用于光电复合海底电缆的由光纤温度求解铜芯温度的方法

摘要

本发明涉及一种用于光电复合海底电缆的由光纤温度求解铜芯温度的方法，该方法主要包括：（1）列出光电复合海底电缆工作时的热载荷工作电流范围、环境温度离范围、环境对流换热系数范围，并分别进行均匀离散化；（2）将光纤温度Tf和I、G、H参数作为输入变量X，铜芯温度Tc作为输出变量。（3）通过实验测量采集光电复合海底电缆在不同的热载荷工作电流I、环境温度G、环境对流换热系数H下的输出光纤温度Tf和铜芯Tc；X和Tc形成m*n*p个输入-输出样本对；（4）基于径向基函数的多层前馈神经网络的径向基函数选择高斯函数。(5)多层前馈神经网络对m*n*p个输入-输出样本对进行学习，学习算法为最近邻聚类算法，学习之后得到w

说明书

技术领域

本发明涉及光电复合海底电缆温度监控与自动测量技术，具体是指一种用于光电复合海底电缆的由光纤温度求解铜芯温度的方法。

背景技术

光电复合海底电缆内部同时含有若干根铜芯和光纤，可同时用于海底电力和通信电缆。光电复合海底电缆中的铜芯在水下传输大功率电能会引起铜芯发热，海底恶劣工作环境和电能谐波容易引起光电复合海底电缆材料的局部老化，降低光电复合海底电缆材料的热传导率和材料间的接触热传导系数，导致光电复合海底电缆的铜芯温度升高，严重时会引发热击穿，对光电复合海底电缆产生不可逆转的破坏。

因此需要对光电复合海底电缆的铜芯温度进行监测。在光电复合海底电缆投入运行之后无法直接测量铜芯的温度，但可以利用布里渊光时域分析设备（简称BOTDA设备）获取光纤温度。于是求解铜芯温度场问题转化为如何通过光纤温度反演预测铜芯温度。常见的方法是通过对光电复合海底电缆进行热场建模，获取不同载荷、边界条件下的光纤温度和铜芯温度的对应关系表，得到光纤温度后利用查表方式求解铜芯温度。建立光纤温度和铜芯温度对应关系表包含以下步骤：（1）对光电复合海底电缆内部结构进行几何建模；（2）指定光电复合海底电缆内部不同材料及材料间热性能参数，包括材料热传导率、材料间接触热传导系数、密度、比热容等；（3）对光电复合海底电缆几何结构进行网格划分；（4）指定热载荷（工作电流）和边界条件（环境温度和环境对流换热系数）；（5）采用有限元分析方法求解光电复合海底电缆内部不同位置的温度；（6）建立光纤温度与铜芯温度的映射表格。该方法的不足之处在于需要对光电复合海底电缆的内部不同材料及材料间热性能参数进行标定，标定的热性能参数准确率低，且标定过程耗费大量人力物力。

因此需要提出一种改进的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种用于光电复合海底电缆的由光纤温度求解铜芯温度的方法，通过建立从光纤温度到铜芯温度的预测模型，在已知光纤温度的条件下可以求解铜芯温度。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于光电复合海底电缆的由光纤温度求解铜芯温度的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）列出光电复合海底电缆工作时的热载荷工作电流范围为[I₁,I₂]，将热载荷工作电流均匀离散化，离散间隔为1安培，并用变量I标示，I的取值范围为{i₁，i₂，i₃，……，i_m}，其中i₁为小于I₁最大整数，i_m为大于I₂的最小整数；

（2）列出光电复合海底电缆工作时的环境温度边界条件，环境温度离范围为[T₁,T₂]，将环境温度均匀散化，离散间隔为1摄氏度，并用变量G标示，G的取值范围为{g₁，g₂，g₃，……，g_n}，其中g₁为小于G₁的最大整数，g_n为大于G₂的最小整数；

（3）列出光电复合海底电缆工作时的环境对流换热系数边界条件，环境对流换热系数范围为[H₁,H₂]，将环境对流换热系数均匀离散化，离散间隔为1瓦特每平方米每摄氏度，并用变量H表示，H的取值范围为{h₁，h₂，h₃，……，h_p}，其中h₁为小于H₁的最大整数，h_p为大于H₂的最小整数；

（4）设铜芯温度为T_c，光纤温度为T_f，铜芯温度T_c与T_f、I、G、H的函数关系为T_c=f(T_f，I，G，H)，式子f表明铜芯温度T_c是一组高维空间输入变量T_f、I、G、H向一维空间非线性映射的输出结果；设高维空间输入变量T_f、I、G、H组成输入变量X，T_c为输出变量，T_c和X之间的非线性映射关系采用基于径向基函数的多层前馈神经网络进行任意精度的逼近；

（5）通过实验测量采集光电复合海底电缆在不同的热载荷工作电流I、环境温度G、环境对流换热系数H下的输出光纤温度T_f和铜芯T_c；由于I有m个元素、G有n个元素、H有p个元素，I、G、H共有m*n*p个IGH输入组合，每一个IGH输入组合作用于光电复合海底电缆，会产生不同光纤温度T_f和铜芯温度T_c，因此X和T_c形成输入-输出样本对的个数为m*n*p个；

（6）基于径向基函数的多层前馈神经网络的径向基函数选择高斯函数，输出变量T_c和输入变量X的关系式为：N取1000；基于径向基函数的多层前馈神经网络对步骤（5）生成的由X和T_c组成的m*n*p个输入-输出样本对进行学习，学习算法为最近邻聚类算法，学习过程自动抽取输入-输出样本对中蕴含的非线性映射规律，分布存储在与神经网络各层相连接的权矩阵中，学习之后可确定w_i，c_i，σ_i的取值，i＝1,2,3,…,N；

（7）实际应用中通过测量获得热载荷工作电流I、环境温度G、环境对流换热系数H和光纤温度T_f之后，利用公式求解出铜芯温度T_c。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的用于光电复合海底电缆的由光纤温度求解铜芯温度的方法具有以下优点：本发明涉及的用于光电复合海底电缆的由光纤温度求解铜芯温度的方法克服了原来测量光电复合海底电缆中求解铜芯温度的方法时需要对光电复合海底电缆的内部不同材料及材料间热性能参数进行标定，标定的热性能参数准确率低，且标定过程耗费大量人力物力的缺陷，本发明设计了一种全新的测量方法，主要利用光纤温度求解铜芯温度，方法简单，实用且对电缆本身性能没有破坏。

附图说明

图1为本发明中需要测量铜芯温度的一种光电复合海底电缆的结构示意图。

图2为本发明的方法结构流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图1为本发明中需要测量铜芯温度的一种光电复合海底电缆的结构示意图。如图1所示：需要测量铜芯温度的一种光电复合海底电缆包括三根阻水铜导体1，每根阻水铜导体1表面有导体屏蔽2，导体屏蔽2的外层有XLPE绝缘3，XLPE绝缘3的外层设有绝缘屏蔽4，绝缘屏蔽4的外层设有半导体阻水层5，半导体阻水层5外依次是合金铅套6和防腐层7，三根导体和一根光纤单元组成的电缆由外到内依次为外被层8、钢丝铠装9、PP绳内垫层10、包带11；三根导体和一根光纤单元12的空隙里填充有填充单元13。

图2为本发明的方法结构流程图。实施本发明可以采用如下方法：

（1）获取光电复合海底电缆工作时的载荷和边界条件范围。本实施例中光电复合海底电缆的热载荷工作电流I的范围为[200,400]，进行均匀离散化后有201个取值；环境温度G范围为[4-25]，进行均匀离散化后有22个取值；环境对流换热系数H的范围为[5-30]，进行均匀离散化后有26个取值。

（2）搭建光电复合海底电缆测量环境，获取输入输出样本对。测量过程细分为以下子步骤：

<1>调整光电复合海底电缆的初始环境温度G为4摄氏度；

<2>调整光电复合海底电缆的初始环境对流换热系数H为5瓦特每平方米每摄氏度；

<3>调整光电复合海底电缆的热载荷工作电流为200安培；

<4>在光电复合海底电缆热传递进入稳态后，通过布里渊光时域分析设备和热电偶分别测量记录光纤温度T_f和铜芯温度T_c。

<5>将光电复合海底电缆的热载荷工作电流I依次增加1安培，重复步骤<4>，直到热载荷工作电流增加到400安培；

<6>将光电复合海底电缆的初始环境对流换热系数H依次增加1瓦特每平方米每摄氏度，重复步骤<3>、<4>、<5>；

<7>将光电复合海底电缆的初始环境温度G依次增加1摄氏度，重复步骤<2>、<3>、<4>、<5>、<6>；

经过上述7个子步骤后，由I、G、H、T_f组成的输入变量X共有201*22*26=114972个元素，对应的输出变量T_c也有114972个元素。

（3）用步骤（2）获取的由X和T_c组成的输入输出样本对，对选择高斯函数作为径向基函数的多层前馈神经网络进行最近邻聚类算法学习，计算得到式子中的w_i，c_i，σ_i的取值，i＝1,2,3,…,N，N取1000；

（4）光电复合海底电缆运行时的铜芯温度可以在测量得到热载荷工作电流I、环境温度G、环境对流换热系数H和光纤温度T_f的基础上，利用步骤（1）、（2）、（3）得到的非线性映射关系式子计算获得。

本发明涉及的用于光电复合海底电缆的由光纤温度求解铜芯温度的方法克服了原来测量光电复合海底电缆中求解铜芯温度的方法时需要对光电复合海底电缆的内部不同材料及材料间热性能参数进行标定，标定的热性能参数准确率低，且标定过程耗费大量人力物力的缺陷，本发明设计了一种全新的测量方法，主要利用光纤温度求解铜芯温度，方法简单，实用且对电缆本身性能没有破坏。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。