CN110350969A - 海底观测网及基于光纤传能的海缆短路故障的定位方法 - Google Patents

海底观测网及基于光纤传能的海缆短路故障的定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海底观测网及基于光纤传能的海缆短路故障的定位方法，属于海底线缆检测技术领域。定位方法包括：(1)对由传能光纤所构建的检测线路进行供电；(2)对相邻上游节点与故障点之间的海缆段与海水所构成第一回路的回路电阻值R1进行检测；(3)对位于首故障节点与故障点之间的海缆段与海水所构成的第二回路的回路电阻R2进行检测；(4)基于公式L1＝0.5×((R1‑R2)÷K+L)，获取故障点与相邻上游节点之间的距离。基于能传输低功率电能的传能光纤、通信光纤与能传输高功率电能的复合光纤分别构建供电与通信线路，能更精确地测出海缆短路故障点的位置。可广泛应用于海底观测网等水下网络的故障检测领域。

Description

海底观测网及基于光纤传能的海缆短路故障的定位方法
技术领域
本发明涉及海缆短路故障检测技术领域，具体地说，涉及一种结构改进的海底观测网及适于对该海底观测网进行故障检测的海缆短路故障定位方法。
背景技术
如图1所示，为现有一种以海水作为地极的海底观测网拓扑结构，作为整个网络的节点的岸基站01、中继节点02及终端节点03通过海缆进行传输电能与信号通信传输，其中，海缆通常采光电复合线缆进行构建，以能在供给电能的同时，进行通信信号的传输；在使用过程中，海缆的主要故障为保护层破裂，而导致海缆电线直接与海水接触，造成海缆短路故障，此时无法供给电能，导致故障点后及其后续节点均无法正常工作。
为了能及时地修复海缆普破损，需及时且准确地获取海缆保护层破裂位置，即故障点所在的位置，以尽快地完成线缆维修，通常采用电阻法作为海缆故障点判断方法，其为通过测量海缆与海水间的阻抗，再根据海缆本身的参数，计算出故障点所在的位置。具体为，在岸基站给海缆与海水间施加一定的电压U，再测量该回路的电流大小I，根据欧姆定律可以得出，海缆的电阻R＝U/I，再由电阻本身计算公式R＝ρL/S，可以计算出从岸基站到海缆与海水接触点的距离L。
但是，在实际测试过程中，存在以下缺陷，虽然海缆上的电阻是均匀分布的，但是当海缆保护层破裂，与海水发生接触时，海缆与海水接触点同样会有一定的阻抗，并且该电阻值会因各种状况而难以确定，且会随着周围环境的变化而不断的变化。当前的故障诊断方法中将这一部分的电阻视为0，则计算出来的故障点位置会比实际的故障点更远，导致在维修过程中，实际搜寻时则需要从计算出的故障位置往回搜寻，直到找出实际故障点，申请人在使用该方法对实际深海电缆故障点位置进行计算，再进行实况寻找，发现位置偏差通常较大，有时会出现巨大偏差，甚至达到几十公里的量级，导致维修过程中的搜寻工作量非常的巨大，不利于对海底线缆的及时维修。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于光纤传能的海缆短路故障的定位方法，以提高海缆短路故障点位置的定位精度；
本发明的另一目的是提供一种适于使用上述定位方法的海底观测网。
为了实现上述主要目的，本发明提供的基于光纤传能的海缆短路故障的定位方法包括以下步骤:
供电步骤，沿海缆的延伸方向，在无法接收到首故障节点与位于其下游的节点的状态反馈信号时，对检测线路进行激光供电；检测线路包括布置在各节点处的回路电阻测量模块与光电转换模块，及布置在岸基站与各个节点之间的传能光纤与通信光纤；对检测线路进行激光供电的步骤包括利用光电转换模块将传能光纤所述传输的激光能转换成电能；
第一检测步骤，基于光电转换模块所供给的电能，对位于首故障节点的相邻上游节点与故障点之间的海缆段与海水所构成的第一回路进行供电；利用位于相邻上游节点处的回路电阻测量模块，基于电阻法对第一回路的回路电阻值R1进行检测；
第二检测步骤，基于光电转换模块所供给的电能，对位于首故障节点与故障点之间的海缆段与海水所构成的第二回路进行供电；利用位于首故障节点处的回路电阻测量模块，基于电阻法对第二回路的回路电阻R2进行检测；
计算步骤，基于通过通信光纤所传回的检测数据，利用公式L1＝0.5×((R1-R2)÷K+L)，获取故障点与相邻上游节点之间的距离；其中，L为首故障节点与相邻上游节点之间的海缆长度，K为复合线缆的单位长度的电阻参数。
基于能低功率电能传输的传能光纤与能传输高功率电能的复合线缆分别构建供电线路，包括正常工作供能线路与故障检测供能线路，及基于独立的通信光纤与复合线缆分别构建通信线路，包括正常工作通信线路与故障检测通信线路，从而可在海缆出现故障时，能考虑故障点海水与电线的接触电阻对回路电阻的影响，而更精确地测出海缆短路故障点的位置，并在海缆表层破坏时仍能利用传能光纤对故障检测模块进行供能。
具体的方案为在对第一回路供电时，对第二回路进行断电。
优选的方案为光电转换模块包括用于接收传能光纤所传输的激光并转换成电能的光伏电池，及用于对光伏电池所输出的电压进行调节的电源管理模块；电源管理模块向回路电阻测量模块输出工作电压。
另一个优选的方案为回路电阻测量模块包括电压检测模块与电流检测模块，电压检测模块包括与回路并联的分压电路模块及用于对分压电路模块的下游侧电阻的两端电压进行放大的第二放大器，电流检测模块包括串联在回路中的检流电阻及用于对检流电阻两端的电压进行放大的第一放大器。
再一个优选的方案为在无法接收到首故障节点与位于其下游的节点的状态反馈信号时的步骤包括：在预设时间点未收到节点通过所述复合线缆向岸基站所发出的状态反馈信号。
为了实现上述另一目的，本发明提供的海底观测网包括岸基站及基于海缆供能及传输信号的中继节点与终端节点，海缆为给各节点供能及传输信号的复合线缆；海底观测网包括检测线路；检测线路包括布设在岸基站处的激光源，布置在各节点处的回路电阻测量模块、光电转换模块，及布置在岸基站与各个节点之间的传能光纤与通信光纤；回路电阻测量模块基于电阻法对其所处节点至海缆短路故障点处的海缆段与海水所组成回路的回路电阻值进行检测；传能光纤用于将激光源所供给的激光传输至各个节点处的光电转换模块；光电转换模块用于将所接收到的激光转换成电能，并供给至回路电阻测量模块；回路电阻测量模块通过通信光纤向岸基站回传回路电阻检测信号。
该海底观测网在工作过程中，能基于低功率电能传输的传能光纤与能传输高功率电能的复合线缆分别构建供电线路，包括正常工作供能线路与故障检测供能线路，及基于独立的通信光纤与复合线缆分别构建通信线路，包括正常工作通信线路与故障检测通信线路，从而可在海缆出现故障时，能考虑故障点海水与电线的接触电阻对回路电阻的影响，而更精确地测出海缆短路故障点的位置，并在海缆表层破坏时仍能利用传能光纤对故障检测模块进行供能。
优选的方案为光电转换模块包括用于接收传能光纤所传输的激光并转换成电能的光伏电池，及用于对光伏电池所输出电压进行调节的电源管理模块；电源管理模块向回路电阻测量模块输出电压。
另一个优选的方案为回路电阻测量模块包括电压检测模块与电流检测模块，电压检测模块包括与回路并联的分压电路模块及用于对分压电路模块的下游侧电阻的两端电压进行放大的第二放大器，电流检测模块包括串联在回路中的检流电阻及用于对检流电阻两端的电压进行放大的第一放大器。
更优选的方案为海底观测网包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，能实现上述任一技术方案所描述的定位方法的步骤。
附图说明
图1为现有一种海底观测网网络拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例中故障检测电路的供能系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中出现短路故障的两个节点之间的等效电路图；
图4为本发明实施例中海缆电阻值的测量电路图；
图5为本发明实施例的工作流程图。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例
本发明海底观测网的结构为在如图1所示的现有海底观测网结构的基础之上进行改进，而本发明海缆短路故障的定位方法基于该经改进后的海底观测网，并对其线路短路故障的故障点位置进行定位。
对海底观测网的具体结构改进为，如图2所示，利用传能光纤4与图中未示出的通信光纤沿该海底观测网的线路布设独立工作的检测线路，具体为在在岸基站与每个节点之间均布设一根传能光纤与一根通信光纤；其中，节点2包括图1中所示的多个中继节点02与终端节点03。即在本实施例中，整个海底观测网上各节点的设备工作功能与平时通信信息传输均由复合线缆04所提供，即利用复合线缆04为各个节点上的设备正常工作提供供能与通信，而检测线路由独立于复合线缆04的传能光纤4与通信光纤所构建，用于在故障检测时的功能与通信，即复合线缆04和传能光纤4与通信光纤二者所构建的供能线路与通信线路相互独立；复合线缆构成本实施例中的海缆。
沿复合线缆04的延伸方向，当岸基站01、中继节点02及终端节点03中的相邻两个节点之间的复合线缆04发生保护层破损时，该两个节点之间的等效电路如图3所示，其中，RL1与RL2对应地为前一节点与后一节点到故障点101处的海缆电阻值，RE为海缆故障点101处与海水间的电阻值。开关K1与K2用以表示是否进行激光供能，开关闭合表示岸基对该节点传输激光能，闭合表示停止对该节点的激光供能，并不是实际通断控制开关。其中，后一节点构成本实施例中的首故障节点，前一节点构成本实施例中的相邻上游节点。
当出现海缆故障点101时，通常由于海缆中的电线接触海水，此时，会导致短路故障，当短路故障发生时，无法通过复合线缆04将电能传输至下一中继节点以及终端节点上，故障点之后的节点接收不到电能，在断电情况下也无法通过复合线缆04进行故障信号反馈，也无法进行其他信号的传输；此时，可基于如图2所示的通过传能光纤4所构建出且相对独立的检测功能供电线路，及通过增设的通信光纤所构建出且相对独立的检测功能通信线路，其中，激光源1布置在岸基站上，在中继节点及终端节点等节点2中均布有光伏电池20、电源管理模块21及回路电阻测量模块22；传能光纤4用于将激光源1所供给的激光传输至各个节点处的光伏电池20处；其中，光伏电池20用于将所接收到的激光转换成电压输出，电源管理模块21用于将光伏电池20所输出的电压调节至目标工作电压并供给至布置在其所在节点2内的回路电阻测量模块22，以对故障进行检测。
如图4所示，布置在每个节点内的回路电阻测量模块22包括电流检测模块220与电压检测模块221，电流检测模块220包括检流电阻RI与第一放大器，电压检测模块221包括由RU1与RU2组成的分压电路与第二放大器；其中，检流电阻RI串联在海缆线段与海水所构成的回路中，以通过对其两端电压的检测而获取流经该回路的电流值；分压电路由并联在该回路两端上，且由RU1与RU2组成，用于对回路两端进行电压检测；通常要求RI的值远小于该回路中线缆段的电阻值，而RU1和RU2之和要远大于该海缆段的电阻值，以减少他们对检测结果的影响。低功耗MCU用于采集经第二放大器放大后的电压模拟信号及经第一放大器所放大之后的电流模拟信号，并将电压和电流值通过增设在节点2与岸基站1之间的通信光纤发送至岸基站01；在发送过程中，需使用光电转换模块32，将电信号转化为光信号，再通过通信光纤传回岸基站01。RB用于降低回路电流而减少检测功耗，节点内部所有检测用模块的能量来均源于激光供能模块。
在使用过程中，如图5所示，通过下步骤获取位于两节点的复合线缆04上的故障点位置：
供电步骤S1，沿海缆的延伸方向，在无法接收到首故障节点与位于其下游的节点的状态反馈信号时，对检测线路进行激光供电。
其中，检测线路包括布置在各节点处的回路电阻测量模块与光电转换模块，及布置在岸基站与各个节点之间的传能光纤与通信光纤，从而构建出功能线路、检测模块与通信线路。
在本实施例中，每个节点上的工作设备需按照预设节点通过复合线缆向岸基站发送状态反馈信号，若岸基站无法在预设时间节点接收到第一节点及位于其下游侧的节点通过复合线缆所传回的状态反馈信号时，则假定该第一节点之前的线缆出现短路故障，该第一节点构成本实施例中的首故障节点。
第一检测步骤S2，基于电阻法获取前一节点至故障点处的第一线缆段与海水组成回路的回路电阻值。其中，前一节点构成本实施例中的相邻上游节点。
如图3所示，当K1闭合且K2断开时，即在从前一节点处，对从该节点处与故障点101之间的部分线缆段与海水构成的回路施加电压，并使用电流检测模块220与电压检测模块221获取电压值U与电流I，从而计算出回路阻值R1，则R1＝RL1+RE。
第二检测步骤S3，基于电阻法获取后一节点至故障点处的第二线缆段与海水组成回路的回路电阻值。其中，后一节点构成本实施例中的首故障节点。
如图3所示，当K1断开且K2闭合时，即在从后一节点处，对从该节点处与故障点101之间的部分线缆段与海水构成的回路施加电压，并使用电流检测模块220与电压检测模块221获取电压值U与电流I，从而计算出回路阻值R2，R2＝RL2+RE。
计算步骤S4，基于公式L1＝0.5×((R1-R2)÷K+L)，获取故障点101与前一节点之间的距离。
根据上述检测结果及已知线缆的物理参数，获取以下方程组：
RL1＝K×L1；
RL2＝K×L2；
R1＝RL1+RE；
R2＝RL2+RE；
L＝L1+L2。
其中，L为故障点101所在两节点之间的线缆长度，即为本实施例中的首故障节点与相邻上游节点之间的海缆长度，均为已知参数；L1为前一节点至故障点101的长度，L2为后一节点至故障点101的长度。
基于前述数据，可获取以下计算公式：
L1＝0.5×((R1-R2)÷K+L)。
其中，K为线缆的单位长度的电阻参数，即K＝R/L。
基于该检测方法，利用本实验室利用实验室线缆模型搭建测试平台，每个线缆模型代表20km长度的海缆，具体由电阻、电容与电感构成，且每20km海缆的电阻值为20Ω。实验使用15个模型即300km长的海缆模型进行故障点预测，分别采用现有电阻法及本申请基于传能电缆的方法进行检测，二者的检测数据如下表1所示。
从中可以看出，传统电阻法所检测出的误差在27％至110％之间，而本采用本申请方法所检测出的误差低于6％，远低于传统电阻法所测量的数据。在实验测量过程中，即使在接地电阻为0的时候，使用两种不同的方法测出的故障点仍不准确，这是由于模型本身具有一定的误差；但是，如果接地电阻不为0，使用传统方法预测出的结果会造成极大地误差，并且该误差值随之接地电阻地增大而增大，甚至有可能是本身长度的2倍；而使用本发明提出地方法预测的结果则非常接近实际故障点的位置，并且不随接地电阻大小而变化，误差范围基本不超过6km。
表1传统电阻法与本申请方法检测结果列表
断点L1 80km
RE R1 R2 计算L1 误差 传统L1 误差
0 85 233 75.9 5.20％ 85 6.30％
50 136 280 78 2.60％ 136.3 70.40％
100 188 333 77.5 3.10％ 188 110％
断点L1 160km
RE R1 R2 计算L1 误差 传统L1 误差
0 171 149 161.15 0.70％ 170.8 6.30％
50 221.3 197.7 161.8 1.10％ 221.3 38.30％
100 270.6 248.1 161.25 0.80％ 270.6 69.10％
断点L1 240km
RE R1 R2 计算L1 误差 传统L1 误差
0 255.4 64 245.7 2.40％ 255.4 6.40％
50 306.4 114.7 245.85 2.40％ 306.4 27.70％
100 355.4 163.5 254.95 2.50％ 355.4 48.00％
基于本定位方法对海缆短路的故障点进行检测，具有以下优点：
(1)在海缆电路出现故障时，使用激光供能的方式给节点传输能量，用于故障检测，以能利用传能较小的传能光纤供给检测电能，而能利用现有复合线缆供给各个节点的工作能量，再基于二外增设的通信光纤进行故障检测信号的传回；
(2)在故障定位时，将故障点处海缆与海水间的电阻值考虑在内，使结果更加准确。

Claims (9)

1.一种基于光纤传能的海缆短路故障的定位方法，所述海缆为给各节点供能及传输信号的复合线缆，其特征在于，包括以下步骤:
供电步骤，沿海缆的延伸方向，在无法接收到首故障节点与位于其下游的节点的状态反馈信号时，对检测线路进行激光供电；所述检测线路包括布置在各节点处的回路电阻测量模块与光电转换模块，及布置在岸基站与各个节点之间的传能光纤与通信光纤；所述对检测线路进行激光供电的步骤包括利用所述光电转换模块将所述传能光纤所述传输的激光能转换成电能；
第一检测步骤，基于所述光电转换模块所供给的电能，对位于所述首故障节点的相邻上游节点与故障点之间的海缆段与海水所构成的第一回路进行供电；利用位于所述相邻上游节点处的回路电阻测量模块，基于电阻法对所述第一回路的回路电阻值R1进行检测；
第二检测步骤，基于光电转换模块所供给的电能，对位于所述首故障节点与所述故障点之间的海缆段与海水所构成的第二回路进行供电；利用位于所述首故障节点处的回路电阻测量模块，基于电阻法对所述第二回路的回路电阻R2进行检测；
计算步骤，基于通过所述通信光纤所传回的检测数据，利用公式L1＝0.5×((R1-R2)÷K+L)，获取所述故障点与所述相邻上游节点之间的距离；其中，L为所述首故障节点与所述相邻上游节点之间的海缆长度，K为所述复合线缆的单位长度的电阻参数。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：
在对所述第一回路供电时，对所述第二回路进行断电。
3.根据权利要求1或2所述的定位方法，其特征在于：
所述光电转换模块包括用于接收所述传能光纤所传输的激光并转换成电能的光伏电池，及用于对所述光伏电池所输出的电压进行调节的电源管理模块；所述电源管理模块向所述回路电阻测量模块输出工作电压。
4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的定位方法，其特征在于：
所述回路电阻测量模块包括电压检测模块与电流检测模块，所述电压检测模块包括与回路并联的分压电路模块及用于对所述分压电路模块的下游侧电阻的两端电压进行放大的第二放大器，所述电流检测模块包括串联在回路中的检流电阻及用于对所述检流电阻两端的电压进行放大的第一放大器。
5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的定位方法，其特征在于，所述在无法接收到首故障节点与位于其下游的节点的状态反馈信号时的步骤包括：
在预设时间点未收到节点通过所述复合线缆向所述岸基站所发出的状态反馈信号。
6.一种海底观测网，包括岸基站及基于海缆供能及传输信号的中继节点与终端节点，所述海缆为给各节点供能及传输信号的复合线缆，其特征在于：
所述海底观测网包括检测线路；所述检测线路包括布设在所述岸基站处的激光源，布置在各节点处的回路电阻测量模块与光电转换模块，及布置所述岸基站与各个节点之间的传能光纤与通信光纤；
所述回路电阻测量模块基于电阻法对其所处节点至海缆短路故障点处的海缆段与海水所组成回路的回路电阻值进行检测；
所述传能光纤用于将所述激光源所供给的激光传输至各个节点处的所述光电转换模块；所述光电转换模块用于将所接收到的激光转换成电能，并供给至所述回路电阻测量模块；
所述回路电阻测量模块通过所述通信光纤向所述岸基站回传回路电阻检测信号。
7.根据权利要求6所述的海底观测网，其特征在于：
所述光电转换模块包括用于接收所述传能光纤所传输的激光并转换成电能的光伏电池，及用于对所述光伏电池所输出电压进行调节的电源管理模块；所述电源管理模块向所述回路电阻测量模块输出工作电压。
8.根据权利要求6或7所述的海底观测网，其特征在于：
所述回路电阻测量模块包括电压检测模块与电流检测模块，所述电压检测模块包括与回路并联的分压电路模块及用于对所述分压电路模块的下游侧电阻的两端电压进行放大的第二放大器，所述电流检测模块包括串联在回路中的检流电阻及用于对所述检流电阻两端的电压进行放大的第一放大器。
9.根据权利要求6至8任一项权利要求所述的海底观测网，其特征在于：
所述海底观测网包括处理器与存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，能实现权利要求1至5任一项权利要求所述的定位方法的步骤。
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