一种基于多维参量融合的OPGW杆塔快速精准定位方法

本发明属于opgw杆塔定位监测，具体涉及一种基于多维参量融合的opgw杆塔快速精准定位方法。

背景技术：

1、输电线路受到自然或人为因素的影响，可能出现覆冰、舞动、雷击等异常现象，会造成巨大的经济损失和社会负面影响，其安全稳定运行对维护国民经济发展和社会稳定至关重要。分布式光纤传感(distributed optical fiber sensor,dofs)技术以光纤作为传感介质与信息传输介质，能够实现对光纤沿线温度、振动、应变等多种物理参量的监测。在高压架空输电线路中，光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead groundwire,opgw)因具有高可靠、寿命长、性价比高等特点，兼具架空地线原有的电气和机械性能和光缆的通信功能，在输电线路中被广泛使用。将dofs技术与高压架空输电线路相结合，能够有效利用线路中空闲的opgw资源，且在现场无需进行线路改造、设备安装、通讯组网等工作，能够以较低的投入为电力传输线拓展传感功能，对输电线路进行长期、持续、在线监测。

2、opgw架设在杆塔上，其温度、应变、振动等特征受架设结构的影响，与相邻杆塔间的架空线悬垂段存在明显的区别。dofs技术可以借由这些异常特征，实现传感光纤皮长与输电线路中各杆塔地理位置间的映射，并进一步以杆塔为锚定点，通过差值运算等方法，完成全线的标定。目前，不少研究组已尝试直接利用dofs技术进行opgw线路上杆塔的定位。

3、公开号为cn116484196a的发明中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，该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。公开号为cn114039656b一种基于botdr和otdr的opgw故障定位方法及装置，能够结合接续杆塔及非接续杆塔位置及其对应的累计光纤长度判断故障所处杆塔，精准定位接续点。公开号为cn110927524b的发明中公开了一种基于botdr技术的opgw光缆断芯原因分析与精确定位方法，能够判定断芯位置是否处于布里渊频移跳变处。

4、然而，现有的杆塔定位工作大多聚焦于接续杆塔处光纤熔接造成的bfs跳变现象和杆塔处线缆的特殊固定结构所导致的监测信号异常来进行接续杆塔判定。一方面输电线路中接续杆塔的数量远远小于线路杆塔的总量，另一方面现有方法监测参量与判断方式单一，定位结果受输电线路周围气象条件的影响较大，在定位精度和定位速度上也有所不足。

5、因此，目前需要解决opgw杆塔定位精度和定位速度的问题，有必要研究出一种全面，准确和快速的opgw杆塔定位方法。

技术实现思路

1、解决的技术问题：本发明公开了一种基于多维参量融合的opgw杆塔快速精准定位方法，对高压架空输电线路振动、温度、应变多参量的同时监测，根据各个参量的特征及其机理综合分析，克服单一物理参量进行定位的局限性，实现opgw线路杆塔的快速精准定位。本发明不仅为基于分布式光纤传感技术构建的电力泛在物联网提供了可行手段，而且对提高电网运维水平具有重要潜在价值。

2、技术方案：

3、一种基于多维参量融合的opgw杆塔快速精准定位方法，所述opgw杆塔快速精准定位方法包括以下步骤：

4、s1，使用分布式光纤传感系统对opgw杆塔全线进行监测，采集opgw杆塔光纤内包含振动信息的后向瑞利散射信号和包含opgw杆塔全线应变、温度、布里渊频移数据的布里渊散射信号；

5、s2，基于采集的后向瑞利散射信号，得到以振幅参量为载体的耐张塔初步定位值；

6、s3，基于采集的布里渊散射信号，得到应变参量为载体的耐张塔初步定位值、以温度参量为载体的直线塔初步定位值和以频移参量为载体的接续塔初步定位值；

7、s4，将以振幅参量为载体的耐张塔初步定位值、以频移参量为载体的接续塔初步定位值、以应变参量为载体的耐张塔初步定位值和以温度参量为载体的直线塔初步定位值作为四参量，将四参量与杆塔地理间距图对比，判断杆塔处是否实现定位；其中，对于实现定位的杆塔点，衡量四参量定位的精度，取最准确的定位结果作为该杆塔点的实际位置；对于未实现定位的杆塔点，采用线性插值定位算法计算缺失杆塔，补全杆塔定位信息；

8、s5，根据杆塔点定位信息与实际地理距离，构建全线光纤皮长和线路地理信息之间的映射关系，采用全线光纤皮长和线路地理信息之间的映射关系计算得到异常事件的地理位置。

9、步骤s2进一步包括：

10、s21，利用窗函数将振动信号分割成重叠的窗口段，计算每个窗口内的平方和作为窗口的短时能量；以2min为单位，计算振动信号的每个抽样点的短时能量，再计算同一抽样点2min内的短时能量平均值，按照顺序组合得到振动信号短时能量时空分布图；

11、s22，根据线路的输电电压等级、杆塔的高度、接续杆塔处光缆的余长、线路整体长度、耐张塔个数与分布式光纤传感系统的空间分辨率设计第一滑动方差窗口，使得一个第一滑动方差窗口里仅包含一座耐张塔；采用第一滑动方差窗口分割振动信号短时能量时空分布图，计算得到每个第一滑动方差窗口的信号方差；

12、s23，根据悬垂光缆与耐张塔处固定光缆的振动幅度差异、耐张塔上引下线和余缆的长度等因素设定阈值，以第一滑动窗口方差均值的六分之一作为判定阈值；将方差低于判定阈值的区域标记为潜在异常区域，认为这些区域有可能存在耐张塔；

13、s24，对筛选出的潜在异常区域执行去重操作：对区域内相邻的判定点，选择振动能量最低的数据点作为耐张塔的最准确位置，作为耐张塔初步定位值。

14、步骤s3进一步包括：

15、s31，利用分布式光纤传感系统监测opgw杆塔全线的应变、温度、布里渊频移数据，获取opgw杆塔全线光纤内原始布里渊散射信号分布；

16、s32，将原始布里渊散射信号的最后1000个数据点视为噪声，计算噪声均值并减去该部分数值，去除基线噪声；再将每个数据点的值被替换为其周围数据点的均值，对布里渊散射信号进行平滑处理，得到去噪后发布里渊散射信号分布；

17、s33，采用bfs信号处理算法处理去噪后发布里渊散射信号分布，得到布里渊频移曲线；

18、s34，采用异常点筛选算法处理布里渊频移曲线，得到布里渊频移异常点；

19、s35，对布里渊频移异常点采用布里渊频移异常点判定方法进行判定，得到应变参量为载体的耐张塔初步定位值、以温度参量为载体的直线塔初步定位值和以频移参量为载体的接续塔初步定位值。

20、步骤s33进一步包括：

21、s331，确定布里渊散射峰值位置，选取峰值附近制定范围内的数据点进行局部分析；在选定的数据点周围，采用基于最小二乘法的二次多项式进行曲线拟合，得到近似布里渊散射峰形状的二次函数：

22、p(f)＝af2+bf+c

23、式中，f是频率，a、b、c是多项式系数；通过迭代寻找原始数据与二项式函数的最小残差平方和，找到最佳的拟合参数；rss的计算公式为：

24、

25、其中，si为原始数据；当峰值位置收敛或达到预设的拟合次数上限时，停止二次多项式拟合，得到拟合的峰值点；

26、s332，根据拟合的峰值点确定全线布里渊峰值频移的精确值，作出全线布里渊频移曲线。

27、步骤s34进一步包括：

28、s341，根据线路的输电电压等级、杆塔的高度与接续杆塔处光缆的余长，设计得到第二滑动方差窗口，设计的第二滑动方差窗口大于单座接续杆塔处引下线与余缆的总长度并且小于测量线路任意段的档距，以使每个第二滑动方差窗口内仅包含一座接续杆塔；采用第二滑动方差窗口分割布里渊频移曲线，计算每个第二滑动方差窗口的信号方差；

29、s342，以第二滑动窗口方差均值作为判定阈值，将方差低于判定阈值的区域标记为潜在异常区域，认为这些区域有可能存在接续塔；

30、s343，在识别的每个潜在异常区域内，将方差最大值所对应的滑动窗口中心点认为是bfs跳变点的最准确位置；采用寻峰算法对方差结果进行分析，利用二次函数拟合算法进行拟合，查找局部方差峰值点作为bfs的异常点。

31、步骤s35进一步包括：

32、s351，设置滑动窗口，以布里渊频移异常点为中心，左右±30m的bfs数据为窗口大小，分割出数组；

33、s352，遍历数组，查找所有具有单调性的区间，并将其按长度排序，提取最长的两个单调区间备用；

34、s353，计算两个单调区间的斜率，进行斜率阈值判定，将bfs信号的正常波动与峰值、跳变带来的异常变化进行区分，并将低于斜率阈值的数组置空；斜率阈值与监测设备的空间分辨率、监测的高压架空输电线路杆塔结构导致的受影响光缆段长度因素相关；

35、s354，完成斜率阈值判定后，对剩余的非空数组进行筛选；若不存在非空数组，证明此处不存在合理的峰值或跳变，将此处判定为噪声点；若此处仅存在一个非空数组，判定此处为bfs跳变点，对应以频移参量为载体的接续塔初步定位值；若此处存在两个非空单调数组，对两个数组的斜率与顺序进行比较，如果这两个单调数组斜率相反，且斜率为正的数组在原始数组中的索引大于斜率为负的数组，则认为此处存在峰值，对应以应变参量为载体的耐张塔初步定位值、以温度参量为载体的直线塔初步定位值，否则将此处判定为噪声点。

36、步骤s4进一步包括：

37、s41，将四参量与杆塔地理间距图对比，判断杆塔处是否实现定位；对于实现定位的杆塔点，衡量四参量定位的精度，取最准确的作为杆塔点的实际位置；对于未实现定位的杆塔点，采用线性插值定位算法计算缺失杆塔的地理位置，补全杆塔定位信息；

38、s42，根据杆塔点的定位结果与实际地理距离，构建全线光纤皮长和线路实际地理信息之间的映射关系；

39、s43，当分布式光纤传感系统监测到异常事件时，根据全线光纤皮长和线路实际地理信息之间的映射关系，将事件定位到两个杆塔之间的档距区间内；再在定位到的档距区间内，采用函数插值定位算法计算事件的地理位置。

40、进一步地，步骤s41中，采用线性插值定位算法计算缺失杆塔的地理位置的过程包括以下步骤：

41、若线路已知的实际地理位置ln对应杆塔n位置yn，地理位置ln+2对应杆塔n+2位置yn+2，杆塔n+1在分布式光纤系统中未能定位到有效特征，则利用已知的数据点(ln,yn)和(ln+2,yn+2)，对未知的数据点yn+1进行插值估算：

42、

43、进一步地，步骤s43中，采用采用函数插值定位算法计算事件的地理位置的过程包括以下步骤：

44、s431，建立架空线空间坐标，x轴为水平方向架空线长度，y轴为竖直方向架空线高度；架空线最低点为o点；a点为架空线左侧杆塔坐标；b点为架空线右侧杆塔坐标；c与d点代表架空线上的两点坐标；

45、s432，根据悬链线法建立架空线线长的状态方程为：

46、

47、其中，s为cd段架空线线长，t0为左端点c所受拉力，为左端点c切线方向与水平夹角，q为架空线长度自身重量；

48、s433，架空线ab段总长度为ao段长度与ob段长度和，a为ao段水平距离，b为ob段水平距离，将状态方程积分得：

49、

50、s434，令事件发生在距杆塔s0位置处，将s0与计算得到的lab、lao进行对比，确认事件所在区段，计算事件的实际地理位置x为：

51、

52、有益效果：

53、第一，本发明的基于多维参量融合的opgw杆塔快速精准定位方法，结合opgw与dofs技术，通过实现光纤皮长与线路实际杆塔坐标之间的精准映射。

54、第二，本发明的基于多维参量融合的opgw杆塔快速精准定位方法，利用融合式分布光纤传感系统，综合考量振动、温度、应变等多个物理参量，实现对输电线路中耐张塔与直线塔两种不同类型杆塔的有效定位。

55、第三，本发明的基于多维参量融合的opgw杆塔快速精准定位方法，显著提高输电线路杆塔定位的数量、速度和准确性，对于提升电力系统的运维水平具有显著的实际应用价值。

56、第四，本发明的基于多维参量融合的opgw杆塔快速精准定位方法，通过插值算法计算异常事件精确定位值，实现了高压架空输电线路的覆冰、舞动、雷击等异常现象进行预警。