CN110927802B - 基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法及定位仪 - Google Patents

基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法及定位仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法及定位仪，其特征在于：其包括以下步骤：1)用大功率交变电流源连接故障海缆，输出稳定频率、稳定幅度的正弦电流信号I0sin(ωt)；2)用水密电缆将用于测量数据的水面拖体与测量船上的船载上位机连接，测量船拖拽水面拖体从故障海缆的供电端出发沿故障海缆铺设方向移动；3)基于水面拖体检测到的频率ω为交变磁场信号，计算得到故障海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)；4)根据得到的故障海缆经纬度坐标lon2(t1)和lat2(t1)，在二维经纬度坐标图上进行故障海缆路由绘制，并判断路由中断处为故障海缆的故障点。本发明涉及的方法无需采用在海缆附近“S”型的扫测巡线方式，大大提高了故障定位效率，操作更加简单。

Description

基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法及定位仪
技术领域
本发明涉及一种海缆故障点定位方法，特别是一种基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法及定位仪。
背景技术
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。因此，海缆故障精确定位是海缆运行与维护中的一个重要环节。当海缆发生故障时，故障点定位效率与精度直接影响海缆检修的时间，进而影响因海缆故障引起的直接损失与间接损失。
目前，海缆故障精确定位采用接收线圈装置接收海缆故障电流在空间中产生的磁通量变化，根据磁通量的峰值确定故障海缆位置，进而判断故障点位置。因此，测量船需要在故障海缆附近进行“S”型扫测方式，确保线圈装置经过故障海缆正上方获取峰值数据，故障检测效率较低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中海缆故障点测量需要进行“S”型扫测的方式获取峰值数据，故障检测效率较低的问题，提出一种定位效率更高的基于磁矢量数据的海缆故障精确定位仪及定位方法。
为了达到目的，本发明提供的技术方案为：
本发明涉及的一种基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法包括以下步骤：
1)用大功率交变电流源连接故障海缆，输出稳定频率、稳定幅度的正弦电流信号I0sin(ωt)；
2)用水密电缆将用于测量数据的水面拖体与测量船上的船载上位机连接，测量船拖拽水面拖体从故障海缆的供电端出发沿故障海缆铺设方向移动；
3)基于水面拖体检测到的频率ω为交变磁场信号，计算得到故障海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)；
4)根据得到的故障海缆经纬度坐标lon2(t1)和lat2(t1)，在二维经纬度坐标图上进行故障海缆路由绘制，并判断路由中断处为故障海缆的故障点。
优选地，所述步骤3)具体包括以下步骤：
3.1)当运动至t1时刻时，水面拖体检测到频率ω为交变磁场信号，水面拖体向船载上位机输出该地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)，以及地磁场总场数据B0、经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)；
3.2)船载上位机对地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)进行修正，得到修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)；
3.3)分别对修正后的地磁三分量数据进行傅里叶变换，并分别取ω频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)；
3.4)根据幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)计算水面拖体距离故障海缆的水平距离L与方向角θ；
3.5)根据t1时刻经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)以及计算得到的水面拖体距离故障海缆的水平距离L与方向角θ，计算故障海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)。
优选地，所述的水面拖体包括：
原子磁力仪，用于测量地磁场总场数据B0；
三轴磁通门磁力仪，用于测量正弦电流信号的交流磁场三分量；
姿态仪，测量水面拖体的姿态数据，并根据姿态数据将交流磁场三分量转化为地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)；
导航定位仪，用于测量水面拖体的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)；
下位机，用于接收原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和导航定位仪测量的数据，并将数据传输给船载上位机。
优选地，所述的水面拖体包括非金属水密舱，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪和下位机均通过刚性连接的方式安装于非金属水密舱内，非金属水密舱的外侧设有用于连接水密电缆的水密接插件，下位机与水密接插件连接。
优选地，所述的船载上位机对地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)进行修正的计算方式为：
Figure BDA0002296883310000031
Figure BDA0002296883310000032
Figure BDA0002296883310000033
优选地，所述的水面拖体距离故障海缆的水平距离L的计算方式为：
Figure BDA0002296883310000034
其中μ0为真空磁导率。
优选地，所述的水面拖体与故障海缆的方向角θ的计算方式为：
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝-arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
当Bx1(t1)与Bz1(t1)同相位时，θ＝arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))。
优选地，所述的故障海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)的计算方式为：lat2(t1)＝arcsin(sin(lat1(t1))×cos(L/R)+cos(lat1(t1))×sin(L/R)×cos(θ))；
Figure BDA0002296883310000035
其中，R为地球半径。
一种基于磁矢量数据的海缆故障精确定位仪，其特征在于：其包括水面拖体、船载上位机和水密电缆；所述的水面拖体包括原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪和下位机，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪均与下位机电缆连接；所述的下位机通过水密电缆与船载上位机连接。
优选地，所述的水面拖体还包括非金属水密舱，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪和下位机均通过刚性连接的方式安装于非金属水密舱内，非金属水密舱的外侧设有用于连接水密电缆的水密接插件，下位机与水密接插件连接。非金属水密舱内起到防水的作用，防止原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪和下位机浸水损坏。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明通过测量船拖拽水面拖体的方式，使水面拖体在故障海缆附近且沿着故障海缆运动，通过水面拖体测量地磁场总场、正弦电流信号的交流磁场三分量、地理坐标下的磁场三分量以及水面拖体的坐标，并根据数据计算得到海缆故障点的具体坐标，测量船可以采用沿着海缆路线的方式巡线，与传统技术采用“S”型的扫测巡线方式相比，提高了故障定位的效率。
2、本发明探测装置无需经过故障海缆的正上方，只需要在故障海缆的附近即可完成数据收集，并通过计算得到故障点的准确位置，操作更加简单。
附图说明
图1是本发明涉及的测量装置的框架图；
图2是本发明涉及的海缆故障点数据收集过程的原理图。
标注说明：1-水面拖体，2-水密电缆，3-船载上位机，4-交变电流源，5-原子磁力仪，6-三轴磁通门磁力仪，7-姿态仪，8-导航定位仪，9-下位机，10-非金属水密舱。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
结合附图1和2所示，本发明涉及的基于磁矢量数据的海缆故障精确定位仪包括水面拖体1、水密电缆2和船载上位机3，所述的水面拖体1包括原子磁力仪5、三轴磁通门磁力仪6、姿态仪7、导航定位仪8、下位机9和非金属水密舱10，原子磁力仪5、三轴磁通门磁力仪6、姿态仪7、导航定位仪8和下位机9均通过刚性连接的方式安装于非金属水密舱10内，非金属水密舱10的外侧设有用于连接水密电缆2的水密接插件，原子磁力仪5、三轴磁通门磁力仪6、姿态仪7、导航定位仪8均与下位机9连接，下位机9又与水密接插件连接，非金属水密舱10通过水密电缆2与安装在测量船上的船载上位机3通信连接。
上述原子磁力仪5采用加拿大Scintrex公司生产的型号为CS-3高精度铯光泵磁力仪，用于测量地磁场总场数据B0；三轴磁通门磁力仪6采用英国Bartington公司生产的型号为Mag-13三轴磁通门，用于测量正弦电流信号的交流磁场三分量；姿态仪7采用三维姿态仪，其通过姿态转换的方式将交流磁场三分量转化为地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)；导航定位仪8采用加拿大Hemisphere生产的R330型导航定位仪，用于测量水面拖体1的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)；非金属水密舱10采用碳纤维材料构成，水密电缆2采用多芯凯夫拉缆；下位机用于接收原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和导航定位仪测量的数据，并将数据传输给船载上位机3；船载上位机3用于接收下位机传输的数据并计算故障点。
实施例二
结合附图2所示，本发明涉及的一种基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法包括以下步骤：
1)用大功率的交变电流源4连接在故障海缆的供电端，调节大功率交变电流源4，输出稳定频率ω、稳定幅度I0的正弦电流信号；
2)用水密电缆将用于测量数据的水面拖体1与测量船上的船载上位机3连接，并将水面拖体1置于水中，船载上位机3放置在测量船上，测量船从故障海缆的供电端出发，以故障海缆的铺设线路为行驶线路航行，并拖拽水面拖体1从故障海缆的供电端出发沿故障海缆铺设方向移动，水面拖体1始终位于故障海缆的附近；
3.1)当运动至t1时刻时，水面拖体1检测到频率ω为交变磁场信号，即水面拖体1运动到故障海缆故障点附近。原子磁力仪5测量地磁场总场B0；三轴磁通门磁力仪6测量交流磁场三分量；姿态仪7采用姿态转换的方式将交流磁场三分量转换到地理坐标下的磁场三分量Bx(t)、By(t)、Bz(t)，其中，Bx(t)代表正东方向磁场分量，By(t)代表正北方向磁场分量，Bz(t)代表垂直方向磁场分量；导航定位仪8测量水面拖体的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)；下位机9接收原子磁力仪5、三轴磁通门磁力仪6、姿态仪7和导航定位仪8测量的数据，下位机9通过水密电缆2将数据传输给船载船载上位机3；
3.2)船载上位机3对地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)进行修正，计算方式为：
Figure BDA0002296883310000061
Figure BDA0002296883310000062
Figure BDA0002296883310000063
得到修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)；
3.3)分别对修正后的地磁三分量数据进行傅里叶变换，并分别取ω频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)；
3.4)根据幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)计算水面拖体距离故障海缆的水平距离L与方向角θ，其中水面拖体距离故障海缆的水平距离L的计算方式为：
Figure BDA0002296883310000064
其中μ0为真空磁导率；
水面拖体与故障海缆的方向角θ的计算方式为：
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝-arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
当Bx1(t1)与Bz1(t1)同相位时，θ＝arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))。
3.5)根据t1时刻经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)以及计算得到的水面拖体距离故障海缆的水平距离L与方向角θ，计算故障海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)，具体计算方式为：
lat2(t1)＝arcsin(sin(lat1(t1))×cos(L/R)+cos(lat1(t1))×sin(L/R)×cos(θ))；
Figure BDA0002296883310000065
其中，R为地球半径。
4)根据得到的故障海缆经纬度坐标lon2(t1)和lat2(t1)，在二维经纬度坐标图上进行故障海缆路由绘制，并判断路由中断处为故障海缆的故障点。
本发明的工作机理是：利用大功率交变电流源4从故障海缆的供电端注入特定频率且稳定的正弦交流电流信号，该信号将沿着故障海缆传输并在故障点进入海水或大地。交流电流信号产生的交流磁场三分量将三轴磁通门磁力仪探测，地磁场总场由原子磁力仪测量；然后通过姿态仪提供的姿态数据将交流磁场三分量转换到地理坐标下的磁场三分量；然后结合长直导线上电流产生磁场的模型，通过地理坐标下的磁场三分量和测量点的地理坐标，计算探测点与故障海缆的相对位置，绘制故障海缆路由，根据路由中断点的位置判断故障点位置。
这种方法基于原子磁力仪磁场测量精度高和三轴磁通门磁力仪准确测量磁场角度的特点，通过计算，准确获得施加在海缆上的待测电流信号在探测点产生的磁场三分量数据。结合电流产生的磁场模型、水面拖体姿态以及水面拖体地理位置，计算探测点与海缆的相对位置关系，绘制海缆故障路由，根据路由中断点的位置判断故障点位置。该方法要求探测点在故障海缆附近即可进行探测，因此可以采用沿着海缆路由的巡线方式，无需采用在海缆附近“S”型的扫测巡线方式，大大提高了故障定位效率。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)用大功率交变电流源连接故障海缆，输出稳定频率、稳定幅度的正弦电流信号I0sin(ωt)；
2)用水密电缆将用于测量数据的水面拖体与测量船上的船载上位机连接，测量船拖拽水面拖体从故障海缆的供电端出发沿故障海缆铺设方向移动；
3)基于水面拖体检测到的频率ω为交变磁场信号，计算得到故障海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)，其具体包括以下步骤：
3.1)当运动至t1时刻时，水面拖体检测到频率为ω交变磁场信号，水面拖体向船载上位机输出该地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)，以及地磁场总场数据B0、经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)；
3.2)船载上位机对地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)进行修正，得到修正后的地磁三分量数据Bx1(t1)、By1(t1)、Bz1(t1)，修正的计算方式为：
Figure FDA0003309767590000011
Figure FDA0003309767590000012
Figure FDA0003309767590000013
3.3)分别对修正后的地磁三分量数据进行傅里叶变换，并分别取ω频率点上的幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)；
3.4)根据幅值Ax1(t1)、Ay1(t1)、Az1(t1)计算水面拖体距离故障海缆的水平距离L与方向角θ，水平距离L的计算方式为：
Figure FDA0003309767590000014
其中μ0为真空磁导率；
方向角θ的计算方式为：
当Bx1(t1)与Bz1(t1)反相位时，θ＝-arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
当Bx1(t1)与Bz1(t1)同相位时，θ＝arctan(Ax1(t1)/Ay1(t1))；
3.5)根据t1时刻经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)以及计算得到的水面拖体距离故障海缆的水平距离L与方向角θ，计算故障海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)，故障海缆的经度坐标lon2(t1)和纬度坐标lat2(t1)的计算方式为：
lat2(t1)＝arcsin(sin(lat1(t1))×cos(L/R)+cos(lat1(t1))×sin(L/R)×cos(θ))；
Figure FDA0003309767590000021
其中，R为地球半径；
4)根据得到的故障海缆经纬度坐标lon2(t1)和lat2(t1)，在二维经纬度坐标图上进行故障海缆路由绘制，并判断路由中断处为故障海缆的故障点。
2.根据权利要求1所述的基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法，其特征在于：所述的水面拖体包括：
原子磁力仪，用于测量地磁场总场数据B0；
三轴磁通门磁力仪，用于测量正弦电流信号的交流磁场三分量；
姿态仪，测量水面拖体的姿态数据，并根据姿态数据将交流磁场三分量转化为地理坐标下的地磁三分量数据Bx(t)、By(t)、Bz(t)；
导航定位仪，用于测量水面拖体的经度坐标lon1(t1)和纬度坐标lat1(t1)；
下位机，用于接收原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪和导航定位仪测量的数据，并将数据传输给船载上位机。
3.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆故障精确定位方法，其特征在于：所述的水面拖体包括非金属水密舱，原子磁力仪、三轴磁通门磁力仪、姿态仪、导航定位仪和下位机均通过刚性连接的方式安装于非金属水密舱内，非金属水密舱的外侧设有用于连接水密电缆的水密接插件，下位机与水密接插件连接。
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