計(jì)及復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)性的海纜敷設(shè)故障特征提取模型構(gòu)建

劉 黎，王 勇，桑清城，位一鳴

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021）

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，為滿足深海作業(yè)、獨(dú)立電網(wǎng)、海上風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)等電力供應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸需求，海纜作為提供能源供應(yīng)的關(guān)鍵樞紐，海纜敷設(shè)項(xiàng)目以破竹之勢(shì)獲得空前發(fā)展[1-3]，目前已引起業(yè)界各方面的關(guān)注及重視，已無法忽視海纜為人們生活帶來的極大便利，逐步成為社會(huì)生產(chǎn)、生活的重要內(nèi)容。由于海纜具有繁雜的組織結(jié)構(gòu)，且長(zhǎng)期處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，無論是外在因素的作用還是海纜本身問題，均可能引發(fā)故障。例如運(yùn)輸船只停泊拋錨導(dǎo)致的錨砸、鉤掛故障、海洋潮汐、外力作用下的海纜形變故障、海纜敷設(shè)過程造成的故障問題及老化故障等。一旦發(fā)生海纜故障，導(dǎo)致電力傳輸、通信中斷，必將造成嚴(yán)重后果，承擔(dān)經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。因此，采用何種方式有效監(jiān)測(cè)海纜的運(yùn)行狀態(tài)，確保海纜穩(wěn)定、正常運(yùn)行是當(dāng)下的熱點(diǎn)研究方向。

由于各類別海纜敷設(shè)故障均表現(xiàn)為海纜應(yīng)變、溫度的改變，利用光纖散射信號(hào)特征與之具有的關(guān)聯(lián)，采用分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，是監(jiān)測(cè)海纜狀態(tài)的有效手段，該技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、干擾性小、實(shí)時(shí)響應(yīng)、可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。

汪洋等[6]針對(duì)海纜的錨砸故障，提出利用分布式光纖振動(dòng)傳感設(shè)備對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析光纖信號(hào)能量及傅里葉變換幅度的時(shí)空數(shù)據(jù)分布，該方法雖可檢測(cè)錨砸故障，但該方法可檢測(cè)的故障類型單一、且故障特征區(qū)分不明顯；李勝輝等[7]為降低海纜的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提出采用平穩(wěn)小波變換法提取電纜早期故障特征，再利用隨機(jī)森林分類器識(shí)別電纜故障，但該方法故障診斷響應(yīng)耗時(shí)較長(zhǎng)、診斷結(jié)果具有一定偏差。分析現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，上述研究均忽略了復(fù)雜海洋環(huán)境對(duì)海纜敷設(shè)的影響，為此，鑒于目前海洋探測(cè)的不斷深入，以合理利用海洋環(huán)境的有利因素，規(guī)避不利因素影響為前提，本文構(gòu)建計(jì)及復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)性的海纜敷設(shè)故障特征提取模型，對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境下的海纜敷設(shè)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保海纜故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，提高海纜故障診斷效果。

1 海纜敷設(shè)故障特征提取模型構(gòu)建

1.1 復(fù)雜海洋環(huán)境對(duì)海纜敷設(shè)的影響

海洋環(huán)境具有多變性特性，敷設(shè)于其內(nèi)的海纜運(yùn)行狀態(tài)受海洋環(huán)境變化的影響較大，充分分析海洋的復(fù)雜環(huán)境對(duì)海纜敷設(shè)、海纜故障監(jiān)測(cè)及其維護(hù)至關(guān)重要。海纜敷設(shè)的主要影響因素包括以下內(nèi)容。

（1）海底地形具有多樣性變化，平坦、脊、槽地形全部存在，海纜敷設(shè)須避開海底山脈、峽谷區(qū)域[8]，既可避免增大海纜敷設(shè)量，加大成本投入，也可降低海纜懸浮造成的損壞風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在海浪、潮汐對(duì)海纜積年累月的沖刷下，容易導(dǎo)致海纜裸露、老化，造成海纜漏電、短路等故障的發(fā)生。

（3）運(yùn)輸船停泊拋錨時(shí)觸碰海纜，致使海纜出現(xiàn)鉤掛故障時(shí)有發(fā)生，另外捕撈船的拖網(wǎng)器具造成的海纜斷裂現(xiàn)象屢見不鮮。

1.2 復(fù)雜海洋環(huán)境下海纜信號(hào)傳輸布里淵頻移特征分析

1.2.1 布里淵頻移與海纜應(yīng)變、溫度的關(guān)系分析

海纜在傳送光信號(hào)時(shí)會(huì)生成布里淵散射，νB表示其頻移量，對(duì)于入射光，ν0為其頻率，θ 為其散射角，ν0與νB相關(guān)聯(lián)[9]，可用下式表示。

式中，針對(duì)海纜介質(zhì)，其折射率為n，聲速為VA；對(duì)于真空狀態(tài)，其光速表示為f，ν0、θ、f 都是常數(shù)。當(dāng)海纜應(yīng)變、溫度發(fā)生變化后，n、VA值會(huì)隨著變化，因此，可通過布里淵頻移反映海纜的應(yīng)變、溫度的變化[10]。公式（1）經(jīng)泰勒級(jí)數(shù)、二項(xiàng)式簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)換后，表達(dá)三者關(guān)系的線性方程可描述如下。

式中，T 為溫度；ε 為應(yīng)變；νB（T，ε）為海纜的布里淵頻移；T0為溫度初值；ε0為應(yīng)變初值；νB（T0，ε0）為頻移初值；CνT、Cνε分別為溫度、應(yīng)變系數(shù)；以溫度初值、應(yīng)變初值為基準(zhǔn)，海纜當(dāng)下溫度、應(yīng)變的改變范圍為ΔT、Δε，采用標(biāo)定法可得到νB（T0，ε0）、CνT、Cνε。因此可通過測(cè)量海纜各個(gè)位置的布里淵頻移求得海纜的應(yīng)變和溫度，實(shí)現(xiàn)海纜的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。由于應(yīng)變、溫度中任一個(gè)因素發(fā)生改變均會(huì)造成布里淵頻移的相應(yīng)改變，根據(jù)布里淵頻移無法直接確定溫度、應(yīng)變的變化區(qū)間，因此，需借助其他參量區(qū)分海纜應(yīng)變、溫度系數(shù)。

1.2.2 海纜中拉曼散射信號(hào)的溫度響應(yīng)特性

海纜在傳送光信號(hào)時(shí)，其內(nèi)部會(huì)自主生成聲學(xué)聲子，聲學(xué)聲子間經(jīng)彼此非線性影響后，會(huì)釋放、吸收聲子各一個(gè)，分別為Stokes、Anti-Stokes 拉曼散射光子，海纜分子在能級(jí)上的粒子數(shù)熱分布滿足玻爾茲曼定律[11]，反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度比I（T）可用下式描述。

式中，φs、φa分別為Stokes、Anti-Stokes 拉曼散射光子強(qiáng)度，其頻率分別為νs、νa；普朗克、玻爾茲曼常數(shù)分別為h=6.626×10-34J·s，Δν=1.32×1013、k =1.380×10-23J·K-1；T 為開爾文熱力學(xué)溫度，依據(jù)反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度比I（T），可以得到電纜各段的絕對(duì)溫度，絕對(duì)溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，而熱力學(xué)溫度與攝氏溫度的差為273，則已知φa與φs的比值I（T）即可知海纜溫度。

1.3 海纜敷設(shè)故障特征提取模型構(gòu)建

1.3.1 基于小波包分解的海纜布里淵頻移信號(hào)頻帶能量分析

海纜故障主要包含電氣、機(jī)械故障兩類，電氣故障會(huì)導(dǎo)致海纜溫度出現(xiàn)波動(dòng)，而無應(yīng)變改變，此時(shí)海纜故障數(shù)據(jù)即是溫度數(shù)據(jù)；機(jī)械故障則與電氣故障相反，是海纜應(yīng)變產(chǎn)生變化，而溫度基本無改變，此時(shí)海纜故障數(shù)據(jù)即是應(yīng)變數(shù)據(jù)。

識(shí)別海纜故障數(shù)據(jù)需要分析光纖傳感器檢測(cè)到的海纜布里淵頻移信號(hào)。由于該信號(hào)具有非穩(wěn)定性，因此，本文采用小波包變換對(duì)其進(jìn)行分解處理，通過對(duì)布里淵頻移信號(hào)中的信息進(jìn)行歸并，提取布里淵頻移信號(hào)的細(xì)節(jié)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)信號(hào)低頻、高頻信息的一并處理，該方法具有較強(qiáng)的時(shí)頻局部化分析性能。在對(duì)海纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，一旦其處于故障狀態(tài)，其布里淵頻移信號(hào)波形將發(fā)生瞬時(shí)改變，且布里淵頻移信號(hào)中存在噪聲[12]，高頻布里淵頻移信號(hào)中包含的有價(jià)值信息可通過小波包變換方法予以獲得，通過該部分信息可識(shí)別海纜敷設(shè)故障數(shù)據(jù)特征。

式中，u0=φ 為正交尺度函數(shù)，其小波包表示為un（n=2l 或n=2l+1，l=0，1，2，…）。在公式（8）中，g（k）=（-1）kh（1-k），其系數(shù)也符合正交性，即是將正交小波分解的海纜布里淵頻移信號(hào)處理問題轉(zhuǎn)換為小波包分解方式進(jìn)行求解，由此獲得海纜布里淵頻移信號(hào)小波包，可將其描述如下。

式中，以從低至高的頻域順序進(jìn)行第N 層小波包分解，SNj為2N個(gè)頻域系數(shù)組成的海纜監(jiān)測(cè)特征信號(hào)；M 為離散點(diǎn)數(shù)量。

1.3.2 海纜故障特征提取

采用小波包對(duì)海纜敷設(shè)故障特征進(jìn)行提取時(shí)，對(duì)海纜監(jiān)測(cè)布里淵頻移信號(hào)實(shí)施軟閾值去噪是小波包變換的基礎(chǔ)，再通過三層分解去噪信號(hào)獲得各布里淵頻移信號(hào)頻域的有價(jià)值信息，并進(jìn)行重組處理，最后提取海纜敷設(shè)故障特征，故障特征提取模型的提取過程如下。

（1）海纜常年處于工作狀態(tài)，且敷設(shè)于復(fù)雜海洋環(huán)境中，其運(yùn)行信號(hào)會(huì)受到周邊環(huán)境及光纖傳感設(shè)備等的干擾，導(dǎo)致海纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中存在噪聲，在對(duì)海纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征提取前，需首先進(jìn)行布里淵頻移信號(hào)消噪處理。

監(jiān)測(cè)到布里淵頻移數(shù)據(jù)中的噪聲主要以白噪聲為主，原始監(jiān)測(cè)信號(hào)xi經(jīng)由小波包變換后處理成兩種形式，分別為近似分量、細(xì)節(jié)分量，噪聲數(shù)據(jù)主要存在于細(xì)節(jié)分量x 中，通過無偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)閾值法對(duì)其進(jìn)行處理，再通過重組后監(jiān)測(cè)信號(hào)可表現(xiàn)出光滑特性，利用Daubechies 系列的小波六層分解法對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)實(shí)施軟閾值去噪后，監(jiān)測(cè)信號(hào)可表現(xiàn)出光滑特性，重組后的監(jiān)測(cè)信號(hào)為xjk，且并不丟失海纜故障特征[14-15]。

（2）選用消失最大的小波基對(duì)去噪后的監(jiān)測(cè)信號(hào)實(shí)施檢測(cè)，獲取其奇異點(diǎn)，依據(jù)布里淵頻移波形的不光滑性，采用Daubechies 系列的小波三層分解法按頻域從低到高順序獲取信號(hào)特征，經(jīng)小波系數(shù)重組后，得到各頻域信號(hào)信息。

（3） 對(duì)步驟（2） 獲得的各頻域信號(hào)的能量、標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行求解，設(shè)求解次數(shù)為k，能量、標(biāo)準(zhǔn)差可分別通過下式表達(dá)。

式中，F(xiàn) 為信號(hào)能量值集合；P 為信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差集合；Wm為能量尺度m 的權(quán)重；Wn為信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差尺度n 的權(quán)重；Vemn為尺度n 和尺度m 的向量介數(shù)。

基于以上步驟，經(jīng)過優(yōu)化訓(xùn)練，完成海纜敷設(shè)故障特征的提取工作，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海纜運(yùn)行狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支持。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某段海域的海纜監(jiān)測(cè)信號(hào)為研究對(duì)象，采用本文模型提取海纜監(jiān)測(cè)信號(hào)的故障特征，分析本文模型的故障特征提取性能。

為驗(yàn)證布里淵頻移與海纜溫度、應(yīng)變的關(guān)系，本文采用布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）測(cè)量海纜布里淵頻移信號(hào)，分析溫度與應(yīng)變情況，利用SC/APC 接頭將光纖與BOTDA 相連。光纖總長(zhǎng)500 m，將末端30 m 光纖自然纏繞后放置于恒溫水槽中心處并固定，光纖纏繞不宜過緊，避免發(fā)生應(yīng)變，設(shè)定此時(shí)光纖應(yīng)變?yōu)?，恒溫水槽初始溫度10 ℃，對(duì)其加熱的同時(shí)BOTDA 預(yù)熱啟動(dòng)，預(yù)熱時(shí)間設(shè)置為15 min，水槽加熱至85 ℃時(shí)停止，脈寬25 ns，頻率變化區(qū)間為（9.3，9.8）GHz，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，分析布里淵頻移與溫度的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 布里淵頻移、散射強(qiáng)度與海纜溫度的關(guān)系

分析圖1（a），在不考慮海纜應(yīng)變的條件下，隨著溫度的不斷增大，海纜布里淵散射頻移呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，且呈線性增長(zhǎng)，但在短時(shí)間內(nèi)電纜布里淵頻移與原始電纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在較小偏差；由圖1（b）可知，當(dāng)溫度增加，海纜布里淵散射強(qiáng)度也呈增大趨勢(shì)，但二者并非較為直觀的線性關(guān)系，原因在于海纜引發(fā)的布里淵散射強(qiáng)度由多個(gè)溫度系數(shù)構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，布里淵頻移量的大小可直觀反映海纜的溫度變化。

控制環(huán)境溫度恒定，通過對(duì)海纜末端施加砝碼的方式改變海纜應(yīng)變，砝碼的變化區(qū)間為（0，90），每次砝碼的增加量為15 g，分別測(cè)量其布里淵頻移，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 布里淵頻移、散射強(qiáng)度與應(yīng)變的關(guān)系

分析圖2，隨著海纜應(yīng)變的不斷加大，布里淵頻移也隨之增大，且二者為線性增長(zhǎng)關(guān)系，在短期內(nèi)海纜布里淵頻移與原始電纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在較小偏差；分析圖2（b）隨著海纜應(yīng)變?cè)龃?，布里淵散射強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，二者表現(xiàn)為線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，海纜應(yīng)變大小可通過布里淵頻移的變化獲得。

以海纜常發(fā)生的短路故障，采用本文模型對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行六層小波包分解，分析本文模型的去噪性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 短路故障信號(hào)去噪

由圖3（a）可知，海纜短路故障信號(hào)中存在大量噪聲，信號(hào)波形波動(dòng)較大，故障點(diǎn)位于海纜1 km處，此時(shí)故障點(diǎn)周圍溫度上升大約15℃，分析圖3（b）去噪后的短路故障信號(hào)得知，去噪后信號(hào)曲線光滑，最大程度保留短路故障信號(hào)特征。結(jié)果表明，本文模型去噪效果突出。

采用本文模型的小波包三層分解方法對(duì)去噪后的海纜短路故障、鉤掛故障進(jìn)行檢測(cè)，選用消失矩大的小波基提取故障特征向量，其消失矩分別設(shè)定為7、11，兩類故障的能量、標(biāo)準(zhǔn)差特征如圖4、圖5 所示。

分析圖4 和圖5 可知，海纜短路故障、鉤掛故障的特征信息多存在于低頻域內(nèi)，且各故障的特征向量差別很大。對(duì)于海纜短路故障，1 頻域的能量、標(biāo)準(zhǔn)差幅值最大，其次是2 頻域，其余頻域均很低。而對(duì)于海纜鉤掛故障，2 頻域的能量、標(biāo)準(zhǔn)差幅值最大，其次是3 頻域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文模型可提取不同故障特征，識(shí)別海纜敷設(shè)故障類型。

圖4 短路故障的特征向量

圖5 鉤掛故障的特征向量

3 結(jié) 論

為了及時(shí)診斷海纜故障，本文構(gòu)建了計(jì)及復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)性的海纜故障特征提取模型。通過測(cè)量布里淵頻移量的變化分析布里淵頻移、散射強(qiáng)度分別與應(yīng)變、溫度的關(guān)系；根據(jù)拉曼散射信號(hào)的溫度響應(yīng)特性，確定海纜溫度的變化范圍；采用小波六層分解法實(shí)現(xiàn)信號(hào)去噪，求解各頻域信號(hào)的能量、標(biāo)準(zhǔn)差特征向量，實(shí)現(xiàn)海纜敷設(shè)故障特征提取。實(shí)驗(yàn)以海纜短路故障為例，采用本文模型提取去噪后的海纜短路故障、鉤掛故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：布里淵頻移與應(yīng)變、溫度具有線性關(guān)系，頻移量的大小可以反映海纜應(yīng)變、溫度變化；經(jīng)過本文方法去噪后的信號(hào)曲線能最大程度地保留故障特征，曲線光滑，本文方法的去噪能力突出；本文模型可提取不同海纜故障的能量、標(biāo)準(zhǔn)差特征，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)海纜運(yùn)行狀態(tài)，提高海纜故障診斷效果，確保海纜的穩(wěn)定運(yùn)行。但由于條件有限，本文方法僅能識(shí)別低頻域內(nèi)的海纜故障特征，對(duì)其他頻域的識(shí)別效果并不突出，未來的研究應(yīng)擴(kuò)大故障診斷范圍，識(shí)別出更多頻域的故障。