一種基于二次脈沖的海底電纜故障定位裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電纜檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于二次脈沖的海底電纜故障定位 裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著偏遠(yuǎn)海島的開發(fā)增多W及遠(yuǎn)洋資源開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，跨海電能需求急劇 增加，需要鋪設(shè)的海底電纜越來越多，人類海洋活動的增多導(dǎo)致海底電纜受拖錯、漁業(yè)捕 拱、船只拖拽、岸基作業(yè)等因素的破壞現(xiàn)象頻繁發(fā)生，當(dāng)海底電纜受損時，必定會導(dǎo)致電纜 供電異常甚至不能繼續(xù)供電。因此，必須及時對故障點(diǎn)進(jìn)行測距、定位，進(jìn)而修復(fù)故障并恢 復(fù)供電。而測距的精確度又在很大程度上影響了故障修復(fù)所用的時間。
[0003] 目前可用于海底電纜故障測距的方法有電橋法和行波法，電橋法由于其使用范圍 的限制而慢慢變成一種輔助測距方法，而更常用的是行波法。行波法能對于占總故障90% 左右的高阻性故障進(jìn)行檢測。行波法的基本原理是通過向電纜中注入一次或者多次脈沖， 通過采集反射脈沖，計(jì)算行波在電纜中傳播的時間，結(jié)合行波在電纜中的傳播速度，兩者相 乘即可測出故障點(diǎn)距離。然而在實(shí)際使用中卻遇到了很多問題，第一：行波在電纜中傳播速 度隨電纜材質(zhì)的不同而不同，因此必須通過經(jīng)驗(yàn)法來選擇行波速度大小，所選擇行波的波 速大小與實(shí)際行波波速肯定存在一定偏差；第二：理論上，行波在電纜中傳播速度等于光 速，雖然實(shí)際中傳播速度有所減小，但傳播速度值仍然很大，在檢測行波在電纜中傳播時間 時，采集到的反射脈沖中噪聲會對時間的計(jì)算產(chǎn)生影響，最終通過時間與速度相乘計(jì)算故 障點(diǎn)距離時，致使測距偏差很大，會大大增加定位所需人力和物力，甚至?xí)?dǎo)致最終不能定 位故障點(diǎn)。因此，尋找一種可靠性好、精度高的海底電纜故障測距方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)一種操 作簡單實(shí)用的故障點(diǎn)測距裝置，已成為急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于二次脈沖的海底電纜故障定位裝 置及方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0006] 一種基于二次脈沖的海底電纜故障定位裝置，包括利用二次脈沖法產(chǎn)生二次脈沖 并注入海底電纜的二次脈沖模塊，還包括：傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和中 央處理單元；
[0007] 所述傳感器模塊，用于采集海底電纜故障反射電信號，并將其送入信號調(diào)理模 塊；
[0008] 所述信號調(diào)理模塊，用于接收傳感器傳送的海底電纜故障反射電信號，并對其進(jìn) 行調(diào)壓、濾波后得到所需的模擬電信號輸出給A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0009] 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于將其接收的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，并輸出給中 央處理單元；
[0010] 所述中央處理單元，用于對接收的數(shù)字電信號進(jìn)行濾波后提取其特征值，再采用 基于多特征值的測距方法計(jì)算出海底電纜故障位置；其一步包括：
[0011] 分類模塊：接收的數(shù)字電信號，并依據(jù)頻率將所述數(shù)字電信號劃分為高頻信號和 低頻信號并均輸出給濾波模塊；
[0012] 濾波模塊：分別利用變尺度平滑濾波方法、小波濾波方法對輸入的高、低頻信號進(jìn) 行濾波，并將濾波后的高、低頻信號輸出給重構(gòu)模塊；
[0013]重構(gòu)模塊：將輸入的高、低頻信號重構(gòu)為原始信號并輸出給特征值提取模塊；
[0014] 特征值提取模塊：利用基于變量間信息的特征提取方法對重構(gòu)的信號提取特征值 并輸出給故障診斷模塊；所述特征值包括脈沖幅值、脈沖寬度、半幅值脈寬和脈沖面積；
[0015] 故障診斷模塊：W所述特征值為輸入，相應(yīng)的故障點(diǎn)距離預(yù)測值為輸出，建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練后得到特征值一故障點(diǎn)距離擬合模型；基于特 征值一故障點(diǎn)距離擬合模型和多特征值的測距方法，計(jì)算出故障點(diǎn)距離終值，進(jìn)而確定海 底電纜故障點(diǎn)位置。
[0016] 根據(jù)所述的海底電纜故障定位裝置，所述中央處理單元為FPGA ;
[0017] 采用海底電纜故障定位裝置的海底電纜故障定位方法，包括如下步驟：
[0018] 步驟1:采集通過二次脈沖法得到的海底電纜故障反射電信號；
[0019] 步驟2對所述反射電信號進(jìn)行調(diào)壓、濾波處理得到所需的模擬電信號；
[0020] 步驟3 :對所述的模擬電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理得到數(shù)字電信號；
[0021] 步驟4 :依據(jù)頻率將數(shù)字電信號劃分為高、低頻兩類信號；
[0022] 步驟5 :分別利用變尺度平滑濾波方法、小波濾波方法對高、低頻信號進(jìn)行濾波；
[0023] 步驟6 :將濾波后的高、低頻信號進(jìn)行重構(gòu)為原始信號；
[0024] 步驟7 :利用基于變量間信息的特征提取方法提取重構(gòu)信號的特征值，包括脈沖 幅值Uf、脈沖寬度Tf、半幅值脈沖寬度和脈沖面積S f;
[002引步驟8 :W所述特征值為輸入，相應(yīng)的故障點(diǎn)距離預(yù)測值為輸出，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 板型；
[002引步驟9 :利用步驟1至步驟7的方法，獲得不同故障點(diǎn)對應(yīng)的故障反射電信號的特 征值，并相應(yīng)實(shí)測每一故障點(diǎn)距離后，與各自對應(yīng)的特征值進(jìn)行一一組合得到多組訓(xùn)練樣 本；
[0027] 步驟10 :利用步驟9的多組訓(xùn)練樣本對步驟8建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練， 輸出結(jié)果與對應(yīng)的故障點(diǎn)距離實(shí)測值誤差最小的一次BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為特征值一故障點(diǎn)距 離擬合模型；
[0028] 步驟11 :在進(jìn)行海底電纜故障定位時，重復(fù)執(zhí)行步驟1至步驟7多次，相應(yīng)得到待 測故障點(diǎn)的多組故障反射電信號及其特征值，并將所述多組特征值作為輸入量分別與步驟 10獲得的特征值一故障點(diǎn)擬合模型進(jìn)行匹配，相應(yīng)得到多組故障點(diǎn)距離預(yù)測值，采用基于 多特征值的測距方法，計(jì)算出該待測故障點(diǎn)距離終值，進(jìn)而確定該待測故障點(diǎn)的位置；
[0029] 所述基于多特征值的測距方法為：a)按照從小到大的順序?qū)λ龅亩嘟M故障點(diǎn) 距離預(yù)測值進(jìn)行排列為Li，L2,…，L。，其中η為總組數(shù)；b)按照a)中所述排列順序，從頭至 尾依次計(jì)算相鄰組故障點(diǎn)距離預(yù)測值之差值Δι，Δζ，···，Δη?，即Δι=iLi-Lzl，Δ2 = L2-L3I，…，Δη1= |Ln i-Lj，令ε1= Δ ι/Δ w，i = 1，2,…，n-2 ;c)若1-曰《ε 1+曰， 其中α>ο為鄰近1的小數(shù)，則該待測故障點(diǎn)距離終值為所述多組故障點(diǎn)距離預(yù)測值的平 均值；若存在Ει>1+α或者ει<1-α，表明某組故障點(diǎn)距離預(yù)測值較其他組故障點(diǎn)距 離預(yù)測值偏差較大，則將所述多組故障點(diǎn)距離預(yù)測值中的最大值和最小值剔除，剩余故障 點(diǎn)距離預(yù)測值取平均值即為該待測故障點(diǎn)距離終值。
[0030] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采集到反射脈沖信號后，根據(jù)信號的成份不同選擇不 同的方法進(jìn)行濾波，低頻信號采用2層小波分解方法，高頻信號采用多層小波分解，W提高 濾波效果，能更好地捕捉到反射脈沖信號的細(xì)節(jié)信息，確保特征值的準(zhǔn)確性。然后建立了W 四個特征值作為四個輸入、故障點(diǎn)距離預(yù)測值作為輸出的ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，W21組數(shù)據(jù)作為樣 本，進(jìn)行多次重復(fù)訓(xùn)練，選擇其中效果較好的一次網(wǎng)絡(luò)，然后將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù) 據(jù)進(jìn)行對比，分析其誤差，誤差較小，在一定程度上達(dá)到了對海底電纜故障點(diǎn)距離預(yù)測的效 果。本發(fā)明的海底電纜故障定位方法可靠性好、精度高，且相應(yīng)的海底電纜故障定位裝置操 作簡單實(shí)用。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于二次脈沖的海底電纜故障結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式的二次脈沖模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式的信號調(diào)理模塊的電路原理圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式的ADS7844與FPGA的接口電路連接示意圖；
[0035] 圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的海底電纜故障點(diǎn)反射脈沖信號的四個特征值的示 意圖；
[0036] 圖6為本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于二次脈沖的海底電纜故障定位方法流程圖；
[0037] 圖7為本發(fā)明一種實(shí)施方式的ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；
[0038] 圖8為本發(fā)明一種實(shí)施方式的基于多特征值的測距方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種實(shí)施方式作詳細(xì)說明。
[0040] 本實(shí)施方式的海底電纜故障定位裝置，如圖1所示包括：包括用于產(chǎn)生產(chǎn)生高、低 壓二次電脈沖信號并將二次脈沖信號注入海底電纜的二次脈沖模塊，還包括：傳感器模塊、 信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和中央處理單元；本實(shí)施方式的傳感器模塊，用于采集通過二 次脈沖法得到的海底電纜故障反射電信號，并將其送入信號調(diào)理模塊；本實(shí)施方式的傳感 器模塊才用的是型號為BTR-VJ32A的電壓傳感器；本實(shí)施方式的中央處理單元采用的是型 號為EP3C25Q240C8的FPGA中央處理單元。
[0041] 本實(shí)施方式的二次脈沖模塊，如圖2所示，首先高壓脈沖源（沖擊高壓或直流電 壓）產(chǎn)生高壓信號，經(jīng)過球隙、二次脈沖產(chǎn)生器形成高壓脈沖信號送入海底電纜，在故障點(diǎn) 閃絡(luò)處（電弧的電阻值很低）維持低阻狀態(tài)一段時間（一般為500ms左右）；然后，高壓脈 沖源再發(fā)射一個低壓信號，經(jīng)過球隙、二次脈沖產(chǎn)生器形成低壓脈沖信號送入電纜，此脈沖 在故障點(diǎn)閃絡(luò)處發(fā)生短路反射。由BTR-VJ32A電壓傳感器采集兩次脈沖反射信號，并將其 送入信號調(diào)理模塊。圖中G為二極管、C為大小為500μF的電容，R為大小為3歐姆的電 阻。
[0042] 本實(shí)施方式的信號調(diào)理模塊的電路原理如圖3所示，用于接收BTR-VJ32A電壓 傳感器傳送的海底電纜故障反射電信號，并對其進(jìn)行調(diào)壓、濾波后得到所需的模擬電信號 輸出給A/D轉(zhuǎn)換模塊；BTR-VJ32A電壓傳感器將采集到的反射信號首先經(jīng)過RC濾波電路 進(jìn)行濾波，然后經(jīng)一個20K的電阻連接到運(yùn)算放大器的輸出端，運(yùn)算放大器同相輸入端接 2. 5V的參考電壓，其中，運(yùn)算放大器的型號為AD824,運(yùn)放的輸出端經(jīng)過一個20K的電阻與 ADS7844 的 1/01 端口 相連；
[0043] 本實(shí)施方式的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用的是型號為ADS7844的A/D轉(zhuǎn)換模塊，ADS7844將 其接收的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，并將該數(shù)字電信號送入EP3C25Q240C8FPGA中央 處理單元進(jìn)行故障點(diǎn)定位。A/D轉(zhuǎn)換模塊與FPGA的接口電路如圖4所示，ADS7844的CS端 連接FPGA時序控制模塊的I/O口；
[0044] 本實(shí)施方式EP3C25Q240C8的FPGA中央處理單元，用于對接收的數(shù)字電信號進(jìn)行 濾波后提取其特征值，再采用基于多特征值的測距方法計(jì)算出海底電纜故障位置；其一步 包括：
[0045] 分類模塊：依據(jù)頻率，將接收的數(shù)字電信號劃分為高頻信號和低頻信號并均輸出 給濾波模塊；本實(shí)施方式中高低頻的界限是300Hz;