基于分布式光纤温度应变和振动监测数据的海底电缆故障报警和诊断方法与流程

本发明属于海底电缆状态监测技术领域，特别涉及基于分布式光纤温度应变和振动监测数据的海底电缆故障报警和诊断方法。

背景技术：

海底电缆是沿海岛屿供电、海上风电厂输电、石油平台用电等场合不可缺少的电力生命线，其安全稳定运行关乎社会经济和人民生活，进行有效的海底电缆状态监测十分必要。多年来，海底电缆一直缺少有效的在线监测手段，一般都通过停电检修、故障抢修等方式进行维护，方式简单、效果不好。

随着分布式光纤传感技术的发展，利用海底电缆中复合的光纤进行海底电缆温度、应变和振动的监测逐渐发展起来。目前，一般用分布式光纤温度监测技术测量海底电缆的绝缘温度，用分布式光纤应变监测技术测量铠装的应变，用分布式光纤振动监测技术测量缆体的振动。由于技术新、设备昂贵，这些技术一般只能使用一种或两种，导致缆体信息捕获不全。另外，目前的报警方法都是针对某一个物理量单独进行的，误报率高，而且不能诊断故障类型，无法为运维提供全面有效的信息。

针对以上问题，本发明提出了基于分布式光纤温度应变和振动监测数据的海底电缆故障报警和诊断方法，充分发挥多种分布式光纤传感技术的优势，融合多种数据，实现高准确度的报警和故障诊断，为海底电缆的运维和抢修提供信息支持。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种基于分布式光纤温度应变和振动监测数据的海底电缆故障报警和诊断方法，用于解决海底电缆故障报警误报和漏报率高、不能进行故障诊断的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，基于分布式光纤温度应变和振动监测数据的海底电缆故障报警和诊断方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：判断断纤故障是否发生，具体方法如下：

(1)判断分布式光纤温度监测数据中是否出现非数字的代码，如果出现，则第一次出现的位置发生了断纤故障；

(2)判断分布式光纤应变监测数据中是否出现连续5个以上的0，如果出现，则第一次出现的位置发生了断纤故障；

(3)判断分布式光纤振动监测数据中是否出现了明显的台阶上升，且该上升值在空间上一直维持不变到光纤远端，如果出现，则出现位置发生了断纤故障；

步骤2：将分布式光纤温度应变和振动监测数据进行降噪和归一化处理，具体方法如下：

(1)对分布式光纤温度应变和振动监测数据分别进行滑动平均处理，即取每一个监测点前后各5个数据，算上监测点数据一共11个数据，用这11个数据的平均值代替该监测点的数据，实现数据降噪；

(2)针对降噪后的数据，首先选择无故障时的数据作为基准数据，然后用每一次测量的数据减去基准数据，得到归一化后的数据；

步骤3：故障报警，具体方法如下：

(1)归一化的温度监测数据连续三次超过4℃，则进行温度报警，同时报警位置定为故障点位置，该区域定为异常区域；

(2)归一化的应变监测数据连续三次超过200με，则进行应变报警，同时报警位置定为故障点位置，该区域定为异常区域；

(3)归一化的振动监测数据持续0.2秒以上超过200，则进行振动报警，同时报警位置定为故障点位置，该区域定为异常区域；

步骤4：根据报警情况进行故障诊断，具体方法如下：

(1)针对温度报警数据，求异常区域内测量数据的均值t_avg，如果异常区域内大于t_avg的数据个数少于大于0的个数的80％，定为漏电故障，数值最大点就是故障位置；如果异常区域内大于t_avg的数据个数和大于0的个数基本相等，即数据个数之差小于数据总数的10％，则定为短路故障，从电源侧起第一个小于均值的点就是故障位置；

(2)针对应变报警数据，求异常区域内测量数据的均值s_avg，如果异常区域内大于s_avg的数据个数大于5且小于50，定为锚砸故障，数值最大点就是故障位置；如果异常区域内大于s_avg的数据个数大于50，定为钩挂故障，数值最大点就是故障位置；

(3)针对振动报警数据，求异常区域内振动能量的均值e_avg，如果异常区域内大于e_avg的数据个数大于5且小于20，定为托锚或绝缘击穿故障，数值最大点就是故障位置；如果异常区域内大于e_avg的数据个数大于20且小于60，定为钩挂故障，数值最大点就是故障位置；如果异常区域内大于e_avg的数据个数大于60，定为锚砸故障，数值最大点就是故障位置；

(4)锚砸和钩挂故障在应变和振动数据上都有体现则确定该故障发生，否则确定为误报。

所述用做传感器的光纤可以是单模、多模或其他类型的光纤，该光纤作为海底电缆结构的一部分，复合在海底电缆内部。

所述分布式光纤温度、应变和振动传感监测数据可通过分布式光纤温度、应变和振动测量设备测得，这些设备可以是基于光纤拉曼散射、基于光纤布里渊散射或基于光纤瑞利相干检测等原理的所有设备或仪器。

本发明的有益效果：1、本发明充分利用了分布式光纤传感技术测量的温度、应变和振动数据，可以全面反映海底电缆的运行状态；2、本发明通过融合温度、应变和振动数据实现了海底电缆故障的高准确度报警，解决了误报和漏报率高的问题；3、本发明实现了海底电缆故障类型的诊断，为海底电缆的运维和抢修提供了充分的信息支持。

附图说明

图1为海底电缆故障报警和诊断方法流程图；

图2为漏电故障时的温度数据波形图；

图3为短路故障时的温度数据波形图；

图4为锚砸故障时的应变数据波形图；

图5为钩挂故障时的应变数据波形图。

具体实施方式

本发明给出的基于分布式光纤温度应变和振动监测数据的海底电缆故障报警和诊断方法流程图如图1所示。温度监测数据由基于光纤拉曼散射原理的拉曼光时域反射计测量得到，应变监测数据由基于光纤布里渊散射原理的布里渊光时域分析仪测量得到，振动监测数据由基于光纤瑞利相干原理的瑞利相干检测仪测量得到。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

1、按照温度、应变、振动的顺序，分别对三个物理量的当前监测数据进行检测，判断是否出现了断纤特征值。

(1)取当前温度监测数据，在传感光纤有效长度范围内，从第一个数据开始判断是否等于“-1.$”，如果没有则不存在断纤故障，如果有则发生了断纤故障，第一个出现的位置就是故障点位置。

(2)取当前应变监测数据，在传感光纤有效长度范围内，从第一个数据开始判断是否连续出现5个以上的“0”，如果没有则不存在断纤故障，如果有则发生了断纤故障，第一个出现的位置就是故障点位置。

(3)取当前振动监测数据，在传感光纤有效长度范围内，从第一个数据开始判断是否连续20次出现超过之前测量值均值2倍以上的数据，如果没有则不存在断纤故障，如果有则发生了断纤故障，第一个出现的位置就是故障点位置。

2、分别对温度、应变和振动监测数据进行滑动平均降噪和归一化处理

(1)取当前温度监测数据，从第1个点开始，取后面5个监测数据，求这6个数的平均值，然后将第1个点的数据换成这个平均值；然后进行第2个点，取它前面的1个监测数据和后面的5个监测数据，求这7个数的平均值，然后将第2个点的数据换成这个平均值；以此类推；直到第6个点，取它前后各5个监测数据，求这11个数的平均值，然后将第6个点的数据换成这个平均值；之后都取前后各5个监测数据，以此类推。应变和振动监测数据的处理方法和温度数据一样。

(2)取一天中海浪平静、没有船舶经过、没有其他噪声时的温度、应变和振动数据，作为基准数据；对基准数据进行滑动平均；将实时测量的温度、应变和振动数据分别进行滑动平均，然后再减去滑动平均后的基准数据，得到归一化的温度、应变和振动数据。

3、根据归一化后的监测数据进行故障报警

(1)对实时测量并经过降噪和归一化的温度数据进行阈值判断，连续3次超过4℃则进行报警，同时确定温度最高点为故障中心位置，大于4℃的所有点定为异常区域。

(2)对实时测量并经过降噪和归一化的应变数据进行阈值判断，连续3次超过200με则进行报警，同时确定应变最高点为故障中心位置，大于200με的所有点定为异常区域。

(3)对实时测量并经过降噪和归一化的振动数据进行阈值判断，持续0.2秒以上超过200则进行报警，同时确定数值最高点为故障中心位置，大于200的所有点定为异常区域。

4、对报警事件进行诊断

(1)求温度报警异常区域内测量数据的均值t_avg，当异常区域内大于t_avg的数据个数少于大于0的个数的80％时，确定为漏电故障，数值最大点就是故障位置，如图2所示；当异常区域内大于t_avg的数据个数和大于0的个数基本相等时，即数据个数之差小于数据总数的10％，则定为短路故障，从电源侧起第一个小于均值的点就是故障位置，如图3所示。

(2)求应变报警异常区域内测量数据的均值s_avg，当异常区域内大于s_avg的数据个数大于5且小于50时，定为锚砸故障，数值最大点就是故障位置，如图4所示；当异常区域内大于s_avg的数据个数大于50，定为钩挂故障，数值最大点就是故障位置，如图5所示。

(3)求振动报警异常区域内振动能量的均值e_avg，当异常区域内大于e_avg的数据个数大于5且小于20时，定为托锚或绝缘击穿故障，数值最大点就是故障位置；当异常区域内大于e_avg的数据个数大于20且小于60时，定为钩挂故障，数值最大点就是故障位置；当异常区域内大于e_avg的数据个数大于60时，定为锚砸故障，数值最大点就是故障位置。

(4)锚砸和钩挂故障在应变和振动数据上都有体现时，确定该故障发生，否则确定为误报，取消该报警。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在未脱离本发明技术实质的情况下，对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。