CN102735996B - 一种海底电缆故障点准确定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底电缆故障点准确定位方法，本发明采用BOTDR或BOTDA实现海底电缆实时在线监测，利用布里渊散射信号携带得到的应变/温度信息与海底地形、地质结构和施工细节进行联合分析，提取特征点，建立数据库，大大提高了定位精度。该数据库建立后，一旦发生海缆故障，可省去繁琐的资料查询和计算工作，即可迅速准确定位故障位置，从而修复海缆，大大节约人力和物力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电缆故障点定位方法，特别是一种海底电缆故障点准确定位方法。
背景技术
我国海岸线长达3.2万公里，大小岛屿有6500多个，领海面积约473万平方公里，海上工作平台众多，海底电缆在远程供电、高压输电、电力通信、信号传输、保证海岛居民的生产生活和海上工作平台正常运行中起关键作用。
海底电缆是用绝缘材料包裹的导线，铺设在海底，用于电力和信息传输。根据用途可分为电力电缆、光电复合缆、通信光缆等。近年来，光电复合海底电力电缆（简称光电复合海缆）在电力传输及数据通信领域逐渐普及。这种新型海缆把电缆和光缆复合在一起，同时输送电能和传输数据，既节约成本，又降低敷缆施工次数，在诸如浅海岛屿间跨海输电和通信应用中备受青睐。
随着海岛开发增多及海洋资源开发规模的不断扩大，需要铺设的海底电缆越来越多，由于受到施工设施、施工技术、电缆的高负荷运行、海域的复杂地质结构和海上复杂运行环境等因素的影响，常常发生因局部意外受力而使运行中的海底电缆出现断路、短路等故障，带来巨大的经济损失。海缆故障造成的社会影响和经济损失很大，必须尽快修复。然而，在茫茫大海中，从深达几十米、甚至几百米的海床上定位和打捞直径约10cm的海缆，如同大海捞针，所以在海缆维修过程中，故障点的检测和准确定位是最为关键的技术。利用光时域反射仪（OTDR）进行海底电缆的定位是目前主要使用的方法，但OTDR只能测量光纤故障点距测试点的距离，不能确定故障点的地理位置，特别是光纤余长、线路盘缆、线路路由不平坦等因素会对故障点定位带来很大的影响，陆地光缆的定位精度可达到40~50米，海底电缆的定位精度只能达到几百米。因此，海底电缆迫切需要一种准确的故障点定位方法，避免实施长距离的线路开挖工作，以及浪费大量的人力物力查询故障点，尽可能快地修复海缆。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种能准确地对故障点进行定位的海底电缆故障点准确定位方法。
一种海底电缆故障点准确定位方法，其具体方法为：（1）采用布里渊光时域反射仪（BOTDR）或布里渊光时域分析仪（BOTDA），将布里渊光时域反射仪（BOTDR）或布里渊光时域分析仪（BOTDA）与单模光纤进行连接，所述的单模光纤或者是海底光缆自带的，或者是在无自带光纤的海底电缆外缠绕通信光缆，利用通信光缆中的单模光纤与布里渊光时域反射仪（BOTDR）或布里渊光时域分析仪（BOTDA）连接，将布里渊光时域反射仪（BOTDR）或布里渊光时域分析仪（BOTDA）的探测脉冲光注入到单模光纤中，利用布里渊光时域反射仪（BOTDR）或布里渊光时域分析仪（BOTDA）监测海底电缆，使用多通道监测，以获取大量海底电缆正常运行下的光纤沿线每一点的应变/温度信息，建立原始数据档案；（2）分析原始数据档案，将每一通道海缆长时间监测数据求平均值，具体时间选择可以自定，目的是去掉随机噪声的影响，尽可能大地提高信噪比，获取该通道监测数据的均值曲线，将同一通道一天内不同时间监测数据进行比对，分析潮汐、风浪对海缆的影响，将至少两通道的监测均值曲线进行比对，分析海缆本身制作、扭曲、挤压等带来的影响，通过分析与比对，建立所监测海缆BOTDR或 BOTDA测量标准曲线；（3）将海缆路由竣工图提供的海缆沿线关键点的平面坐标转换成经纬度信息，便于全球定位系统（GPS）准确定位，结合海缆路由剖面图，将海缆的经纬度信息与深度信息融合建立海缆“经纬度-深度”三维信息数据库及海缆的光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库；（4）分析标准曲线数据，提取海缆路由、海底地形和海底地质结构特征点，根据每个特征点去一一修正光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库，大大提高了该数据库信息的精度；（5）一旦海底光缆发生故障，BOTDR或BOTDA测试数据会有非常明显的变化，调度软件发生故障报警，将故障海缆数据与该通道测试标准曲线相比对，通过查找步骤四所建立的数据库，立即获得故障点的GPS和深度信息，从而准确确定故障点位置。
本发明的海底电缆故障点准确定位方法采用布里渊分布式应变/温度测量技术，通过布里渊分布式光纤应变/温度测量数据与实际海底电缆状态信息融合，提取海缆路由特征信息，从而实现海底电缆故障点检测和准确定位。具体采用布里渊光时域反射仪（BOTDR）或布里渊光时域分析仪（BOTDA）和普通单模光纤实现海底电缆应变/温度的测量。布里渊光时域反射技术利用光在光纤中传输产生的背向布里渊散射信号测量光纤沿线的应变/温度，从而实现海底电缆运行状态信息的实时在线监测。该技术具有一次测量即可获得沿整个光纤被测场的应变/温度分布信息、测量精度高、定位准确等优点，可以实现长距离海底电缆的实时监测。用于海底电缆监测的普通通信单模光纤可以使用通信光缆缠绕在海底电缆上，也可使用光电复合海缆本身复合的单模通信光纤，如附图1、2所示。
在使用时BOTDR或BOTDA将探测脉冲光注入到普通单模光纤中进行传输，光在光纤中传输，光纤中的光学光子和声学声子发生非弹性碰撞产生布里渊散射，布里渊散射光反向传输，又到达入射端，通过检测布里渊散射光信号的频移和强度信息，可以得到光纤沿线的应变和温度信息。此外，由入射光脉冲和接收布里渊散射信号的时间差可以计算得到光纤的位置信息。所以，BOTDR或BOTDA可以实现单模光纤的实时在线监测，获取光纤每一点的应变和温度信息。由于单模光纤和海底电缆紧密结合在一起，所以通过单模光纤可以获得海缆沿线的应变和温度信息。海底电缆一旦发生故障，BOTDR或BOTDA测量得到的应变/温度信息将发生非常明显的变化，通过设置合理的阈值，可以实现故障告警。
在海底电缆实时监测过程中，根据BOTDR或BOTDA测量得到的应变/温度信息，通过与实际海底电缆的状态信息，包括海缆路由竣工图、海缆铺设沿线地形图、海缆铺设沿线地质结构等进行联合分析，尽可能多地提取特征点，由于每个特征点具有确定的光纤长度和“经纬度-深度”信息，特征点之间光纤长度在考虑节距、余长等因素后，误差均摊。从而实现海底电缆故障的准确定位。本发明的故障点定位精度取决于选取特征点的精度和BOTDR的空间分辨率，该空间分辨率可以做到很高，一般可以达到1m。
建立所监测海缆BOTDR或 BOTDA测量标准曲线时，将同一通道一天内不同时间监测数据进行比对，分析潮汐、风浪对海缆的影响。由于一天中涨潮、落潮、风浪的时间不同，如果一天中不同时间获取的多次监测数据的均值曲线规律相同，说明海底电缆不受潮汐、风浪的影响；反之，海底电缆受潮汐、风浪的影响。将至少两通道的监测均值曲线进行比对，分析海缆本身制作、扭曲、挤压等带来的影响。
由于海底电缆铺设在海底，无法通过人工方式获取海缆路由的特征点，只能通过详细的数据分析获取物理路由特征点。准备海缆路由竣工图、海缆路由剖面图或者海缆铺设沿线地形图，尽可能多地提取海缆路由、海底地形和海底地质结构特征点，如海缆两侧登陆点、坡度陡峭点、海底浅滩、海缆保护套管结束点、起始点等。由于每个特征点具有确定的光纤长度和“经纬度-深度”信息，特征点之间光纤长度在考虑节距、余长等因素后，误差均摊。从而可以根据每个特征点去一一修正光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库，大大提高了该数据库信息的精度。
所述的光纤长度三维信息数据库中光纤长度的确定为：根据海缆的直径和节距计算出光缆的实际长度，取光纤的长度等同于光缆长度，从而建立海缆的光纤长度。
光缆是以一定的节距绞合在海缆中，应根据海缆的直径和节距计算出光缆的实际长度。相比于海缆直径，光缆直径很小可以忽略不计，将光纤长度等同于光缆长度，从而建立海缆的光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库，为故障定位奠定基础。
所述的海底电缆包括海底光缆、普通海底电缆、光电复合海缆等。
综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：
本发明采用BOTDR或BOTDA实现海底电缆实时在线监测，利用布里渊散射信号携带得到的应变/温度信息与海底地形、地质结构和施工细节进行联合分析，提取特征点，建立数据库，大大提高了定位精度。该数据库建立后，一旦发生海缆故障，可省去繁琐的资料查询和计算工作，即可迅速准确定位故障位置，从而修复海缆，大大节约人力和物力。
附图说明
图1是采用布里渊光时域反射仪（BOTDR）或者布里渊光时域分析仪（BOTDA）在线监测自带单模光纤的光电复合海底电缆的连接图。
图2是采用布里渊光时域反射仪（BOTDR）或者布里渊光时域分析仪（BOTDA）在线监测普通无自带光纤海底电缆的将通信光缆缠绕在普通海底电缆上进行测量的连接图。
图3是实施例中三相海缆地理位置示意图。
图4是实施例中BOTDR测量得到的东相、西相、中相等三相单芯海缆应变/温度均值曲线。
图5是东相海缆BOTDR测量获得的00:00、05:00、09:00、12:00、15:00、22:22等不同时间获得的应变/温度监测曲线。
图6是东相海缆BOTDR测量标准曲线与该海缆沿线铺设地形、地形梯度比对曲线，及根据地形提取的东相海缆BOTDR测量标准曲线特征点。
图7是根据施工时安装的保护套管提取的特征点。
标号说明1光电复合海缆2单模光纤3普通海底电缆4禁锚牌5西相海缆6中相海缆7东相海缆。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。
实施例1
一种如图1-7所示的海底电缆故障点准确定位方法，它采用布里渊分布式应变/温度测量技术，通过布里渊分布式光纤应变/温度测量数据与实际海底电缆状态信息融合，提取海缆路由特征信息，从而实现海底电缆故障点检测和准确定位。为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面，参照相关附图根据一具体实施案例对该海底电缆故障准确定位方法进行说明。
图1是采用布里渊光时域反射仪（BOTDR）或者布里渊光时域分析仪（BOTDA）在线监测自带单模光纤2的光电复合海底电缆1的连接图。
图2是采用布里渊光时域反射仪（BOTDR）或者布里渊光时域分析仪（BOTDA）在线监测普通无自带光纤海底电缆的将通信光缆缠绕在普通海底电缆3上进行测量的连接图。
利用BOTDR实时监测A岛和B岛之间复合16芯G.652光纤的110 kV海底电缆，该海缆分为东相、西相和中相共三相单芯光电复合海缆1，如附图3所示。为了防止行驶船舶抛锚对海缆造成损伤，海缆铺设区域内禁止抛锚并设有禁锚牌4，提醒过往船舶。该海缆水深10米至25米海中部分：埋入海床2米，相间间隔一定距离，在基岩出露或可疑的礁石区及可疑管线之上加200/12高强度减震球饺哈夫型玻璃钢海底电缆保护管保护，并复盖砼盖板及堆石块；水深5米至10米浅海部分：采用 200/12高强度减震球饺哈夫型玻璃钢海底电缆保护后埋入海床下2.0米，相间间隔一定距离； 0至5米潮间带部分：采用 200/12高强度减震球饺哈夫型玻璃钢海底电缆保护管保护后埋入海床下2米，基岩出露、礁石区部分不能采用水下爆破，用200/12高强度减震球饺哈夫型玻璃钢海底电缆保护管保护后并抛石加以固定；A岛侧豋陆部分：石砌电缆栈桥敷设，相间距离2m；B岛侧豋陆部分：石砌电缆栈桥敷设；陆上部分：电缆沟深0.7m。
该BOTDR有8个通道，分别利用1和2通道监测东相海缆、3和4通道监测西相海缆、5和6通道监测中相海缆。
第一步：BOTDR开始监测正常工作下的三相海缆，同时记录三相海缆工作的电流值和环境温度，一并存入后台，获取海缆正常运行情况下的基础数据，建立原始数据档案。
第二步：分析数据档案，将同一通道一个月内工作电流和环境温度数值相同的N次BOTDR测量曲线求平均值，去掉随机噪声的影响，尽可能大地提高信噪比，分别获取三相海缆监测数据的均值曲线，见图4。由图4可知，东相海缆7中复合光纤长度为3515米、西相海缆5中复合光纤长度为3410米、中相海缆6中复合光纤长度为3395m。三条海缆除长度有区别外，变化规律基本相同，从而可排除海缆本身制作、扭曲、挤压等带来的影响。将东相海缆通道1一天内不同时刻、不同温度测量曲线滤波去噪后进行比对，见图5。由图5可知，一天内海缆测试数据变化规律基本相同，从而可排除潮汐、风浪等带来的影响。最终，通过不断分析与比对，建立三相海缆BOTDR测量标准曲线。
第三步：将海缆路由竣工图提供的海缆沿线关键点的平面坐标转换成经纬度信息，便于全球定位系统（GPS）准确定位。结合海缆路由剖面图，将海缆每“5m”的经纬度信息与深度信息融合建立海缆“5m”每点的“经纬度-深度”三维信息数据库。当然，由于该BOTDR的空间分辨率最高为1m，上述三维信息数据库的极限精度可以达到1m。
光缆是以一定的节距绞合在海缆中，应根据海缆的直径和节距计算出光缆的实际长度。相对于海缆直径114.7mm，光缆直径为2.5mm可以忽略不计，将光纤长度等同于光缆长度，从而建立三条海缆的光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库，为特征点提取及故障定位奠定基础。
由于光缆是以一定的节距绞合在海缆中，根据海缆生产厂商提供该节距误差为10%，且光纤长度又大于光缆长度，再加上盘缆和余长的影响，直接获得的光纤长度与“经纬度-深度”信息误差很大。要想获得光纤长度与“经纬度-深度”准确对应关系，该数据库需要进一步修正。
第四步：继续分析标准曲线数据，并提取特征点。
准备海缆路由竣工图、海缆路由剖面图或者海缆铺设沿线地形图，对标准曲线数据进行详细的分析。由于海缆所受应变和地形有非常紧密的联系，可以通过地形提取特征点。求取地形的梯度曲线，如图6黑色线所示。该梯度曲线有三个非常明显的峰值，分别对应着海缆敷设地势陡峭点：A岛登陆点、A岛附近地势陡峭点、B岛登陆点。再通过观察测试数据，在海底浅滩部分，BOTDR测试曲线都有一个非常明显的谷点。从而根据海底地形提取了海缆两侧登陆点、坡度陡峭点、海底浅滩等四个特征点，见图6。根据海缆路由竣工图提取了保护套管结束点、起始点等两个特征点，见图7。由于每个特征点具有确定的光纤长度和“经纬度-深度”信息，特征点之间光纤长度在考虑节距、余长等因素后，误差均摊。从而可以根据每个特征点去一一修正光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库，大大提高该数据库信息的精度。参照东相海缆，中相海缆和西相海缆也建立光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库。
第五步：一旦海缆发生故障，BOTDR测试数据会有非常明显的变化，调度软件将会发生故障报警，将故障海缆数据与该通道测试标准曲线相比对，通过查找步骤四所建立的数据库，立即获得故障点的GPS和深度信息，从而准确确定故障点位置，快速打捞并修复海缆。
实践证明，本发明可以快速准确地定位海底电缆的故障点，该方法特别适用于已经敷设好的海底电缆且无法采用加热等手段获取人工特征点的应用场合。该方法故障点定位准确度高，可大大缩短海底电缆的修复时间，提高工作效率，减少经济损失。同时该方法也适用于直埋、架空、管道光缆线路的故障点定位。
本实施例未述部分与现有技术相同。
Claims (3)
1.一种海底电缆故障点准确定位方法，其特征在于：（1）采用布里渊光时域反射仪或布里渊光时域分析仪，将布里渊光时域反射仪或布里渊光时域分析仪与单模光纤进行连接，所述的单模光纤或者是海底光缆自带的，或者是在无自带光纤的海底电缆外缠绕通信光缆，利用通信光缆中的单模光纤与布里渊光时域反射仪或布里渊光时域分析仪连接，将布里渊光时域反射仪或布里渊光时域分析仪的探测脉冲光注入到单模光纤中，利用布里渊光时域反射仪或布里渊光时域分析仪监测海底电缆，使用多通道监测，以获取大量海底电缆正常运行下的光纤沿线每一点的应变/温度信息，建立原始数据档案；（2）分析原始数据档案，将每一通道海缆长时间监测数据求平均值，以获取该通道监测数据的均值曲线，将同一通道一天内不同时间监测数据进行比对，分析潮汐、风浪对海缆的影响，将至少两通道的监测均值曲线进行比对，分析海缆本身制作、扭曲、挤压带来的影响，通过分析与比对，建立所监测海缆BOTDR或 BOTDA测量标准曲线；（3）将海缆路由竣工图提供的海缆沿线关键点的平面坐标转换成经纬度信息，便于全球定位系统准确定位，结合海缆路由剖面图，将海缆的经纬度信息与深度信息融合建立海缆“经纬度-深度”三维信息数据库及海缆的光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库；（4）分析标准曲线数据，提取海缆路由、海底地形和海底地质结构特征点，根据每个特征点去一一修正光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库，大大提高了该数据库信息的精度；（5）一旦海底光缆发生故障，BOTDR或BOTDA测试数据会有非常明显的变化，调度软件发生故障报警，将故障海缆数据与该通道测试标准曲线相比对，通过查找步骤(4)所建立的数据库，立即获得故障点的GPS和深度信息，从而准确确定故障点位置。
2.根据权利要求1所述的海底电缆故障点准确定位方法，其特征在于：所述的光纤长度三维信息数据库中光纤长度的确定为：根据海缆的直径和节距计算出光缆的实际长度，取光纤的长度同于光缆长度，从而建立海缆的光纤长度。
3.根据权利要求2所述的海底电缆故障点准确定位方法，其特征在于：所述的海底电缆包括海底光缆、普通海底电缆、光电复合海缆。
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