CN110794262A - 一种海底电缆故障精确定点系统及其方法 - Google Patents

一种海底电缆故障精确定点系统及其方法 Download PDF

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李会军
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郭小凯
李辰
鲁晓一
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Abstract

本发明提供一种海底电缆故障精确定点系统。一种海底电缆故障精确定点系统，其中，包括定位模块、声磁同步检测模块、磁场强度探测模块、故障点自动解析模块和数据分析模块，定位模块和磁场强度探测模块与数据分析软件进行连接，定位模块和所述声磁同步检测模块与故障点自动解析模块连接，故障点自动解析模块与数据分析模块连接，磁场强度探测模块与定位模块连接，定位模块与声磁同步检测模块连接，磁场强度探测模块与声磁同步检测模块连接。本发明还有一个目的是提供一种海底电缆故障精确定点系统方法。本发明能够快速地对长距离海底电缆故障点进行精确定点，提高故障点查找效率，从而提高供电系统的可靠性，减少经济损失。

Description

一种海底电缆故障精确定点系统及其方法
技术领域
本发明涉及海底电缆故障检测技术领域，更具体地，涉及一种海底电缆故障精确定点系统及其方法。
背景技术
海底电缆是跨海域联网工程建设的重要组成部分，在实现电网国际化、区域电网互联进程中起着重要作用。近年来，随着经济水平的提高，各海岛及陆地对电能的需求越来越多，全国电网许多区域建设并且在建大量海底电缆及海上风电，如江门、湛江、珠海、汕头、舟山等海岛间的海底电缆。
但在海底电缆运维方面，在海底电缆高精度监测、检测，以及海底电缆发生故障后故障位置预警、故障点快速定位等，由于缺乏相关的技术标准和仪器设备，问题较为突出。通过海底电缆故障预定位技术，我们只能够获得一个大致的范围，而接下来的海底电缆故障精确定点，需要人工反复打捞目标电缆，再结合声磁同步法，通过故障点放电声音找到故障点，这一步骤往往消耗的时间最多，过程最为繁琐，也会产生巨大的成本。
目前市场上用于电缆故障精确定点的方法主要有磁场探测法，声磁同步法，跨步电压法等。由于海底电缆敷设环境复杂，上述方法在海水环境条件下会受到较大的限制，不方便实施，也不能得到预计的精度，从而给海底电缆故障精确定点带来困扰。
发明内容
本发明的目的在于克服现有海底电缆故障精确定点的过程复杂，定位精度差的缺点，提供一种海底电缆故障精确定点系统。本发明能够快速地对长距离海底电缆故障点进行精确定点，提高故障点查找效率，缩短故障点精确定点时间，从而提高供电系统的可靠性，减少经济损失。
本发明还有一个目的是提供一种海底电缆故障精确定点系统方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海底电缆故障精确定点系统，其中，包括定位模块、声磁同步检测模块、磁场强度探测模块、故障点自动解析模块和数据分析模块，所述定位模块和磁场强度探测模块与所述数据分析软件进行连接，所述定位模块和所述声磁同步检测模块与所述故障点自动解析模块连接，所述故障点自动解析模块与所述数据分析模块连接，所述磁场强度探测模块与所述定位模块连接，所述定位模块与所述声磁同步检测模块连接，所述磁场强度探测模块与所述声磁同步检测模块连接。
进一步的，所述磁场强度探测模块包括磁场传感器，所述磁场传感器测得海水中的磁场强度分布，将测得磁场强度分布输入数据分析模块。将磁场传感器放入海水中，可以测得海水中的磁场强度分布，基于地理信息技术，以不同的颜色将探测到的磁场强度表示在数据分析模块中；由于被测海底电缆会对周围环境的磁场造成影响，越靠近被测海底电缆，则测得的磁场强度越大，以此为依据寻找被测海底电缆的位置；使用一个竖直方向上的线圈来测量磁场的方向，由右手螺旋法则可知，通电导线产生的磁场在两侧竖直方向上的方向相反。在数据分析模块中用‘+’和‘-’分别表示所测得磁场的方向，当磁场极性发生变化，则说明磁场传感器越过了被测海底电缆，由此可以确定海底电缆的路径。
进一步的，所述声磁同步检测模块包括水听器，所述磁场传感器与所述水听器连接绑定在一起。由于海底电缆在发生高阻或者闪络故障时，故障点产生放电振动和电磁波，磁场传感器检测到电磁波的时刻作为计时的起始点，水听器检测到振动的时刻作为计时的终点，将这两者的时间差ti由声磁同步检测模块输入故障点自动解析模块。
进一步的，所述定位模块测得所述磁场传感器或水听器的空间位置(xi,yi,zi)，所述定位模块将测得的所述空间位置(xi,yi,zi)输入到所述故障点自动解析模块和数据分析模块。磁场传感器或水听器在多次测量所处的空间位置为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，……，(xi,yi,zi)，其中x表示经度，y表示纬度，z表示磁场传感器位于海平面之下的深度，i为磁场传感器第i个测量点。
进一步的，所述数据分析模块根据所述空间位置(xi,yi,zi)和磁场强度分布，确定海底电缆路径。测得的空间位置(xi,yi,zi)和磁场强度分布输入数据分析模块，能够确定海底电缆路径，同时将磁场传感器位置与电缆路径进行联系。
一种海底电缆故障精确定点系统方法，包括以下步骤：
S1.定位模块测得磁场传感器或水听器的空间位置(xi,yi,zi)；
S2.数据分析模块根据空间位置(xi,yi,zi)和磁场传感器测得的磁场强度分析形成海底电缆路径和磁场分布；
S3声磁同步检测模块测得时间差ti；
S4.故障点自动解析模块根据空间位置(xi,yi,zi)与时间差数值ti进行数值计算，得出故障点的最优解；
S5.在数据分析模块显示最优解在海底电缆路径的位置。
在步骤S4中，故障点自动解析模块提前设置精度阈值ε，故障点自动解析模块基于数值计算算出解的误差值等于或小于ε，则为最优解。
在步骤S4中，所述数值计算详细步骤是：
Figure BDA0002318019480000031
其中Di＝v×ti
N为磁场传感器测试次数，大于等于4，且N次测量不处于同一个平面中。
v为故障点放电振动在海底电缆敷设介质中的传播速度。
由于测量误差的存在，此方程组在实际的应用中是无解的，只能通过一些数值计算的方法求得其最优解，一般来说，测量次数越多，联立出的方程越多，定位越精确。为求解方程组(1)，先将两边平方，用第i个测量点方程减去第k个测量点方程，且i不等于k，消去二次项，得到如下的方程形式的方程组：
Figure BDA0002318019480000032
通过i和k的不同组合可以产生[N(N-1)]/2个线性方程，且i不等于k，其中只有N-1个独立方程，如果从所有方程中选取一个包含N-1个独立方程的集合，可以产生一个结果，为了避免选取时偏向某一个测量点方程从而造成较大误差，可以利用第i次测量方程减去第i-1次测量方程，得到如下方程形式的方程组：
Figure BDA0002318019480000033
令
Figure BDA0002318019480000034
则上述方程组(3)可以表示为：
aX＝b (4)
若aTa为非奇异矩阵，利用最小二乘法求解上述方程(4)得到解为：
X＝(aTa)-1aTb (5)
可以看出理想情况下，当N＝4时，a是一个3阶方阵，若此时a为非奇异矩阵，则最小二乘解就是方程组的解析解a-1b。
利用最小二乘法求解上述方程组可以快速得出定位结果的初值(x',y',z')，但是这个初值不是解的最优形式，为得到最优解，可以采用泰勒级数展开的方法。利用泰勒级数展开的方法，将每一个非线性方程在初始值附近展开成线性方程，从而可以将原来的N个独立非线性方程化成N个独立的线性方程，从而得到一个最小二乘最优解，这个解更接近真实值，再用这个解对初值进行迭代，并对方程组(1)继续进行泰勒展开求解，如此反复迭代，直到前后两次得到的解的误差小于设定值.
具体实现方法如下所述：将前述定位方程组(1)在初始值(x',y',z')附近(Δx,Δy,Δz)范围内泰勒展开成线性方程组，略去二阶以上的分量，得到如下方程：
AΔX＝B (6)
其中：
Figure BDA0002318019480000041
Figure BDA0002318019480000042
表示初始值(x',y',z')到第i次测量时探头的距离。
方程(6)的最小二乘最优解为：
ΔX＝(ATA)-1ATB
迭代公式为：
Figure BDA0002318019480000043
重复以上迭代过程直到
Figure BDA0002318019480000044
此时的精确度已经达到了我们的需求，解(x',y',z')就是故障点的最优解的坐标(x,y,z)
进一步的，在步骤S5中，对于海底电缆的低阻、死接地或断芯故障，所述数据分析模块的根据海底电缆磁场分布中能够直接在海底电缆路径中看出海底电缆的故障位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过磁场传感器、定位模块与数据分析模块的配合，测得磁场传感器所在位置的地理信息坐标和被测故障电缆磁场的分布，确定海底电缆的路径并缩小故障点的范围；通过声磁同步检测模块、定位模块和故障点自动解析模块的配合，能够多次测量从而计算得出海底电缆故障的精确定点；对于听不到放电声音的低阻、死接地或断芯故障，可基于数据分析模块得出海底电缆路径的磁场分布情况直接确定故障点的位置。
附图说明
图1为本发明一种海底电缆故障精确定点系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示为本发明一种海底电缆故障精确定点系统的实施例1。一种海底电缆故障精确定点系统，其中，包括定位模块、声磁同步检测模块、磁场强度探测模块、故障点自动解析模块和数据分析模块，定位模块和磁场强度探测模块与数据分析软件进行连接，定位模块和声磁同步检测模块与故障点自动解析模块连接，故障点自动解析模块与数据分析模块连接，磁场强度探测模块与定位模块连接，定位模块与声磁同步检测模块连接，磁场强度探测模块与声磁同步检测模块连接。磁场强度探测模块包括磁场传感器，声磁同步检测模块包括水听器，磁场传感器与水听器连接绑定在一起。
其中，磁场强度探测模块利用磁场传感器探测海水中的磁场强度分布，基于地理信息技术，以不同的颜色将探测到的磁场强度表示在数据分析模块中，越靠近被测海底电缆，则测得的磁场强度越大，以此为依据寻找被测海底电缆的位置，确定海底电缆的路径；定位模块测得所述磁场传感器或水听器的空间位置(xi,yi,zi)，定位模块将测得的空间位置(xi,yi,zi)输入到故障点自动解析模块和数据分析模块，数据分析模块将磁场传感器位置与电缆路径进行联系；由于海底电缆在发生高阻或者闪络故障时，故障点产生放电振动和电磁波，磁场传感器检测到电磁波的时刻作为计时的起始点，水听器检测到振动的时刻作为计时的终点，将这两者的时间差ti由声磁同步检测模块输入故障点自动解析模块，故障点自动解析模块根据输入的测得空间位置(xi,yi,zi)和时间差数值ti进行计算处理，得出故障点的精确定位，输入数据分析模块对应到海底电缆的路径上。
故障点自动解析模块具体计算如下：
Figure BDA0002318019480000061
其中Di＝v×ti
N为磁场传感器测试次数，大于等于4，且N次测量不处于同一个平面中。
v为故障点放电振动在海底电缆敷设介质中的传播速度。
在所述故障点自动解析模块设置精度阈值ε，所述故障点自动解析模块基于数值计算方法算出解的误差值等于或小于ε，则为最优解。由于测量误差的存在，此方程组在实际的应用中是无解的，只能通过一些数值计算的方法求得其最优解，一般来说，测量次数越多，联立出的方程越多，定位越精确。为求解方程组(1)，先将两边平方，用第i个测量点方程减去第k个测量点方程，且i不等于k，消去二次项，得到如下的方程形式的方程组：
通过i和k的不同组合可以产生[N(N-1)]/2个线性方程，，且i不等于k，其中只有N-1个独立方程，如果从所有方程中选取一个包含N-1个独立方程的集合，可以产生一个结果，为了避免选取时偏向某一个测量点方程从而造成较大误差，可以利用第i次测量方程减去第i-1次测量方程，得到如下方程形式的方程组：
Figure BDA0002318019480000063
令
Figure BDA0002318019480000064
则上述方程组(3)可以表示为：
aX＝b (4)
若aTa为非奇异矩阵，利用最小二乘法求解上述方程(4)得到解为：
X＝(aTa)-1aTb (5)
可以看出理想情况下，当N＝4时，a是一个3阶方阵，若此时a为非奇异矩阵，则最小二乘解就是方程组的解析解a-1b。
利用最小二乘法求解上述方程组可以快速得出定位结果的初值(x',y',z')，但是这个初值不是解的最优形式，为得到最优解，可以采用泰勒级数展开的方法。利用泰勒级数展开的方法，将每一个非线性方程在初始值附近展开成线性方程，从而可以将原来的N个独立非线性方程化成N个独立的线性方程，从而得到一个最小二乘最优解，这个解更接近真实值，再用这个解对初值进行迭代，并对方程组(1)继续进行泰勒展开求解，如此反复迭代，直到前后两次得到的解的误差小于设定值.
具体实现方法如下所述：将前述定位方程组(1)在初始值(x',y',z')附近(Δx,Δy,Δz)范围内泰勒展开成线性方程组，略去二阶以上的分量，得到如下方程：
AΔX＝B (6)
其中：
Figure BDA0002318019480000071
Figure BDA0002318019480000072
表示初始值(x',y',z')到第i次测量时探头的距离。
方程(6)的最小二乘最优解为：
ΔX＝(ATA)-1ATB
迭代公式为：
Figure BDA0002318019480000073
重复以上迭代过程直到
Figure BDA0002318019480000074
此时的精确度已经达到了我们的需求，解(x',y',z')就是故障点的最优解的坐标(x,y,z)。
计算出的最优解(x,y,z)输入数据分析模块中对应海底电缆的路径。
实施例2
本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，当海底电缆发生的故障是低阻、死接地或断芯，这些故障不会产生放电振动，但这些故障的磁场分布会明显不同，根据磁场分布就能够在数据分析模块中得出故障点的具体位置。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海底电缆故障精确定点系统，其特征在于：包括定位模块、声磁同步检测模块、磁场强度探测模块、故障点自动解析模块和数据分析模块，所述定位模块和磁场强度探测模块与所述数据分析软件进行连接，所述定位模块和所述声磁同步检测模块与所述故障点自动解析模块连接，所述故障点自动解析模块与所述数据分析模块连接，所述磁场强度探测模块与所述定位模块连接，所述定位模块与所述声磁同步检测模块连接，所述磁场强度探测模块与所述声磁同步检测模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种海底电缆故障精确定点系统，其特征在于，所述磁场强度探测模块包括磁场传感器，所述磁场传感器测得海水中的磁场强度分布，将测得磁场强度分布输入数据分析模块。
3.根据权利要求2所述的一种海底电缆故障精确定点系统，其特征在于：所述声磁同步检测模块包括水听器，所述磁场传感器与所述水听器连接绑定在一起。
4.根据权利要求3所述的一种海底电缆故障精确定点系统，其特征在于：所述定位模块测得所述磁场传感器或水听器的空间位置(xi,yi,zi)，所述定位模块将测得的所述空间位置(xi,yi,zi)输入到所述故障点自动解析模块和数据分析模块。
5.根据权利要求4所述的一种海底电缆故障精确定点系统，其特征在于：所述数据分析模块根据所述空间位置(xi,yi,zi)和磁场强度分布，确定海底电缆路径。
6.一种海底电缆故障精确定点系统方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.定位模块测得磁场传感器或水听器的空间位置(xi,yi,zi)；
S2.数据分析模块根据空间位置(xi,yi,zi)和磁场传感器测得的磁场强度分析形成海底电缆路径和磁场分布；
S3声磁同步检测模块测得时间差ti；
S4.故障点自动解析模块根据空间位置(xi,yi,zi)与时间差数值ti进行数值计算，得出故障点的最优解；
S5.在数据分析模块显示最优解在海底电缆路径的位置。
7.根据权利要求6所述的一种海底电缆故障精确定点系统方法，其特征在于：在步骤S4中，故障点自动解析模块提前设置精度阈值ε，故障点自动解析模块基于数值计算算出解的误差值等于或小于ε，则为最优解。
8.根据权利要求7所述的一种海底电缆故障精确定点系统方法，其特征在于：在步骤S4中，所述数值计算详细步骤是：
S41.设(x,y,z)为最优解，将空间位置(xi,yi,zi)带入下方的方程式：
Figure FDA0002318019470000021
S42.将两边平方，用第i个测量点方程减去第k个测量点方程，消去二次项，得到如下的方程形式的方程组：
Figure FDA0002318019470000022
S43.利用步骤S32中方程进行计算得出误差值等于或小于ε，则得出最优解。
9.根据权利要求8所述的一种海底电缆故障精确定点系统方法，其特征在于：在步骤S33.中将方程式
Figure FDA0002318019470000023
采用最小二乘法和泰勒展开法求解得出
Figure FDA0002318019470000024
则得出最优解(x,y,z)。
10.根据权利要求9所述的一种海底电缆故障精确定点系统方法，其特征在于：在步骤S5中，对于海底电缆的低阻、死接地或断芯故障，所述数据分析模块的根据海底电缆磁场分布中能够直接在海底电缆路径中看出海底电缆的故障位置。
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