絕緣子絕緣性能同樣影響很大。由於經濟發展，大氣環境惡化，空氣汙染加劇，汙閃事故有所增加，常常波及多條線路和多個變電站，造成大面積、長時間停電。全國六大電網幾乎都發生過大面積汙閃，造成了很大的經濟損失。因此，對於絕緣子汙穢的監測顯得尤為重要。
[0003]電力部門常用的絕緣子汙穢監測方法主要有洩露電流在線監測方法和等值鹽密在線監測方法。但這兩種方法都存在自己的缺點，洩露電流在線監測方法對運行環境要求很高，無法監測到實時準確的鹽密數據。等值鹽密在線監測方法必須是在線路斷電情況下將絕緣子拆下來離線試驗，此方法浪費人力財力，並且存在等價性問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器及其在線測量方法，解決了現有技術中存在的無法實時、在線、準確監測輸電線路汙穢度的問題。
[0005]本發明的另一目的是提供一種在線測量鹽密的方法。
[0006]本發明米用的第一技術方案是:一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，包括中空的殼體，殼體的底部設置有底板，殼體的頂端設置有頂板，頂板上設置有頂蓋，頂板的下表面設置有固定柱，固定柱連接有光纖玻璃環，光纖玻璃環的兩端分別連接有發射端固定柱和接收端固定柱，發射端固定柱和接收端固定柱上分別連接有發射端固定後蓋和接收端固定後蓋，中空殼體內設置有監測裝置板，監測裝置板分別與發射端固定後蓋和接收端固定後蓋相連接。
[0007]本發明的特點還在於，
[0008]監測裝置板包括微控制器，微控制器上分別連接有雷射發射模塊、雷射接收模塊、通信模塊、數據存儲模塊、電源模塊和溫溼度採集模塊，溫溼度採集模塊伸出中空殼體外。
[0009]雷射發射模塊通過導線與發射端固定後蓋相連接，雷射接收模塊通過導線與接收端固定後蓋相連接。
[0010]光纖玻璃環為開口環狀。
[0011]固定柱的下端設置有固定孔，光纖玻璃環穿過固定孔連接到固定柱上。
[0012]本發明採用的第二技術方案是:一種在線測量鹽密的方法，採用一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，包括中空的殼體，殼體的底部設置有底板，殼體的頂端設置有頂板，頂板上設置有頂蓋，所述頂板的下表面設置有固定柱，固定柱連接有光纖玻璃環，光纖玻璃環的兩端分別連接有發射端固定柱和接收端固定柱，發射端固定柱和接收端固定柱上分別連接有發射端固定後蓋和接收端固定後蓋，中空殼體內設置有監測裝置板，監測裝置板分別與發射端固定後蓋和接收端固定後蓋相連接；監測裝置板包括微控制器，微控制器上分別連接有雷射發射模塊、雷射接收模塊、通信模塊、數據存儲模塊、電源模塊和溫溼度採集模塊，溫溼度採集模塊伸出所述中空殼體外；雷射發射模塊通過導線與發射端固定後蓋相連接，雷射接收模塊通過導線與接收端固定後蓋相連接；光纖玻璃環為開口環狀；微控制器採用MSP430單片機；固定柱的下端設置有固定孔，光纖玻璃環穿過固定孔連接到固定柱上；具體按照以下步驟實施:
[0013]步驟1、通信模塊採集指令傳給微控制器，其中的採集指令包括初始的光功率衰減量φ、環境溫度T和相對溼度數據H ；
[0014]步驟2、採集光功率衰減量Φ、環境溫度T和相對溼度數據H ；
[0015]步驟3、建立關於光功率衰減量Φ、相對溼度H的神經網絡模型，計算出等值鹽密值。
[0016]本發明的特點還在於:
[0017]所述採集光功率衰減量Φ、環境溫度T和相對溼度數據H，具體按照以下步驟實施:
[0018]步驟2.1、微控制器將步驟I中採集到的指令發送給溫溼度採集模塊，溫溼度採集模塊採集環境溫度T和相對溼度數據H ；
[0019]步驟2.2、微控制器將步驟I中採集到的指令發送給雷射發射模塊與雷射接收模塊；雷射發射模塊接收到指令後，發射光束，其光強為Pi,雷射接收模塊接收到指令後，接收光束，其光強為P。；光功率衰減量:
[0020]CD=P1-Po0
[0021]建立關於光功率衰減量Φ、相對溼度H的神經網絡模型，計算出等值鹽密值；具體按照以下步驟實施:
[0022]步驟3.1、建立關於光功率衰減量Φ、相對溼度的神經網絡模型，其中，輸入神經元數目為4，分別為採集數據中最大相對溼度HA、最小相對溼度HB、及最大光功率衰減量ΦA和最小光功率衰減量ΦΒ ;隱含層設為2層，每層神經元數目為4 ;輸出神經元數目為1，即等值鹽密值ESDD ；
[0023]步驟3.2、基於matlab平臺用鹽密實驗測量的光功率衰減量Φ和相對溼度H數據來訓練神經網絡；相關參數設置如下:輸入層設置參數為tansig，隱含層設置參數為logsig,輸出層設置參數為purelin,網絡訓練方式為traingdm ;訓練神經網絡模型用到的實際輸入為鹽密實驗測量得到的光功率衰減量Φ和相對溼度數據H，用到的期望輸出為鹽密實驗測量得到的等值鹽密值ESDDl ;基於此訓練神經網絡得到一個2*4維矩陣，利用步驟2中採集得到的光功率衰減量Φ、相對溼度數據H，通過該矩陣計算出等值鹽密值ESDD2。
[0024]鹽密實驗參照GB/T4585-2004交流系統用高壓絕緣子的人工汙穢試驗的規定。
[0025]本發明的有益效果是:
[0026]基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，利用介質光波導中的廣場分布理論和光能損耗的機理，置於大氣中的低損耗石英棒是一個以棒為芯、大氣為包層的多模介質光波導。在石英棒上無汙染時，由光波導中的基模和高次模共同傳輸光的能量，其中絕大部分光能在光波導的芯中傳輸，但有少部分光能將沿芯包界面的包層傳輸，光波傳輸過程中光的損耗很小。當石英玻璃棒上有汙染時，汙染物改變了高次模及基模的傳輸條件，同時，汙染粒子對光能的吸收和散射等產生光能損耗，通過檢測光能參數能計算出傳感器表面鹽份多少，從而得出輸電線路現場絕緣子汙穢度。
[0027]通過測量傳感器的光功率衰減量、環境溫度、相對溼度等數據，利用已建立好的神經網絡模型推導出具有較高準確度的絕緣子等值鹽密，可以實時/定時、準確的在線監測輸電線路現場絕緣子的汙穢。
[0028](I)對運行環境要求低，不受電磁幹擾，穩定性好，可以得到具有較高準確度的絕緣子等值鹽密值；
[0029](2)光源採用主動控溫技術，避免模式跳變，並保證波長的穩定性；配裝非球面玻璃透鏡，使輸出光束準直性好；
[0030](3)可以實時/定時、在線監測輸電線路現場絕緣子的汙穢，無需在斷電情況下將絕緣子拆下來進行離線試驗；
[0031](4)通過測量光傳感器的光功率衰減量、環境溫度、相對溼度等數據，利用已建立好的神經網絡模型推導出具有較高準確度的絕緣子等值鹽密。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1是本發明型基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器的硬體框圖；
[0033]圖2是本發明型基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器的結構示意圖；
[0034]圖3是本發明型基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器的神經網絡模型示意圖；
[0035]圖中，1.底板,2.支撐架,3.頂板,4.頂蓋,5.頂板,6.光纖玻璃環,7.發射端固定柱，8.發射端固定後蓋,9.接收端固定柱,10.接收端固定後蓋,11.光纖玻璃環，12.溫溼度採集模塊，13.微控制器，14.雷射發射模塊，15.雷射接收模塊，16.通信模塊，17.數據存儲模塊，18.電源模塊。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0037]本發明提供一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，如圖1所示，包括中空的殼體2，殼體2的底部設置有底板I，殼體2的頂端設置有頂板3，頂板3上設置有頂蓋4，頂板3的下表面設置有固定柱11，固定柱11連接有光纖玻璃環6，光纖玻璃環6的兩端分別連接有發射端固定柱7和接收端固定柱9，發射端固定柱7和接收端固定柱9上分別連接有發射端固定後蓋8和接收端固定後蓋10，中空殼體2內設置有監測裝置板，監測裝置板分別與發射端固定後蓋8和接收端固定後蓋10相連接。
[0038]如圖2所示，監測裝置板包括微控制器13，微控制器13上分別連接有雷射發射模塊14、雷射接收模塊15、通信模塊16、數據存儲模塊17、電源模塊18和溫溼度採集模塊12 ；雷射發射模塊14通過導線與發射端固定後蓋8相連接，雷射接收模塊15通過導線與接收端固定後蓋10相連接；光纖玻璃環6為開口環狀。微控制器13採用MSP430單片機。固定柱11的下端設置有固定孔5，光纖玻璃環6穿過固定孔5連接到固定柱11上。
[0039]其中，微控制器13採用MSP430單片機，用於控制雷射的發射和接收，測量光衰減量、環境溫度、相對溼度等數據並進行存儲；此外，該模塊還控制通信模塊的工作方式與工作狀態等。光纖玻璃環6採用高性能特製石英作為光纖傳感器，感受與瓷質絕緣子相似的汙穢狀態，其在形狀上，採用開口環形，可以增加單位長度的全反射次數。為雷射發射模塊14、雷射接收模塊15及通信模塊16供電的電壓為5V ;為微控制器13、溫溼度採集模塊12及數據存儲模塊17供電的電壓為3.3V。
[0040]本發明還提供一種在線測量鹽密的方法，採用一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，包括中空的殼體2，殼體2的底部設置有底板1，殼體2的頂端設置有頂板3，頂板3上設置有頂蓋4，頂板3的下表面設置有固定柱11，固定柱11連接有光纖玻璃環6，光纖玻璃環6的兩端分別連接有發射端固定柱7和接收端固定柱9，發射端固定柱7和接收端固定柱9上分別連接有發射端固定後蓋8和接收端固定後蓋10，中空殼體2內設置有監測裝置板，監測裝置板分別與發射端固定後蓋8和接收端固定後蓋10相連接，監測裝置板包括微控制器13，微控制器13上分別連接有雷射發射模塊14、雷射接收模塊15、通信模塊16、數據存儲模塊17、電源模塊18和溫溼度採集模塊12，雷射發射模塊14通過導線與發射端固定後蓋8相連接，雷射接收模塊15通過導線與接收端固定後蓋10相連接，光纖玻璃環6為開口環狀，微控制器13採用MSP430單片機，具體按照以下步驟實施:
[0041]步驟1、通信模塊16採集指令傳給微控制器13，其中的採集指令包括光功率衰減量φ、環境溫度T和相對溼度數據H ；
[0042]步驟2、採集光功率衰減量Φ、環境溫度T和相對溼度數據H ；
[0043]步驟2.1、微控制器13將步驟I中採集到的指令發送給溫溼度採集模塊12，溫溼度傳感器12採集環境溫度T和相對溼度數據H ；
[0044]步驟2.2、微控制器13將步驟I中採集到的指令發送給雷射發射模塊14與雷射接收模塊15 ;雷射發射模塊14接收到指令後，發射光束，其光強為Pi,雷射接收模塊15接收到指令後，接收光束，其光強為P。；光功率衰減量:
[0045]Φ =P1-P。
[0046]步驟3、建立關於光功率衰減量Φ、相對溼度H的神經網絡模型，計算出等值鹽密值；具體按照以下步驟實施:
[0047]步驟3.1、建立關於光功率衰減量Φ、相對溼度的神經網絡模型，其中，輸入神經元數目為4，分別為採集數據中最大相對溼度HA、最小相對溼度HB、及最大光功率衰減量ΦA和最小光功率衰減量ΦΒ ;隱含層設為2層，每層神經元數目為4 ;輸出神經元數目為1，即等值鹽密值ESDD ；
[0048]步驟3.2、基於matlab平臺用鹽密實驗測量的光功率衰減量Φ和相對溼度H數據來訓練神經網絡；相關參數設置如下:輸入層設置參數為tansig，隱含層設置參數為logsig,輸出層設置參數為purelin,網絡訓練方式為traingdm ;訓練神經網絡模型用到的實際輸入為鹽密實驗測量得到的光功率衰減量Φ和相對溼度數據H，用到的期望輸出為鹽密實驗測量得到的等值鹽密值ESDDl ;基於此訓練神經網絡得到一個2*4維矩陣，利用步驟2中採集得到的光功率衰減量Φ、相對溼度數據H，通過該矩陣計算出等值鹽密值ESDD2 ;其中，鹽密實驗是參照GB/T4585-2004交流系統用高壓絕緣子的人工汙穢試驗規定的方法。[0049]實施例
[0050]要完成輸電線路等值鹽密ESDD2的在線測量，首先要在鹽密實驗條件下，測量基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器的光功率衰減量Φ、相對溼度H、環境溫度T及其等值鹽密值ESDD1，並測量從現場取下來的絕緣子的等值鹽密值ESDD2，得到ESDDl與ESDD2的關係表，如表1所示。接著，利用光功率衰減量Φ、相對溼度H、環境溫度T及其等值鹽密值ESDDl訓練神經網絡，可以得到一個2*4維矩陣，該矩陣可表徵神經網絡模型。最後，將該矩陣及ESDDl與ESDD2關係表嵌入到微控制器內，傳感器便可以在線測量等值鹽密值ESDD2。
[0051]參照GB/T4585-2004，對XWP-70型絕緣子進行噴汙實驗並測量鹽密，共12片分四組進行，分別採用四種濃度不同的鹽溶液。對第一組絕緣子採用「噴汙法」染汙，對基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器採用「澆染法」染汙，待充分乾燥後，用一定量的蒸餾水清洗第一組絕緣子，測量其等值鹽密值ESDD2並記錄染汙後的傳感器的等值鹽密值ESDDl。依次將該組的其他絕緣子清洗，並最終求出鹽密平均值，然後清洗絕緣子與傳感器，乾燥後再對剩餘三組絕緣子和本傳感器進行染汙及測量。
[0052]表1鹽密實驗時所測數據
[0053]
【權利要求】
1.一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特徵在於，包括中空的殼體(2)，所述殼體(2)的底部設置有底板(I)，所述殼體(2)的頂端設置有頂板(3)，所述頂板(3)上設置有頂蓋(4)，所述頂板(3)的下表面設置有固定柱(11)，所述固定柱(11)連接有光纖玻璃環(6)，光纖玻璃環(6)的兩端分別連接有發射端固定柱(7)和接收端固定柱(9)，所述發射端固定柱(7)和接收端固定柱(9)上分別連接有發射端固定後蓋(8)和接收端固定後蓋(10)，所述中空殼體(2)內設置有監測裝置板，監測裝置板分別與發射端固定後蓋(8)和接收端固定後蓋(10)相連接。
2.根據權利要求1所述的基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特徵在於，所述的監測裝置板包括微控制器(13)，微控制器(13)上分別連接有雷射發射模塊(14)、雷射接收模塊(15 )、通信模塊(16 )、數據存儲模塊(17 )、電源模塊(18 )和溫溼度採集模塊(12 )，所述溫溼度採集模塊(12)伸出所述中空殼體(2)外。
3.根據權利要求2所述的基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特徵在於，所述的雷射發射模塊(14)通過導線與發射端固定後蓋(8)相連接，所述雷射接收模塊(15)通過導線與接收端固定後蓋(10)相連接。
4.根據權利要求2所述的基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特徵在於，所述的光纖玻璃環(6)為開口環狀。
5.根據權利要求2所述的基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特徵在於，所述微控制器(13)採用MSP430單片機。
6.根據權利要求1所述的基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特徵在於，所述固定柱(11)的下端設置有固定孔(5)，所述光纖玻璃環(6)穿過固定孔(5)連接到固定柱(11)上。
7.—種在線測量鹽密的方法，其特徵在於，採用一種基於光波的輸電線路等值鹽密傳感器，包括中空的殼體(2)，所述殼體(2)的底部設置有底板(1)，所述殼體(2)的頂端設置有頂板(3)，所述頂板(3)上設置有頂蓋(4)，所述頂板(3)的下表面設置有固定柱(11)，所述固定柱(11)連接有光纖玻璃環(6 )，光纖玻璃環(6 )的兩端分別連接有發射端固定柱(7 )和接收端固定柱(9)，所述發射端固定柱(7)和接收端固定柱(9)上分別連接有發射端固定後蓋(8)和接收端固定後蓋(10)，所述中空殼體(2)內設置有監測裝置板，監測裝置板分別與發射端固定後蓋(8)和接收端固定後蓋(10)相連接；監測裝置板包括微控制器(13)，微控制器(13)上分別連接有雷射發射模塊(14)、雷射接收模塊(15)、通信模塊(16)、數據存儲模塊(17)、電源模塊(18)和溫溼度採集模塊(12)，所述溫溼度採集模塊(12)伸出所述中空殼體(2)外；所述的雷射發射模塊(14)通過導線與發射端固定後蓋(8)相連接，所述雷射接收模塊(15)通過導線與接收端固定後蓋(10)相連接；所述的光纖玻璃環(6)為開口環狀；微控制器(13)採用MSP430單片機；所述固定柱(11)的下端設置有固定孔(5)，所述光纖玻璃環(6)穿過固定孔(5)連接到固定柱(11)上；具體按照以下步驟實施: 步驟1、通信模塊(16)採集指令傳給微控制器(13)，其中的採集指令包括初始的光功率衰減量Φ、環境溫度T和相對溼度數據H ； 步驟2、採集光功率衰減量Φ、環境溫度T和相對溼度數據H ； 步驟3、建立關於光功率衰減量Φ、相對溼度H的神經網絡模型，計算出等值鹽密值。
8.根據權利要求7所述的在線測量鹽密的方法，其特徵在於，所述採集光功率衰減量φ、環境溫度T和相對溼度數據H，具體按照以下步驟實施: 步驟2.1、微控制器(13)將步驟I中採集到的指令發送給溫溼度採集模塊(12)，溫溼度採集模塊(12)採集環境溫度T和相對溼度數據H ；
步驟2.2、微控制器(13)將步驟I中採集到的指令發送給雷射發射模塊(14)與雷射接收模塊(15);雷射發射模塊(14)接收到指令後，發射光束，其光強為Pi,雷射接收模塊(15)接收到指令後，接收光束，其光強為P。；光功率衰減量:φ=--—P。。
9.根據權利要求7所述的在線測量鹽密的方法，其特徵在於，所述建立關於光功率衰減量Φ、相對溼度H的神經網絡模型，計算出等值鹽密值；具體按照以下步驟實施: 步驟3.1、建立關於光功率衰減量Φ、相對溼度的神經網絡模型，其中，輸入神經元數目為4，分別為採集數據中最大相對溼度ΗΑ、最小相對溼度ΗΒ、及最大光功率衰減量ΦΑ和最小光功率衰減量ΦΒ ;隱含層設為2層，每層神經元數目為4 ;輸出神經元數目為1，即等值鹽密值ESDD ； 步驟3.2、基於matlab平臺用鹽密實驗測量的光功率衰減量Φ和相對溼度H數據來訓練神經網絡；相關參數設置如下:輸入層設置參數為tansig，隱含層設置參數為logsig，輸出層設置參數為purelin，網絡訓練方式為traingdm ;訓練神經網絡模型用到的實際輸入為鹽密實驗測量得到的光功率衰減量Φ和相對溼度數據H，用到的期望輸出為鹽密實驗測量得到的等值鹽密值ESDDl ;基於此訓練神經網絡得到一個2*4維矩陣，利用步驟2中採集得到的光功率衰減量Φ、相對溼度數據H，通過該矩陣計算出等值鹽密值ESDD2。
10.根據權利要求9所述的在線測量鹽密的方法，其特徵在於，所述鹽密實驗參照GB/T4585-2004交流系統用高壓絕緣子的人工汙穢試驗的規定。
【文檔編號】G01N9/00GK103743648SQ201310704572
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年12月19日
【發明者】黃新波, 王玉鑫, 林淑凡, 趙偉強 申請人:西安工程大學