一种海缆局部放电关键参数反演方法及系统与流程

本发明涉及电缆局部放电检测，尤其涉及一种海缆局部放电关键参数反演方法及系统。

背景技术：

1、海底光电复合海缆常用于大陆与海岛和海洋石油平台、海岛与海岛之间的电力供应和通信传输，是海上输电网和信息系统中的核心设备。它的绝缘性能及状态对整个海上能源输送的安全与稳定运行起着至关重要的作用。

2、尽管海缆通常敷埋在海底1米甚至数米深的泥土中，但在运输、敷设、运行中易受盘绕、拉伸、锚砸、钩挂等外力因素造成结构损伤从而导致绝缘缺陷；另一方面，由于海缆敷设环境复杂，环境温度、洋流等因素以及负荷电流的变化均会导致其绝缘老化。当海缆出现局部绝缘缺陷和老化时，往往会导致海缆出现局部放电，进而加速电缆老化和局部绝缘缺陷的扩大。当局部放电电流过大时极易引起电缆异常发热，从而直接导致海缆热击穿烧毁或短路等严重故障。

3、显然，若能实时地、准确地对海底电缆的绝缘健康状态实现在线监测，则可实时掌握海缆是否存在局部绝缘缺陷以及局部绝缘缺陷的老化/发展速度，这对于提高电缆的安全可靠运行水平具有重要的实际意义。同时，这也可为海缆的检修与运维带来极大的便利，大幅减少成本，提高时效。

4、然而，由于所处环境的特殊性，现在仍缺乏有效的技术手段对其健康状态实现全方位的实时监测。目前海底电缆状态在线监测技术主要采用基于分布式光纤应变及温度监测系统。

5、现有的分布式光纤应变监测系统，虽然可有效监测到是否发生了局部放电，但是仅能获取局部放电的轴向位置，也不能获取局部放电的其他关键参量，例如局部放电在电缆横截面上的径向位置、局部放电量和局部放电缺陷类型。因此，难以准确判断局部放电的严重程度、危害，也无法对局部绝缘缺陷后续的发展情况做出准确预判。

技术实现思路

1、本发明提供了一种海缆局部放电关键参数反演方法及系统，解决了现有技术中难以获取海缆局部放电在电缆横截面上的径向位置、局部放电量和局部放电缺陷类型局部放电关键参数的技术问题。

2、有鉴于此，本发明第一方面提供了一种海缆局部放电关键参数反演方法，包括以下步骤：

3、获取三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号，将三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号进行对比，根据对比结果确定局部放电缺陷相对于三芯海缆的横截面上的径向位置；

4、提取三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号的时域波形曲线中的prpd图谱以及其对应的图谱特征量；

5、将所述图谱特征量输入至预先训练好的局部放电缺陷类型识别模型进行识别，得到局部放电缺陷类型；

6、根据局部放电缺陷相对于三芯海缆横截面上的径向位置以及局部放电缺陷类型对三芯海缆进行comsol仿真建模，根据三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号的时域波形曲线进行仿真激励，得到三芯海缆的三根芯线分别对应的超声振动分布曲线；

7、将所述三芯海缆的三根芯线分别对应的超声振动分布曲线分别与多个预设的局部放电量下的超声振动信号的径向传递函数曲线进行相似度拟合，根据相似度拟合结果确定三芯海缆的局部放电量。

8、优选地，本方法还包括：

9、基于分布式光纤振动测量法的三芯海缆局部放电特性试验，获取三芯海缆在预设的局部放电缺陷类型以及局部放电量下的超声振动信号的时域波形曲线；

10、基于三芯海缆的结构进行comsol仿真建模，搭建comsol几何仿真模型；

11、根据三芯海缆的材料参数设置所述comsol几何仿真模型中的各层介质材料及相应的材料参数；

12、设置所述comsol几何仿真模型的边界条件，并剖分网络，得到comsol几何有限元仿真模型；

13、对三芯海缆局部放电特性试验获取的三芯海缆的超声振动信号的时域波形曲线进行解调并反演出三芯海缆的实际超声振动信号的时域波形曲线；

14、根据三芯海缆的实际超声振动信号的时域波形曲线进行衰减计算，得到振动源的原始激励振动信号；

15、以振动源的原始激励振动信号中的任一完整周期内的振动信号作为激励源对comsol几何有限元仿真模型进行扫描仿真激励，获得三芯海缆中的三根芯线分别获得的第一超声振动信号仿真波形曲线；

16、判断三芯海缆中的三根芯线分别获得的第一超声振动信号仿真波形曲线的幅值与三芯海缆局部放电特性试验所得到的超声振动信号的时域波形曲线的幅值之间的差值是否小于预设的差值阈值；

17、若判断所述差值小于所述预设的差值阈值，则判定相应的振动源为局部放电缺陷位置，并判定三芯海缆局部放电特性试验对应的预设的局部放电缺陷类型以及局部放电量为所述局部放电缺陷位置的局部放电缺陷类型和局部放电量；

18、改变局部放电缺陷位置，并以原始激励振动信号对comsol几何有限元仿真模型进行扫描仿真激励，获得三芯海缆中的三根芯线分别获得的第二超声振动信号仿真波形曲线；

19、根据三芯海缆中的三根芯线分别获得的第一超声振动信号仿真波形曲线和第二超声振动信号仿真波形曲线进行最小二乘法拟合，获得三芯海缆中的三根芯线在不同的局部放电缺陷类型下的超声振动信号仿真波形曲线的幅值、原始激励振动信号的幅值、局部放电缺陷位置与局部放电量之间的拟合曲线作为超声振动信号的径向传递函数曲线。

20、优选地，基于分布式光纤振动测量法的三芯海缆局部放电特性试验，获取三芯海缆在预设的局部放电缺陷类型以及局部放电量下的超声振动信号的时域波形曲线的步骤，具体包括：

21、将预设的缺陷三芯海缆置于隔音金属密封罐内，通过预设的局部放电缺陷位置下的不同的局部放电缺陷类型以及局部放电量对所述预设的缺陷三芯海缆进行三芯海缆局部放电特性试验，得到不同局部放电量下的三芯海缆在不同同局部放电量下的超声振动信号的幅值随时间的变化的拟合曲线为超声振动信号的时域波形曲线。

22、优选地，所述局部放电缺陷类型包括气泡缺陷、半导电层尖刺、半导电层破损、气隙放电、表面放电和电晕放电。

23、优选地，获取三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号，将三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号进行对比，根据对比结果确定局部放电缺陷相对于三芯海缆的横截面上的径向位置的步骤具体包括：

24、将三芯海缆的每根芯线所在区域按照芯线中心与电缆中心的连线进行划分为两个区域；

25、获取三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号的时域波形曲线，将三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号的时域波形曲线的第一个波峰的幅值进行对比，得到幅值较高的两根芯线，并确定局部放电缺陷相对于三芯海缆的横截面上的径向位置位于幅值最高的芯线且靠近幅值次高的芯线的区域内。

26、优选地，获取三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号，将三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号进行对比，根据对比结果确定局部放电缺陷相对于三芯海缆的横截面上的径向位置的步骤具体包括：

27、将三芯海缆的每根芯线所在区域按照芯线中心与电缆中心的连线进行划分为两个区域；

28、获取三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号以及其获取时刻，将三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号的获取时刻进行对比，得到获取时刻较早的两根芯线，并确定局部放电缺陷相对于三芯海缆的横截面上的径向位置位于获取时刻最早的芯线且靠近获取时刻次早的芯线的区域内。

29、优选地，将所述图谱特征量输入至预先训练好的局部放电缺陷类型识别模型进行识别，得到局部放电缺陷类型的步骤之前，还包括：

30、基于分布式光纤振动测量法，通过在多个预设的局部放电缺陷类型、预设的局部放电缺陷位置和预设的局部放电量的条件下，进行三芯海缆局部放电特性试验，获取多个预设的局部放电缺陷类型分别对应的典型缺陷光纤振动信号；

31、对多个预设的局部放电缺陷类型分别对应的典型缺陷光纤振动信号进行i/q正交解调，得到典型缺陷光纤振动信号的幅值与相位信息，并重构原始振动信号；

32、构建多个预设的局部放电缺陷类型分别对应的原始振动信号的prpd图谱；

33、提取prpd图谱的图谱特征量，并构成多维统计特征向量，所述图谱特征量包括偏斜度、陡峭度、局部峰点数、放电不对称度和互相关系数；

34、根据所述多维统计特征向量以及其对应的局部放电缺陷类型构建数据集，将所述数据集划分为训练集和测试集；

35、基于支持向量基的分类识别卷积神经网络对训练集进行训练，得到训练好的分类识别卷积神经网络模型；

36、通过所述测试集对所述训练好的分类识别卷积神经网络模型进行测试，根据测试结果对训练好的分类识别卷积神经网络模型进行网络参数优化，输出相应的分类识别卷积神经网络模型为局部放电缺陷类型识别模型。

37、优选地，将所述三芯海缆的三根芯线分别对应的超声振动分布曲线分别与多个预设的局部放电量下的超声振动信号的径向传递函数曲线进行相似度拟合，根据相似度拟合结果确定三芯海缆的局部放电量的步骤具体包括：

38、将所述三芯海缆的三根芯线分别对应的超声振动分布曲线分别与多个预设的局部放电量下的超声振动信号的径向传递函数曲线进行相似度拟合，得到拟合优度；

39、判断所述拟合优度是否大于预设的优度阈值，若所述拟合优度大于预设的优度阈值，则判定超声振动信号的径向传递函数曲线对应的局部放电量为三芯海缆的局部放电量；若所述拟合优度不大于预设的优度阈值，则更换预设的局部放电量下的超声振动信号的径向传递函数曲线，重新执行上一步骤，直至所述拟合优度大于预设的优度阈值。

40、第二方面，本发明还提供了一种海缆局部放电关键参数反演系统，包括：

41、缺陷定位模块，用于获取三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号，将三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号进行对比，根据对比结果确定局部放电缺陷相对于三芯海缆的横截面上的径向位置；

42、特征提取模块，用于提取三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号的时域波形曲线中的prpd图谱以及其对应的图谱特征量；

43、缺陷类型识别模块，用于将所述图谱特征量输入至预先训练好的局部放电缺陷类型识别模型进行识别，得到局部放电缺陷类型；

44、仿真模块，用于根据局部放电缺陷相对于三芯海缆横截面上的径向位置以及局部放电缺陷类型对三芯海缆进行comsol仿真建模，根据三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号的时域波形曲线进行仿真激励，得到三芯海缆的三根芯线分别对应的超声振动分布曲线；

45、局部放电量确定模块，用于将所述三芯海缆的三根芯线分别对应的超声振动分布曲线分别与多个预设的局部放电量下的超声振动信号的径向传递函数曲线进行相似度拟合，根据相似度拟合结果确定三芯海缆的局部放电量。

46、第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

47、存储器，用于存放计算机程序；

48、处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述的方法步骤。

49、从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

50、本发明通过将三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号进行对比，根据对比结果确定局部放电缺陷相对于三芯海缆的横截面上的径向位置，提取三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号的时域波形曲线中的prpd图谱以及其对应的图谱特征量，利用图谱特征量输入至预先训练好的局部放电缺陷类型识别模型进行识别，得到局部放电缺陷类型，还通过局部放电缺陷相对于三芯海缆横截面上的径向位置以及局部放电缺陷类型对三芯海缆进行comsol仿真建模，根据三芯海缆的三根芯线分别对应的实时超声振动信号的时域波形曲线进行仿真激励，得到三芯海缆的三根芯线分别对应的超声振动分布曲线，将三芯海缆的三根芯线分别对应的超声振动分布曲线分别与多个预设的局部放电量下的超声振动信号的径向传递函数曲线进行相似度拟合，根据相似度拟合结果确定三芯海缆的局部放电量，从而更加准确地获取海缆局部放电在电缆横截面上的径向位置、局部放电量和局部放电缺陷类型局部放电关键参数。