基于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(fā)明公開的一種基于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(jiān)測裝置板，監(jiān)測裝置板包括微控制器，微控制器上分別連接有激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、通信模塊、數據存儲模塊、電源模塊和溫濕度采集模塊，溫濕度采集模塊伸出所述中空殼體外，本發(fā)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(huán)境溫度、相對濕度等數據，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(jiān)測輸電線路現場絕緣子的污穢，對輸電線路的絕緣子污穢進行全局診斷及監(jiān)控，并提供預警信息。
【專利說明】基于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(fā)明屬于輸電線路在線監(jiān)測【技術領域】，具體涉及一種基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器，本發(fā)明還涉及一種基于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(fā)生閃絡，更頻繁的是在長期運行電壓下發(fā)生污穢閃絡，造成停電事故。覆冰、鳥糞也可以認為是特殊的污穢，其對絕緣子絕緣性能同樣影響很大。由于經濟發(fā)展，大氣環(huán)境惡化，空氣污染加劇，污閃事故有所增加，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(fā)生過大面積污閃，造成了很大的經濟損失。因此，對于絕緣子污穢的監(jiān)測顯得尤為重要。
[0003]電力部門常用的絕緣子污穢監(jiān)測方法主要有泄露電流在線監(jiān)測方法和等值鹽密在線監(jiān)測方法。但這兩種方法都存在自己的缺點，泄露電流在線監(jiān)測方法對運行環(huán)境要求很高，無法監(jiān)測到實時準確的鹽密數據。等值鹽密在線監(jiān)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，并且存在等價性問題。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于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(jiān)測輸電線路污穢度的問題。
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供一種在線測量鹽密的方法。
[0006]本發(fā)明米用的第一技術方案是:一種基于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(huán)，光纖玻璃環(huán)的兩端分別連接有發(fā)射端固定柱和接收端固定柱，發(fā)射端固定柱和接收端固定柱上分別連接有發(fā)射端固定后蓋和接收端固定后蓋，中空殼體內設置有監(jiān)測裝置板，監(jiān)測裝置板分別與發(fā)射端固定后蓋和接收端固定后蓋相連接。
[0007]本發(fā)明的特點還在于，
[0008]監(jiān)測裝置板包括微控制器，微控制器上分別連接有激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、通信模塊、數據存儲模塊、電源模塊和溫濕度采集模塊，溫濕度采集模塊伸出中空殼體外。
[0009]激光發(fā)射模塊通過導線與發(fā)射端固定后蓋相連接，激光接收模塊通過導線與接收端固定后蓋相連接。
[0010]光纖玻璃環(huán)為開口環(huán)狀。
[0011]固定柱的下端設置有固定孔，光纖玻璃環(huán)穿過固定孔連接到固定柱上。
[0012]本發(fā)明采用的第二技術方案是:一種在線測量鹽密的方法，采用一種基于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(huán)，光纖玻璃環(huán)的兩端分別連接有發(fā)射端固定柱和接收端固定柱，發(fā)射端固定柱和接收端固定柱上分別連接有發(fā)射端固定后蓋和接收端固定后蓋，中空殼體內設置有監(jiān)測裝置板，監(jiān)測裝置板分別與發(fā)射端固定后蓋和接收端固定后蓋相連接；監(jiān)測裝置板包括微控制器，微控制器上分別連接有激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、通信模塊、數據存儲模塊、電源模塊和溫濕度采集模塊，溫濕度采集模塊伸出所述中空殼體外；激光發(fā)射模塊通過導線與發(fā)射端固定后蓋相連接，激光接收模塊通過導線與接收端固定后蓋相連接；光纖玻璃環(huán)為開口環(huán)狀；微控制器采用MSP430單片機；固定柱的下端設置有固定孔，光纖玻璃環(huán)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、通信模塊采集指令傳給微控制器，其中的采集指令包括初始的光功率衰減量φ、環(huán)境溫度T和相對濕度數據H ；
[0014]步驟2、采集光功率衰減量Φ、環(huán)境溫度T和相對濕度數據H ；
[0015]步驟3、建立關于光功率衰減量Φ、相對濕度H的神經網絡模型，計算出等值鹽密值。
[0016]本發(fā)明的特點還在于:
[0017]所述采集光功率衰減量Φ、環(huán)境溫度T和相對濕度數據H，具體按照以下步驟實施:
[0018]步驟2.1、微控制器將步驟I中采集到的指令發(fā)送給溫濕度采集模塊，溫濕度采集模塊采集環(huán)境溫度T和相對濕度數據H ；
[0019]步驟2.2、微控制器將步驟I中采集到的指令發(fā)送給激光發(fā)射模塊與激光接收模塊；激光發(fā)射模塊接收到指令后，發(fā)射光束，其光強為Pi,激光接收模塊接收到指令后，接收光束，其光強為P。；光功率衰減量:
[0020]CD=P1-Po0
[0021]建立關于光功率衰減量Φ、相對濕度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、建立關于光功率衰減量Φ、相對濕度的神經網絡模型，其中，輸入神經元數目為4，分別為采集數據中最大相對濕度HA、最小相對濕度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、基于matlab平臺用鹽密實驗測量的光功率衰減量Φ和相對濕度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和相對濕度數據H，用到的期望輸出為鹽密實驗測量得到的等值鹽密值ESDDl ;基于此訓練神經網絡得到一個2*4維矩陣，利用步驟2中采集得到的光功率衰減量Φ、相對濕度數據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(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗的規(guī)定。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:
[0026]基于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，置于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。在石英棒上無污染時，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。當石英玻璃棒上有污染時，污染物改變了高次模及基模的傳輸條件，同時，污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污穢度。
[0027]通過測量傳感器的光功率衰減量、環(huán)境溫度、相對濕度等數據，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(jiān)測輸電線路現場絕緣子的污穢。
[0028](I)對運行環(huán)境要求低，不受電磁干擾，穩(wěn)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)光源采用主動控溫技術，避免模式跳變，并保證波長的穩(wěn)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(jiān)測輸電線路現場絕緣子的污穢，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(huán)境溫度、相對濕度等數據，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(fā)明型基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器的硬件框圖；
[0033]圖2是本發(fā)明型基于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(fā)明型基于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(huán),7.發(fā)射端固定柱，8.發(fā)射端固定后蓋,9.接收端固定柱,10.接收端固定后蓋,11.光纖玻璃環(huán)，12.溫濕度采集模塊，13.微控制器，14.激光發(fā)射模塊，15.激光接收模塊，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(fā)明進行詳細說明。
[0037]本發(fā)明提供一種基于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(huán)6，光纖玻璃環(huán)6的兩端分別連接有發(fā)射端固定柱7和接收端固定柱9，發(fā)射端固定柱7和接收端固定柱9上分別連接有發(fā)射端固定后蓋8和接收端固定后蓋10，中空殼體2內設置有監(jiān)測裝置板，監(jiān)測裝置板分別與發(fā)射端固定后蓋8和接收端固定后蓋10相連接。
[0038]如圖2所示，監(jiān)測裝置板包括微控制器13，微控制器13上分別連接有激光發(fā)射模塊14、激光接收模塊15、通信模塊16、數據存儲模塊17、電源模塊18和溫濕度采集模塊12 ；激光發(fā)射模塊14通過導線與發(fā)射端固定后蓋8相連接，激光接收模塊15通過導線與接收端固定后蓋10相連接；光纖玻璃環(huán)6為開口環(huán)狀。微控制器13采用MSP430單片機。固定柱11的下端設置有固定孔5，光纖玻璃環(huán)6穿過固定孔5連接到固定柱11上。
[0039]其中，微控制器13采用MSP430單片機，用于控制激光的發(fā)射和接收，測量光衰減量、環(huán)境溫度、相對濕度等數據并進行存儲；此外，該模塊還控制通信模塊的工作方式與工作狀態(tài)等。光纖玻璃環(huán)6采用高性能特制石英作為光纖傳感器，感受與瓷質絕緣子相似的污穢狀態(tài)，其在形狀上，采用開口環(huán)形，可以增加單位長度的全反射次數。為激光發(fā)射模塊14、激光接收模塊15及通信模塊16供電的電壓為5V ;為微控制器13、溫濕度采集模塊12及數據存儲模塊17供電的電壓為3.3V。
[0040]本發(fā)明還提供一種在線測量鹽密的方法，采用一種基于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(huán)6，光纖玻璃環(huán)6的兩端分別連接有發(fā)射端固定柱7和接收端固定柱9，發(fā)射端固定柱7和接收端固定柱9上分別連接有發(fā)射端固定后蓋8和接收端固定后蓋10，中空殼體2內設置有監(jiān)測裝置板，監(jiān)測裝置板分別與發(fā)射端固定后蓋8和接收端固定后蓋10相連接，監(jiān)測裝置板包括微控制器13，微控制器13上分別連接有激光發(fā)射模塊14、激光接收模塊15、通信模塊16、數據存儲模塊17、電源模塊18和溫濕度采集模塊12，激光發(fā)射模塊14通過導線與發(fā)射端固定后蓋8相連接，激光接收模塊15通過導線與接收端固定后蓋10相連接，光纖玻璃環(huán)6為開口環(huán)狀，微控制器13采用MSP430單片機，具體按照以下步驟實施:
[0041]步驟1、通信模塊16采集指令傳給微控制器13，其中的采集指令包括光功率衰減量φ、環(huán)境溫度T和相對濕度數據H ；
[0042]步驟2、采集光功率衰減量Φ、環(huán)境溫度T和相對濕度數據H ；
[0043]步驟2.1、微控制器13將步驟I中采集到的指令發(fā)送給溫濕度采集模塊12，溫濕度傳感器12采集環(huán)境溫度T和相對濕度數據H ；
[0044]步驟2.2、微控制器13將步驟I中采集到的指令發(fā)送給激光發(fā)射模塊14與激光接收模塊15 ;激光發(fā)射模塊14接收到指令后，發(fā)射光束，其光強為Pi,激光接收模塊15接收到指令后，接收光束，其光強為P。；光功率衰減量:
[0045]Φ =P1-P。
[0046]步驟3、建立關于光功率衰減量Φ、相對濕度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、建立關于光功率衰減量Φ、相對濕度的神經網絡模型，其中，輸入神經元數目為4，分別為采集數據中最大相對濕度HA、最小相對濕度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、基于matlab平臺用鹽密實驗測量的光功率衰減量Φ和相對濕度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和相對濕度數據H，用到的期望輸出為鹽密實驗測量得到的等值鹽密值ESDDl ;基于此訓練神經網絡得到一個2*4維矩陣，利用步驟2中采集得到的光功率衰減量Φ、相對濕度數據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(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗規(guī)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，測量基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器的光功率衰減量Φ、相對濕度H、環(huán)境溫度T及其等值鹽密值ESDD1，并測量從現場取下來的絕緣子的等值鹽密值ESDD2，得到ESDDl與ESDD2的關系表，如表1所示。接著，利用光功率衰減量Φ、相對濕度H、環(huán)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，該矩陣可表征神經網絡模型。最后，將該矩陣及ESDDl與ESDD2關系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型絕緣子進行噴污實驗并測量鹽密，共12片分四組進行，分別采用四種濃度不同的鹽溶液。對第一組絕緣子采用“噴污法”染污，對基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器采用“澆染法”染污，待充分干燥后，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并記錄染污后的傳感器的等值鹽密值ESDDl。依次將該組的其他絕緣子清洗，并最終求出鹽密平均值，然后清洗絕緣子與傳感器，干燥后再對剩余三組絕緣子和本傳感器進行染污及測量。
[0052]表1鹽密實驗時所測數據
[0053]
【權利要求】
1.一種基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特征在于，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(huán)(6)，光纖玻璃環(huán)(6)的兩端分別連接有發(fā)射端固定柱(7)和接收端固定柱(9)，所述發(fā)射端固定柱(7)和接收端固定柱(9)上分別連接有發(fā)射端固定后蓋(8)和接收端固定后蓋(10)，所述中空殼體(2)內設置有監(jiān)測裝置板，監(jiān)測裝置板分別與發(fā)射端固定后蓋(8)和接收端固定后蓋(10)相連接。
2.根據權利要求1所述的基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特征在于，所述的監(jiān)測裝置板包括微控制器(13)，微控制器(13)上分別連接有激光發(fā)射模塊(14)、激光接收模塊(15 )、通信模塊(16 )、數據存儲模塊(17 )、電源模塊(18 )和溫濕度采集模塊(12 )，所述溫濕度采集模塊(12)伸出所述中空殼體(2)外。
3.根據權利要求2所述的基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特征在于，所述的激光發(fā)射模塊(14)通過導線與發(fā)射端固定后蓋(8)相連接，所述激光接收模塊(15)通過導線與接收端固定后蓋(10)相連接。
4.根據權利要求2所述的基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特征在于，所述的光纖玻璃環(huán)(6)為開口環(huán)狀。
5.根據權利要求2所述的基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特征在于，所述微控制器(13)采用MSP430單片機。
6.根據權利要求1所述的基于光波的輸電線路等值鹽密傳感器，其特征在于，所述固定柱(11)的下端設置有固定孔(5)，所述光纖玻璃環(huán)(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，其特征在于，采用一種基于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(huán)(6 )，光纖玻璃環(huán)(6 )的兩端分別連接有發(fā)射端固定柱(7 )和接收端固定柱(9)，所述發(fā)射端固定柱(7)和接收端固定柱(9)上分別連接有發(fā)射端固定后蓋(8)和接收端固定后蓋(10)，所述中空殼體(2)內設置有監(jiān)測裝置板，監(jiān)測裝置板分別與發(fā)射端固定后蓋(8)和接收端固定后蓋(10)相連接；監(jiān)測裝置板包括微控制器(13)，微控制器(13)上分別連接有激光發(fā)射模塊(14)、激光接收模塊(15)、通信模塊(16)、數據存儲模塊(17)、電源模塊(18)和溫濕度采集模塊(12)，所述溫濕度采集模塊(12)伸出所述中空殼體(2)外；所述的激光發(fā)射模塊(14)通過導線與發(fā)射端固定后蓋(8)相連接，所述激光接收模塊(15)通過導線與接收端固定后蓋(10)相連接；所述的光纖玻璃環(huán)(6)為開口環(huán)狀；微控制器(13)采用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(huán)(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)采集指令傳給微控制器(13)，其中的采集指令包括初始的光功率衰減量Φ、環(huán)境溫度T和相對濕度數據H ； 步驟2、采集光功率衰減量Φ、環(huán)境溫度T和相對濕度數據H ； 步驟3、建立關于光功率衰減量Φ、相對濕度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，其特征在于，所述采集光功率衰減量φ、環(huán)境溫度T和相對濕度數據H，具體按照以下步驟實施: 步驟2.1、微控制器(13)將步驟I中采集到的指令發(fā)送給溫濕度采集模塊(12)，溫濕度采集模塊(12)采集環(huán)境溫度T和相對濕度數據H ；
步驟2.2、微控制器(13)將步驟I中采集到的指令發(fā)送給激光發(fā)射模塊(14)與激光接收模塊(15);激光發(fā)射模塊(14)接收到指令后，發(fā)射光束，其光強為Pi,激光接收模塊(15)接收到指令后，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，其特征在于，所述建立關于光功率衰減量Φ、相對濕度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、建立關于光功率衰減量Φ、相對濕度的神經網絡模型，其中，輸入神經元數目為4，分別為采集數據中最大相對濕度ΗΑ、最小相對濕度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、基于matlab平臺用鹽密實驗測量的光功率衰減量Φ和相對濕度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和相對濕度數據H，用到的期望輸出為鹽密實驗測量得到的等值鹽密值ESDDl ;基于此訓練神經網絡得到一個2*4維矩陣，利用步驟2中采集得到的光功率衰減量Φ、相對濕度數據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，其特征在于，所述鹽密實驗參照GB/T4585-2004交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗的規(guī)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(yōu)先權日:2013年12月19日
【發(fā)明者】黃新波, 王玉鑫, 林淑凡, 趙偉強 申請人:西安工程大學