CN104266600B - 基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法，首先检测光纤上的布里渊频移并将数据传给管理计算机；然后通过对标准差聚类分析分划光缆受力段；对于受力段上的频移分布，使用支持向量回归算法算出应变预测值。本发明基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法实现了光纤运行状态在低应变下的实时检测，避免了传统检测方法费时费力、准确度低的缺点，提高了电力系统的稳定性。

Description

基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法

技术领域

本发明属于电力系统智能状态检测技术领域，涉及一种光纤复合架空地线光缆应变检测方法，具体涉及一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线(OPGW)光缆应变检测方法。

背景技术

随着社会的不断发展和用电需求的不断提高，国家加快建设高压电网的同时还要建立完整的电力系统的光通信网络。光纤复合架空地线光缆在电力系统通信中的应用越来越广泛。其兼具普通地线和通信光缆的双重功能，具有通信容量大、不受强电干扰、不易受外力破坏，以及不需另设空间走廊等优点，是电力系统网络中一种可靠性较高、安装成本较低的通信方式。

然而，光纤复合架空地线长期暴露在野外，常受持续的机械张力、电气闪络、材料老化和外界环境变化等影响，容易产生断股、磨损、腐蚀等损伤，这些损伤会导致光纤复合架空地线发生形变，造成内部光缆产生应力应变。通常状态下，光纤复合架空地线的应力应变对内部光纤的传输性能的影响非常小，常规检测无法检测到光纤应力应变的变化，一旦光纤应力应变积累到一定程度最终发生断裂，将对电力系统通信和电网的安全可靠性产生严重影响。因此，需使用准确度高、可靠性好的仪器对光纤复合架空地线进行长期的应变测量监控，实时监测光纤复合架空地线的健康状况，及时发现和处理故障隐患，使其更好地为电网的安全稳定运行服务，这是电力部门必须解决的一大问题。

布里渊光时域反射计是目前常用的一种光纤复合架空地线状态检测技术，该技术基本原理如下：光在光纤中传播时在传播的反方向会产生散射光，其背向散射光光谱如图1所示，包括了瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中布里渊散射是由介质中的声学声子引起的一种非弹性光散射，布里渊散射光的频率相对于入射光频率发生的漂移称为布里渊频移，由介质的声学特性和弹性力学特性决定。

布里渊光时域反射计的测量原理是后向布里渊散射信号:脉冲光从光纤的一端输入，并在同一端测量后向返回的自发布里渊散射光，通过将后向自发布里渊散射光与一个频率较为接近的参考光进行差频相干，测量频率较低的拍频信号来得到布里渊频移。

按一定间隔不断变化入射脉冲光的频率，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊频移。由于光纤复合架空地线光缆中光纤余长的影响，在光缆受到小于60％额定拉断力(RTS,Rated Tensile Strength)的拉力时，光纤的频移变化很小，在小于60％RTS的拉力状态下，光纤复合架空地线拉伸，但是光纤复合架空地线内的光纤余长并没有消耗完，光纤处于未受拉力状态；而当光纤复合架空地线受拉力大于等于60％ RTS时，则频移变化非常明显，且随拉力呈线性变化，此时光纤复合架空地线内部光纤余长已经被消耗，光纤已经受力产生应变。典型的频移-拉力拟合线性关系如图2所示。目前的光缆频移测量技术虽然能准确捕捉光纤复合架空地线高应变时刻的应变信息，但是当拉力低于60％RTS时，难以判断光缆是否受到拉力作用，而在线路运行状态检测中，人们更关心的是光缆在30％RTS左右时的数据特征。因此，探索研究一种新的检测方法用于实现光纤复合架空地线线路应力应变实时在线监测，是十分必要的。

发明内容：

本发明要针对上述背景技术存在的问题，提供一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法,解决现有布里渊频移检测方法不能检测低应变的问题，以及时处理故障隐患，减少光缆断裂事故的发生，提高电力系统的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为

一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法，包括如下步骤：

步骤1：依据光源散射在光纤上的点到光入射端的距离确定数个测量点z_i，利用布里渊光时域反射计测量每个测量点z_i的布里渊频移

步骤2：对每个测量点z_i的布里渊频移的标准差进行聚类分析确定光缆受力部位，对每一时刻t,综合受力部位上每个测量点z_i的频移建立频移向量F_t＝(f_t,1,f_t,2,...,f_t,n)；

步骤3：运用支持向量机建立频移向量F_t与受力段拉力y_t的非线性回归模型；

步骤4：将步骤2得到的频移向量F_t代入步骤3得到的非线性回归模型，得到光纤复合架空地线受力段拉力y_t。

较佳地，光源散射在光纤上的点到光入射端的距离为式中，c为真空中的光速，n为光纤的折射率，Δt为发出光与接收光的时间间隔。

较佳地，步骤2的具体步骤包括：

21)对于光缆上每个测量点集合x＝{z₁,z₂,...,z_n}，对该集合内每一点的布里渊频移f_B求一段时间内标准差stddev(x)；

22)对光缆上所有测量点z_i布里渊频移的标准差的集合进行聚类，聚类结果不为1的相邻点段被分划为一个受力段；

23)综合受力段的每个位置上的频移f_B建立频移向量F_t＝(f_t,1,f_t,2,...,f_t,n)。

较佳地，对光缆上所有位置标准差的集合进行聚类时采用K-Means聚类算法。

较佳地，步骤3的具体步骤包括：

31)根据拉力实验和电力现场采集样本数据，对样本数据进行校正和异常点筛除处理，并将样本数据根据布里渊光时域反射计初步预估频移，将布里渊光时域反射计明显可测应变的数据划分为训练集，将其余不可测的数据划分为测试集；

32)应用支持向量回归算法建立非线性回归方程y_t＝W^TF_t+b，通过训练集数据计算该方程参数W,b，并根据非线性回归方程y_t＝W^TF_t+b计算测试集输出拉力值式中为测试集；

33)对测试集的输出数据进行筛选，依据经验人工剔除测试集数据中大于实测拉力值20％的测试集数据，将经过筛选得出的测试集数据并入训练集，再次执行支持向量回归算法，得到最终非线性回归模型的参数W和b，即可得到频移向量F_t与受力段拉力y_t的非线性回归模型y_t＝W^TF_t+b。

本发明检测方法的有益效果是，利用布里渊频移随光纤应变近似线性变化的特性，运用布里渊光时域反射计设备对光纤应变进行初步检测，通过检测结果对光纤进行受力段分划，并利用支持向量机建立光纤受力段布里渊频移和受力段应变之间的非线性回归模型，最后利用现场检测和回归模型来预测光纤应变。该方法相对人工测量，节省了人力物力，提高线路运行状况的检测效率。

附图说明：

图1为本发明实施例的流程图

图2为光纤传播背向散射光光谱图；

图3为布里渊频移与光纤额定拉断力关系图；

图4为本发明实施例在光纤复合架空地线拉力实验中的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图2所示，当光在光纤中传播时，会产生瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，图中v₀处为瑞利散射，靠近瑞利散射两侧的为布里渊散射，其中布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而引起的一种非弹性光散射，布里渊散射光的频率相对于入射光频率发生的漂移称为布里渊频移，当光纤应变较大时，布里渊频移与光纤应变有明显的线性近似关系，但是当光纤应变较小时，这种对应关系非常微弱，光纤上测得的布里渊频移和光纤实际所受应变不再是明显的线性对应关系，因此建立一种非线性回归模型来探索光纤布里渊频移和光纤应变之间的关系是本方法的关键。

本实施例的一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：依据光源散射在光纤上的点到光入射端的距离确定数个测量点z_i，具体是根据真空中的光速、光纤的折射率、发出的脉冲光与接收到的布里渊散射光的时间间隔计算，也即 式中，c为真空中的光速，n为光纤的折射率，Δt为发出光与接收光的时间间隔；

利用布里渊光时域反射计测量每个测量点z_i的布里渊频移将测量结果传回管理计算机，如表一所示。

表一 布里渊光时域反射计设备返回数据摘录

实践中还可以通过以下方法计算出布里渊频移：每个测量点z_i的布里渊频移式中n为光纤纤芯折射率，v_A为光纤中的声波速度，λ_C为入射光在真空中的波长。

步骤2：对每个测量点z_i的布里渊频移的标准差进行聚类分析确定光缆受力部位，然后对每一时刻t,综合受力部位上每个测量点z_i的频移f_B建立频移向量F_t＝(f_t,1,f_t,2,...,f_t,n)，具体步骤包括：

21)对于光缆上每个测量点集合x＝{z₁,z₂,...,z_n}，对该集合内每一点的布里渊频移求一段时间内标准差stddev(x)；

22)对光缆上所有测量点z_i布里渊频移的标准差的集合采用K-Means聚类算法进行聚类，聚类结果不为1的相邻点段被分划为一个受力段；

23)综合受力段的每个位置上的频移建立频移向量F_t＝(f_t,1,f_t,2,...,f_t,n)，其中f_t,i为t时刻受力段上第i个点的频移。

通过对标准差聚类分析可以将光纤分划为一个个受力段，对于光缆上每个位置x，对该处的布里渊频移求一段时间内标准差stddev(x)，受力段的光纤应变远大于非受力段，因此受力段上每个点的stddev(x)会明显高于非受力段，然而在实际情况中由于现场环境复杂，难以通过硬性数值指标通过算差值检测受力段，因此本发明采用K-Means算法，聚类分析完成后，光纤受力分析的最小单元成为一个个受力段而不是每个点。

表二为标准差聚类分析结果摘录，其中光缆上的点被聚为两类，聚类结果为2的即表示一个受力段：

表二

步骤3：运用支持向量机建立频移向量F_t与受力段拉力y_t的非线性回归模型，模型的输入参数为频移向量F_t，输出参数为受力段拉力y_t，具体步骤包括：

31)根据拉力实验和电力现场采集样本数据，对样本数据进行校正和异常点筛除处理，并将样本数据根据布里渊光时域反射计初步预估频移，通过标准差stddev(x)大小判断训练集,stddev(x)＞0.1的布里渊频移作为明显可测应变的数据划分为训练集F_t，将其余不可测的数据划分为测试集

32)应用支持向量回归算法建立非线性回归方程y_t＝W^TF_t+b，通过训练集数据计算该方程参数W,b，并根据非线性回归方程y_t＝W^TF_t+b计算测试集输出拉力值式中，T是向量转置符号。

应用支持向量回归算法建立非线性回归方程y_t＝W^TF_t+b，通过训练集数据计算该方程参数W,b，即求解下列问题：

$\underset{\mathrm{\α},{\mathrm{\α}}^{*}}{\min }\left(\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}\left({\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\α}}_i^{*}\right)\left({\mathrm{\α}}_j-{\mathrm{\α}}_j^{*}\right)K\left(F_{t_i},F_{t_j}\right)-\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\left({\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\α}}_i^{*}\right)y_{t_i}+\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\left({\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\α}}_i^{*}\right)\mathrm{\ϵ}\right)$

s.t.

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(a_i-a_i^{*})=0,$

$0\≤a_i,a_i^{*}\≤C,i=1,2,...,m$

其中核函数为指数径向基函数：

$K(F_{t_i},F_{t_j})=\exp \left(-\mathrm{\γ}\left|\right|F_{t_i}-F_{t_j}|{|}^2\right)$

求解之后得到的回归参数为：

$W^T{F}_t=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}({\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\α}}_i^{*})K(F_{t_i},F_t)$

$b=-\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}({\mathrm{\α}}_i-{\mathrm{\α}}_i^{*})\left(K\right(F_{t_i},F_{t_r})+K(F_{t_i},F_{t_s}))$

由上述所得的回归模型参数W和b，根据该方程预估测试集输出拉力值 $y_t^{*}=W^T{F}_t^{*}+b.$

上述式中，α_i、分别为第i个样本的优化问题的最优解、ε为惩罚系数、γ为指数径向基系数、m为训练集样本个数、为测试集输出拉力值、为测试集、T是向量转置符号。

33)对测试集的输出数据进行筛选，依据经验人工剔除测试集中大于实测拉力值20％的数据，将经过筛选得出的测试集数据并入训练集，再次执行支持向量回归算法，新的结果即为所得到的最终非线性回归模型的参数W和b。

支持向量机具有很强的回归能力和更好的泛化能力，能较好的解决小样本、非线性、高维数和局部极小点等问题，非常适合用于建立本发明所需的非线性回归模型。在本方法中，非线性回归模型输入值为每一时刻每个光纤受力段的布里渊频移向量F_t，输出值为当前时刻光纤受力段的平均应变预测值y_t。作为机器学习算法，支持向量机需要通过训练集来预测测试集，而布里渊频移技术可以明显捕捉到拉力达到一定程度后的光纤应变，本发明将这部分数据作为训练集，将其余频移向量作为测试集，通过非线性回归模型预测测试集的输出。

步骤4：将步骤2得到的频移向量F_t代入步骤3得到的非线性回归模型，得到光纤复合架空地线受力段拉力y_t。

拉力实验中得到的结果如图4所示，其中SVR表示本实施例算法输出的结果，strain表示实际实验设定拉力值，由图4可以看出，在拉力实验中，本实施例的算法能较好拟合实际光纤应变，而如图3所示的传统的布里渊频移方法，难以分辨拉力低于60％RTS以下时的光纤受力情况。

本实施例基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法实现了光纤运行状态在低应变下的实时检测，避免了传统检测方法费时费力、准确度低的缺点，提高了电力系统的稳定性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：依据光源散射在光纤上的点到光入射端的距离确定数个测量点z_i，利用布里渊光时域反射计测量每个所述测量点z_i的布里渊频移

步骤2：对每个所述测量点z_i的布里渊频移的标准差进行聚类分析确定光缆受力部位，对每一时刻t,综合所述受力部位上每个测量点z_i的频移f_B建立频移向量F_t＝(f_t,1,f_t,2,...,f_t,n)；

步骤3：运用支持向量机建立频移向量F_t与受力段拉力y_t的非线性回归模型；

步骤4：将步骤2得到的频移向量F_t代入步骤3得到的非线性回归模型，得到光纤复合架空地线受力段拉力y_t。

2.根据权利要求1所述的一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法，其特征在于：所述光源散射在光纤上的点到光入射端的距离为式中，c为真空中的光速，n为光纤的折射率，Δt为发出光与接收光的时间间隔。

3.根据权利要求1所述的一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤包括：

21)对于光缆上每个测量点集合x＝{z₁,z₂,...,z_n}，对该集合内每一点的布里渊频移f_B求一段时间内标准差stddev(x)；

22)对光缆上所有测量点z_i布里渊频移的标准差的集合进行聚类，聚类结果不为1的相邻点段被分划为一个受力段；

23)综合受力段的每个位置上的频移f_B建立频移向量F_t＝(f_t,1,f_t,2,...,f_t,n)。

4.根据权利要求3所述的一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法，其特征在于：对光缆上所有位置标准差的集合进行聚类时采用K-Means聚类算法。

5.根据权利要求1所述的一种基于支持向量回归的光纤复合架空地线光缆应变检测方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤包括：

31)根据拉力实验和电力现场采集样本数据，对样本数据进行校正和异常点筛除处理，并将所述样本数据根据布里渊光时域反射计初步预估频移，将所述布里渊光时域反射计明显可测应变的数据划分为训练集，将其余不可测的数据划分为测试集；

32)应用支持向量回归算法建立非线性回归方程y_t＝W^TF_t+b，通过训练集数据计算该方程参数W,b，并根据所述非线性回归方程y_t＝W^TF_t+b计算所述测试集输出拉力值式中为测试集；

33)对所述测试集的输出数据进行筛选，依据经验人工剔除所述测试集数据中大于实测拉力值20％的测试集数据，将经过筛选得出的测试集数据并入训练集，再次执行支持向量回归算法，得到最终非线性回归模型的参数W和b，即可得到频移向量F_t与受力段拉力y_t的非线性回归模型y_t＝W^TF_t+b。