一种基于波数域分析的OPGW光缆振动区域识别方法及系统与流程

一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法及系统
技术领域
1.本发明涉及光缆振动区域识别技术领域，具体涉及一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法及系统。


背景技术：

2.光纤复合架空地线-opgw光缆作为电力系统的地线与信息传输媒介发挥着重要的作用。我国opgw光缆自2000年左右开始大规模的建设，早期架设的光缆运行年限接近20年，光缆的故障率逐年攀升，严重威胁电网系统的稳定运行。opgw承受着静态应变和动态应变的综合作用，影响光缆的疲劳寿命，降低线路运行的安全性。opgw光缆静态应变主要包括张拉应变，线股绞制后的残余应变，opgw光缆弯曲所产生的弯曲应变等。动态应变由opgw光缆的振动所引起，对光缆的危害远大于静态应变，是opgw光缆断纤、断股甚至断线的根本原因。
3.opgw光缆在风的作用下可引起微风振动或舞动，舞动是架空输电线在强风时产生的低阶固有频率的自激振动，振动的幅值大、频率低，舞动通常较少发生，然而一旦发生持续时间长，会引起金具的严重磨损、断裂、脱落，架空线出现断股、脱落，线路跳闸等，严重威胁线路的安全。掌握架空线的易发生舞动的区域、准确测量舞动的半波长，就可以针对舞动的区段加装防舞装置，降低安全隐患，线路的舞动波长以及频率的准确获取为线路的安全维护提供了重要参考依据。目前相位光时域敏感计已被用于opgw光缆线路的动态频率监测中，用来监测光缆振动。初期的振动并不会对线路造成较大的危害，光缆的疲劳极限与振动次数相关，长时间的振动累计会造成光缆在波腹处产生较大形变，这是由于光缆在长时间舞动状态下，光缆所受的应力超过了弹性极限，进入塑性变形而产生塑性伸长，由振动引起的光缆形变是历史状态累积的结果。通过只能反映当前状态的振动现象，无法给出振动对光缆产生的影响。
4.综上，上述现有的opgw光缆振动测量技术只能测定瞬时振动状态，无法反映由于长时间振动引起的光缆疲劳应力，无法准确预估振动隐患区域。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法及系统，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。
6.根据本发明的一方面，提供一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法，该方法包括以下步骤：
7.步骤一、获取待测opgw光缆纤芯的应变曲线；
8.步骤二、将所述应变曲线按照档距进行划分，将划分后的每档光缆对应的应变信号进行波数域傅里叶变换；
9.步骤三、利用寻峰算法对所述波数域傅里叶变换的结果求取极大值，即获取应变信号波数；若存在一个或多个应变信号波数，则确定该档光缆受振动影响。
10.进一步地，步骤一的具体步骤包括：
11.步骤一一、利用botdr或botda测量待测opgw光缆纤芯的布里渊频移数据；
12.步骤一二、根据待测opgw光缆纤芯布里渊频移数据中的阶跃点差异识别待测opgw光缆纤芯的光纤接续点，结合杆塔明细表定位接续杆塔，并划分耐张段；
13.步骤一三、以每个耐张段为计算单元，按照以下公式计算待测opgw光缆纤芯各点应变值，多点应变值形成应变曲线：
[0014][0015]
式中，strainj表示第j个点的应变值；bfsj表示第j个点的布里渊频移值；bfs
ref
表示引下线处多点布里渊频移的平均值；表示布里渊频移的应变系数。
[0016]
进一步地，步骤二中按照下述公式进行波数域傅里叶变换：
[0017][0018]
式中，y(x)表示空间域应变信号；y(k)表示波数域应变信号；k表示应变信号波数。
[0019]
进一步地，还包括步骤四、根据应变信号波数计算获得振动波长；根据振动波长计算获得防振锤安装的位置。
[0020]
进一步地，按照下述公式计算获得振动波长λ：
[0021]
λ＝2k。
[0022]
进一步地，若存在多个应变信号波数，则计算获得多个振动波长，则按照以下公式计算防振锤安装的位置：
[0023][0024]
式中，λ
min
和λ
max
分别表示振动波长最小值和振动波长最大值。
[0025]
根据本发明的另一方面，提供一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别系统，该系统包括：
[0026]
应变曲线获取模块，其配置成获取待测opgw光缆纤芯的应变曲线；
[0027]
波数域变换模块，其配置成将所述应变曲线按照档距进行划分，将划分后的每档光缆对应的应变信号进行波数域傅里叶变换；
[0028]
振动区域识别模块，其配置成利用寻峰算法对所述波数域傅里叶变换的结果求取极大值，即获取应变信号波数；若存在一个或多个应变信号波数，则确定该档光缆受振动影响。
[0029]
进一步地，所述应变曲线获取模块中获取待测opgw光缆纤芯应变曲线的具体步骤包括：
[0030]
步骤一一、利用botdr或botda测量待测opgw光缆纤芯的布里渊频移数据；
[0031]
步骤一二、根据待测opgw光缆纤芯布里渊频移数据中的阶跃点差异识别待测opgw光缆纤芯的光纤接续点，结合杆塔明细表定位接续杆塔，并划分耐张段；
[0032]
步骤一三、以每个耐张段为计算单元，按照以下公式计算待测opgw光缆纤芯各点应变值，多点应变值形成应变曲线：
[0033][0034]
式中，strainj表示第j个点的应变值；bfsj表示第j个点的布里渊频移值；bfs
ref
表示引下线处多点布里渊频移的平均值；表示布里渊频移的应变系数。
[0035]
进一步地，所述波数域变换模块中按照下述公式进行波数域傅里叶变换：
[0036][0037]
式中，y(x)表示空间域应变信号；y(k)表示波数域应变信号；k表示应变信号波数。
[0038]
进一步地，所述系统还包括防振安装位置计算模块，其配置成根据应变信号波数计算获得振动波长，并根据振动波长计算获得防振锤安装的位置。
[0039]
根据本发明的opgw光缆振动区域识别方法及系统，能够实现以下有益效果中的至少一种：
[0040]
(1)利用分布式布里渊光纤应变监测仪进行振动区域的识别仅需一次静态测量即可发现隐患振动区域，由于光缆中光纤余长的存在，当光缆中已出现由于振动引起的永久性应变时说明线路已遭受长久的振动影响，测量由于振动引起的应变量大小，是一种简便直观反映振动影响的手段，可以评判线路的振动疲劳损伤情况，为线路的安全状况提供参考，便于隐患的早发现早消除，操作简便。
[0041]
(2)利用分布式布里渊光纤应变监测仪进行振动区域的识别方法仅需在站端点的一次测量即可判断由振动引起的安全隐患，无需在线路中施加额外的传感器，布设方便。
[0042]
(3)利用分布式布里渊光纤应变监测仪进行振动区域及波长的识别方法根据计算得出波长，以此设计防振方案，加装防振线夹或者护线条、阻尼线、防振锤等，防止和减轻架空线振动的影响。由于防振锤安装的位置最好在波腹点附近，这样在振动时重锤的上下位移最大，重锤的惯性使光缆的弯曲度增大，能最大限度的消耗振动的能力。
附图说明
[0043]
图1示出了根据本发明一个实施例的基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法的流程图；
[0044]
图2示出了根据本发明一个实施例的opgw光缆驻波示意图；
[0045]
图3示出了根据本发明一个实施例的利用分布式布里渊光纤应变监测仪测量opgw光缆纤芯应变的现场实际测试结果及杆塔对应结果示意图；
[0046]
图4示出了根据本发明一个实施例的利用分布式布里渊光纤应变监测仪和波数域分析方法获得图3中所示166#-165#杆塔之间的应变曲线波数值的结果示意图；
[0047]
图5示出了根据本发明一个实施例的图3中所示165#-164#杆塔之间应变曲线波数域fft结果图；
[0048]
图6示出了根据本发明一个实施例的图3中所示168#-167#杆塔之间应变曲线波数域fft结果图；
[0049]
图7示出了根据本发明一个实施例的图3中所示167#-166#杆塔之间应变曲线波数域fft结果图；
[0050]
图8示出了根据本发明一个实施例的利用分布式布里渊光纤应变监测仪识别的一个易振区的应变图。
[0051]
图9示出了根据本发明一个实施例的利用波数域fft及寻峰算法获得图8中应变曲线波数值的结果图，其中极值点为获得的一组波数值kn。
具体实施方式
[0052]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0053]
本发明提供一种基于分布式布里渊光纤应变监测仪(即布里渊光时域反射仪-botdr或布里渊光时域分析仪-botda)与波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法，由于光缆自振而产生的应变能反映长期振动引起光缆的形变，该方法可以识别光缆因长时间遭受振动而导致内部纤芯应变异常的易振隐患区域，并利用光缆的应变曲线通过波数域分析获得光缆振动的多阶波长，为评估光缆安全状况提供有力参考，通过振动波长的准确求解指导线路的振动防治。
[0054]
根据本发明的一个实施例，如图1所示，opgw光缆振动区域识别方法包括如下步骤：
[0055]
步骤一、获取待测opgw光缆纤芯的应变曲线；
[0056]
步骤二、将所述应变曲线按照档距进行划分，将划分后的每档光缆对应的应变信号进行波数域傅里叶变换；
[0057]
步骤三、利用寻峰算法对所述波数域傅里叶变换的结果求取极大值，即获取应变信号波数；若存在一个或多个应变信号波数，则确定该档光缆受振动影响。
[0058]
在步骤一中，利用分布式布里渊光纤应变监测仪获取待测opgw光缆纤芯的布里渊频移数据；根据待测opgw光缆纤芯布里渊频移数据中的阶跃点差异识别光纤接续点，结合杆塔明细表定位接续杆塔，并划分耐张段；以每个耐张段为计算单元，按照以下公式计算待测opgw光缆纤芯各点应变值，多点应变值形成应变曲线：
[0059][0060]
式中，strainj表示第j个点的应变值；bfsj表示第j个点的布里渊频移值；bfs
ref
表示引下线处多点的布里渊频移值的平均值；表示布里渊频移的应变系数。
[0061]
由于布里渊频移同时受温度和应变的影响，所以可以根据一根空余纤芯的布里渊频移数据利用公式计算光缆纤芯的连续应变曲线，每个耐张段为一个计算单元，分别计算应变。由于引下线处光纤不受应变，且耐张段内光缆温度差异较小，选取引下线处多个点的布里渊频移求平均值bfs
ref
，将引下线处布里渊频移平均值作为参考布里渊频移，当作零应变参考点，默认其只受温度影响，对耐张段内光缆进行温度补偿。进一步地，零应变参考点也可以选择耐张段内平坦区域的布里渊频移值。
[0062]
需要说明的是，本发明的用于opgw光缆振动区域识别方法在分布式布里渊光纤应变监测仪中执行，监测设备可以是布里渊光时域分析仪(botda)或布里渊光时域反射仪(botdr)等，也可以是用于opgw光缆纤芯应变测量的其它终端设备，但不限于此。
[0063]
在步骤二中，基于获得的应变曲线，寻找含有周期性形变的应变区域，识别为振动
区域。并可进一步根据接续杆塔定位结果给出异常区域杆塔编号。图2示出了根据本发明一个实施例的opgw光缆驻波示意图，其中l为档距，α为振动角，a点为波节点，驻波的波长为λ，b、c点均为波腹点，对应于应变曲线的应变极大值处。
[0064]
对应变曲线按照每个档距划分处理单元，各个档距的范围利用光纤长度表征，如图3所示的某个耐张段，将应变曲线按照各档的光纤长度进行划分；将划分好的处理单元，即各个档距的应变信号进行波数域傅里叶变换(fft)。
[0065]
opgw光缆产生稳定的振动时，振动波在整个档距呈驻波形式，opgw光缆离开平衡位置的位移大小在档距和时间上都可近似视为按正弦规律变化，波峰(波腹)和节点的位置不变，opgw光缆上线夹出口附近任一点x处的振动方程如下：
[0066][0067]
其中，y0为最大振幅，λn为振动波波长，fn为opgw的固有频率，其值为为opgw的固有频率，其值为表示振动波波长，l为档距，t0为opgw光缆的水平张力，m为opgw的单位长度质量。导线的固有频率只与n、l、t0、m有关，是由系统所决定的，对于不同的n，有不同的频率fn，固有频率不是一个值，而是一组值。
[0068]
对于某一特定时刻t0，有振动波沿档距呈正弦的驻波分布，波节点、波腹的位置不变，其振幅为y
t
＝y0sinωnt0。opgw光缆各点以振幅作简谐振动，在时，y
x
＝0，即节点位置，振幅一直为0，当时，振幅达到最大，即波腹位置。
[0069]
光缆所受的反复循环的应力作用低于其极限强度水平，在经过一定次数循环后，结构会出现裂纹或断裂。光缆循环受到局部力的作用，从而造成了永久性的损耗，即结构的疲劳破坏。光缆由于长时间在固有频率下振动引起塑性伸长导致内部纤芯余长耗尽并产生应变，在波腹处应变最大，根据应变曲线波腹点位置可以识别振动的半波长。
[0070]
botdr获得的应变信号具有空间位置信息，设空间域的应变信号为y(x)，将上述应变曲线按档距划分，对它在空间方向上作傅氏变换，实现信号从空间域到波数域的转换。
[0071][0072]
式中，k为应变信号波数，应变的波数值是光缆驻波波数值的两倍，光缆振动曲线的驻波波数为k
′
＝k2，其中k
′
＝1λ，λ为驻波波长。
[0073]
在步骤三中，利用寻峰算法对每个波数域傅里叶变换的结果求极大值，即获取应变信号波数；判断其是否存在极大值，如果存在极大值则认定该档距含有周期应变，判定该档光缆受振动影响。
[0074]
进一步地，还包括步骤四、根据应变信号波数计算获得振动波长，振动波长的大小为λ＝1k
′
＝2k，一个档距内，振动的驻波波长可能不只一个值，是一组值，记为λn。根据振动
波长计算获得防振锤安装的位置：根据计算得到波长值λn，取最大和最小波长值进行光缆防振改造，防振锤安装的最优位置为“波峰”点处，“波峰”点处上、下甩动幅度值较大，能起到消耗最大振动能量的作用。由于架空线振动时的波长随风速和应力大小变化，在振动风速范围内，波长在最大值和最小值之间变化，因此，防振锤应安装在最大和最小波节一个半波长的重合部分内。也就是说，若存在多个应变信号波数，根据计算获得的多个振动波长，按照以下公式计算防振锤安装的位置：
[0075][0076]
式中，λ
min
和λ
max
分别表示最小振动波长值和最大振动波长值。若仅存在一个应变信号波数，即仅获得一个振动波长，则λ
min
＝λ
max
。
[0077]
图3示出了利用分布式布里渊光纤应变监测仪测量opgw光缆纤芯布里渊频移的现场实际测试结果示意图，图中示出了根据布里渊频移以及杆塔明细表获得的杆塔对应图，求得的各个档距的波数域fft结果如图4-图7所示，其中可知图4(166#-165#)和图5(165#-164#)为易振区，图6(168#-167#)和图7(167#-166#)为非易振区。各图中第一个极值为零频对应的波数值，不是真正的波数值，对应于图4的应变波数值为0.0048828，对应的振动驻波波长为λ＝2k＝2/0.0048828＝409.6m，对应于图5的应变波数值为0.0097656，对应的振动驻波波长为λ＝2k＝2/0.0097656＝204.8m。图8示出了利用分布式布里渊光纤应变监测仪识别的一个易振区的应变图。图9示出了利用波数域fft及寻峰算法获得波数值的结果图，其中极值点为获得的一组波数值kn。
[0078]
根据本发明的另一个实施例，一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别系统包括：
[0079]
应变曲线获取模块，其配置成获取待测opgw光缆纤芯的应变曲线；
[0080]
波数域变换模块，其配置成将所述应变曲线按照档距进行划分，将划分后的每档光缆对应的应变信号进行波数域傅里叶变换；
[0081]
振动区域识别模块，其配置成利用寻峰算法对所述波数域傅里叶变换的结果求取极大值，即获取应变信号波数；若存在一个或多个应变信号波数，则确定该档光缆受振动影响。
[0082]
本实施例中，优选地，所述应变曲线获取模块中获取待测opgw光缆纤芯应变曲线的具体步骤包括：
[0083]
步骤一一、利用botdr或botda测量待测opgw光缆纤芯的布里渊频移数据；
[0084]
步骤一二、根据待测opgw光缆纤芯布里渊频移数据中的阶跃点差异识别待测opgw光缆纤芯的光纤接续点，结合杆塔明细表定位接续杆塔，并划分耐张段；
[0085]
步骤一三、以每个耐张段为计算单元，按照以下公式计算待测opgw光缆纤芯各点应变值，多点应变值形成应变曲线：
[0086][0087]
式中，strainj表示第j个点的应变值；bfsj表示第j个点的布里渊频移值；bfs
ref
表示引下线处多点布里渊频移的平均值；表示布里渊频移的应变系数。
[0088]
本实施例中，优选地，所述波数域变换模块中按照下述公式进行波数域傅里叶变换：
[0089][0090]
式中，y(x)表示空间域应变信号；y(k)表示波数域应变信号；k表示应变信号波数。
[0091]
本实施例中，优选地，所述系统还包括防振安装位置计算模块，其配置成根据应变信号波数计算获得振动波长，并根据振动波长计算获得防振锤安装的位置。
[0092]
本实施例所述一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别系统的功能可以由前述一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法说明，本实施例未详述部分参见以上方法实施例。
[0093]
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了若干单元、模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中具体化。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。
[0094]
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
[0095]
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

技术特征：
1.一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、获取待测opgw光缆纤芯的应变曲线；步骤二、将所述应变曲线按照档距进行划分，将划分后的每档光缆对应的应变信号进行波数域傅里叶变换；步骤三、利用寻峰算法对所述波数域傅里叶变换的结果求取极大值，即获取应变信号波数；若存在一个或多个应变信号波数，则确定该档光缆受振动影响。2.根据权利要求1所述的一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法，其特征在于，步骤一的具体步骤包括：步骤一一、利用botdr或botda测量待测opgw光缆纤芯的布里渊频移数据；步骤一二、根据待测opgw光缆纤芯布里渊频移数据中的阶跃点差异识别待测opgw光缆纤芯的光纤接续点，结合杆塔明细表定位接续杆塔，并划分耐张段；步骤一三、以每个耐张段为计算单元，按照以下公式计算待测opgw光缆纤芯各点应变值，多点应变值形成应变曲线：式中，strain
j
表示第j个点的应变值；bfs
j
表示第j个点的布里渊频移值；bfs
ref
表示引下线处多点布里渊频移的平均值；表示布里渊频移的应变系数。3.根据权利要求1所述的一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法，其特征在于，步骤二中按照下述公式进行波数域傅里叶变换：式中，y(x)表示空间域应变信号；y(k)表示波数域应变信号；k表示应变信号波数。4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法，其特征在于，还包括步骤四、根据应变信号波数计算获得振动波长；根据振动波长计算获得防振锤安装的位置。5.根据权利要求4所述的一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法，其特征在于，按照下述公式计算获得振动波长λ：λ＝2/k式中，k表示应变信号波数。6.根据权利要求4所述的一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别方法，其特征在于，若存在多个应变信号波数，则计算获得多个振动波长，则按照以下公式计算防振锤安装的位置：式中，λ
min
和λ
max
分别表示振动波长最小值和振动波长最大值。7.一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别系统，其特征在于，包括：应变曲线获取模块，其配置成获取待测opgw光缆纤芯的应变曲线；波数域变换模块，其配置成将所述应变曲线按照档距进行划分，将划分后的每档光缆
对应的应变信号进行波数域傅里叶变换；振动区域识别模块，其配置成利用寻峰算法对所述波数域傅里叶变换的结果求取极大值，即获取应变信号波数；若存在一个或多个应变信号波数，则确定该档光缆受振动影响。8.根据权利要求7所述的一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别系统，其特征在于，所述应变曲线获取模块中获取待测opgw光缆纤芯应变曲线的具体步骤包括：步骤一一、利用botdr或botda测量待测opgw光缆纤芯的布里渊频移数据；步骤一二、根据待测opgw光缆纤芯布里渊频移数据中的阶跃点差异识别待测opgw光缆纤芯的光纤接续点，结合杆塔明细表定位接续杆塔，并划分耐张段；步骤一三、以每个耐张段为计算单元，按照以下公式计算待测opgw光缆纤芯各点应变值，多点应变值形成应变曲线：式中，strain
j
表示第j个点的应变值；bfs
j
表示第j个点的布里渊频移值；bfs
ref
表示引下线处多点布里渊频移的平均值；表示布里渊频移的应变系数。9.根据权利要求7所述的一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别系统，其特征在于，所述波数域变换模块中按照下述公式进行波数域傅里叶变换：式中，y(x)表示空间域应变信号；y(k)表示波数域应变信号；k表示应变信号波数。10.根据权利要求7-9中任一项所述的一种基于波数域分析的opgw光缆振动区域识别系统，其特征在于，所述系统还包括防振安装位置计算模块，其配置成根据应变信号波数计算获得振动波长，并根据振动波长计算获得防振锤安装的位置。

技术总结
本发明公开了一种基于波数域分析的OPGW光缆振动区域识别方法及系统，涉及光缆振动区域识别技术领域，用以解决现有OPGW光缆振动测量方法由于只能测定瞬时振动状态而无法准确预估振动隐患区域的问题。本发明的技术要点包括：获取待测OPGW光缆纤芯的应变曲线；将应变曲线按照档距进行划分，将划分后的每档光缆对应的应变信号进行波数域傅里叶变换；利用寻峰算法对波数域傅里叶变换的结果求取极大值，即获取应变信号波数；若存在一个或多个应变信号波数，则确定该档光缆受振动影响。本发明可以识别光缆因长时间遭受振动而导致内部纤芯应变异常的易振隐患区域，可为评估光缆安全状况提供有力参考。提供有力参考。提供有力参考。


技术研发人员：董永康 汤晓惠 夏猛 杜学新 王颖 李灿 陈灿 魏勇 尚立 张家驹 刘文昭 姜桃飞 关鹏 隋景林
受保护的技术使用者：国家电网有限公司信息通信分公司 国网河北省电力有限公司信息通信分公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/26