用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法

2023-08-02 17:28:11 2

專利名稱：用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法
技術領域：
本發明涉及光電複合海底電纜溫度監控與自動測量技木，具體是指ー種用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法。
背景技術：
光電複合海底電纜內部同時含有若干根銅芯和光纖，可同時用於海底電カ和通信電纜。光電複合海底電纜中的銅芯在水下傳輸大功率電能會引起銅芯發熱，海底惡劣工作環境和電能諧波容易引起光電複合海底電纜材料的局部老化，降低光電複合海底電纜材料的熱傳導率和材料間的接觸熱傳導係數，導致光電複合海底電纜的銅芯溫度升高，嚴重時會引發熱擊穿，對光電複合海底電纜產生不可逆轉的破壞。因此需要對光電複合海底電纜的銅芯溫度進行監測。在光電複合海底電纜投入運 行之後無法直接測量銅芯的溫度，但可以利用布裡淵光時域分析設備(簡稱BOTDA設備)獲取光纖溫度。於是求解銅芯溫度場問題轉化為如何通過光纖溫度反演預測銅芯溫度。常見的方法是通過對光電複合海底電纜進行熱場建模，獲取不同載荷、邊界條件下的光纖溫度和銅芯溫度的對應關係表，得到光纖溫度後利用查表方式求解銅芯溫度。建立光纖溫度和銅芯溫度對應關係表包含以下步驟(I)對光電複合海底電纜內部結構進行幾何建摸；(2 )指定光電複合海底電纜內部不同材料及材料間熱性能參數，包括材料熱傳導率、材料間接觸熱傳導係數、密度、比熱容等；(3)對光電複合海底電纜幾何結構進行網格劃分；(4)指定熱載荷(工作電流)和邊界條件(環境溫度和環境對流換熱係數);(5)採用有限元分析方法求解光電複合海底電纜內部不同位置的溫度；(6)建立光纖溫度與銅芯溫度的映射表格。該方法的不足之處在於需要對光電複合海底電纜的內部不同材料及材料間熱性能參數進行標定，標定的熱性能參數準確率低，且標定過程耗費大量人力物力。因此需要提出一種改進的方法。

發明內容
針對上述問題，本發明的主要目的在於提供一種用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法，通過建立從光纖溫度到銅芯溫度的預測模型，在已知光纖溫度的條件下可以求解銅芯溫度。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟(I)列出光電複合海底電纜工作時的熱載荷工作電流範圍為[I1, I2]，將熱載荷エ
作電流均勻尚散化，尚散間隔為I安培，並用變量I標不，I的取值範圍為{丨1，「，「，......，
U，其中I1為小於I1最大整數，iffl為大於I2的最小整數；(2)列出光電複合海底電纜工作時的環境溫度邊界條件，環境溫度離範圍為[T1, T2]，將環境溫度均勻散化，離散間隔為I攝氏度，並用變量G標示，G的取值範圍為{gl，g2，g3，……，gj，其中gl為小於G1的最大整數，gn為大於G2的最小整數；
(3)列出光電複合海底電纜工作時的環境對流換熱係數邊界條件，環境對流換熱係數範圍為[H1, H2]，將環境對流換熱係數均勻離散化，離散間隔為I瓦特每平方米每攝氏度，並用變量H表示，H的取值範圍為Ihphyh3,……，hp}，其中Ii1為小於H1的最大整數，hp為大於H2的最小整數；(4)設銅芯溫度為T。，光纖溫度為Tf，銅芯溫度T。與Tf、I、G、H的函數關係為Tc=f(Tf, I，G，H)，式子f表明銅芯溫度T。是ー組高維空間輸入變量Tf、I、G、H向一維空間非線性映射的輸出結果；設高維空間輸入變量Tf、I、G、H組成輸入變量X，Tc為輸出變量，T。和X之間的非線性映射關係採用基 於徑向基函數的多層前饋神經網絡進行任意精度的逼近；(5)通過實驗測量採集光電複合海底電纜在不同的熱載荷工作電流I、環境溫度G、環境對流換熱係數H下的輸出光纖溫度Tf和銅芯T。；由於I有m個元素、G有n個元素、H有p個元素，I、G、H共有m*n*p個IGH輸入組合，每ー個IGH輸入組合作用於光電複合海底電纜，會產生不同光纖溫度Tf和銅芯溫度T。，因此X和T。形成輸入-輸出樣本對的個數
為m氺n氺p ノ卜；(6)基於徑向基函數的多層前饋神經網絡的徑向基函數選擇高斯函數，輸出變量
Tc和輸入變量X的關係式為r￡ = 2>cexP(-||z-Ci||2/2o；2) N取1000 ;基於徑向基函數的
多層前饋神經網絡對步驟(5)生成的由X和T。組成的m*n*p個輸入-輸出樣本對進行學習，學習算法為最近鄰聚類算法，學習過程自動抽取輸入-輸出樣本對中蘊含的非線性映射規律，分布存儲在與神經網絡各層相連接的權矩陣中，學習之後可確定Wi, Ci，O i的取值，i =1,2, 3，…，N;(7)實際應用中通過測量獲得熱載荷工作電流I、環境溫度G、環境對流換熱係數H和光纖溫度Tf之後，利用公式7>乏>,*哪(-||JT-C,f/2of)求解出銅芯溫度T。。本發明的積極進步效果在幹本發明提供的用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法具有以下優點本發明涉及的用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法克服了原來測量光電複合海底電纜中求解銅芯溫度的方法時需要對光電複合海底電纜的內部不同材料及材料間熱性能參數進行標定，標定的熱性能參數準確率低，且標定過程耗費大量人力物力的缺陷，本發明設計了ー種全新的測量方法，主要利用光纖溫度求解銅芯溫度，方法簡單，實用且對電纜本身性能沒有破壞。


圖I為本發明中需要測量銅芯溫度的ー種光電複合海底電纜的結構示意圖。圖2為本發明的方法結構流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。圖I為本發明中需要測量銅芯溫度的ー種光電複合海底電纜的結構示意圖。如圖I所示需要測量銅芯溫度的ー種光電複合海底電纜包括三根阻水銅導體1，每根阻水銅導體I表面有導體屏蔽2，導體屏蔽2的外層有XLPE絕緣3，XLPE絕緣3的外層設有絕緣屏蔽4，絕緣屏蔽4的外層設有半導體阻水層5，半導體阻水層5外依次是合金鉛套6和防腐層7，三根導體和一根光纖單元組成的電纜由外到內依次為外被層8、鋼絲鎧裝9、PP繩內墊層10、包帶11 ;三根導體和一根光纖單元12的空隙裡填充有填充單元13。圖2為本發明的方法結構流程圖。實施本發明可以採用如下方法(I)獲取光電複合海底電纜工作時的載荷和邊界條件範圍。本實施例中光電複合海底電纜的熱載荷工作電流I的範圍為[200，400]，進行均勻離散化後有201個取值；環境溫度G範圍為[4-25],進行均勻離散化後有22個取值；環境對流換熱係數H的範圍為[5-30]，進行均勻離散化後有26個取值。(2)搭建光電複合海底電纜測量環境，獲取輸入輸出樣本對。測量過程細分為以下子步驟
調整光電複合海底電纜的初始環境溫度G為4攝氏度；調整光電複合海底電纜的初始環境對流換熱係數H為5瓦特每平方米每攝氏度；調整光電複合海底電纜的熱載荷工作電流為200安培；在光電複合海底電纜熱傳遞進入穩態後，通過布裡淵光時域分析設備和熱電偶分別測量記錄光纖溫度Tf和銅芯溫度T。。將光電複合海底電纜的熱載荷工作電流I依次増加I安培，重複步驟〈4>，直到熱載荷工作電流增加到400安培；將光電複合海底電纜的初始環境對流換熱係數H依次增加I瓦特每平方米每攝氏度，重複步驟〈3>、〈4>、 ；〈7>將光電複合海底電纜的初始環境溫度G依次増加I攝氏度，重複步驟〈2>、〈3>、〈4>、〈5>、〈6> ；經過上述7個子步驟後，由I、G、H、Tf組成的輸入變量X共有201*22*26=114972個元素，對應的輸出變量T。也有114972個元素。(3)用步驟(2)獲取的由X和T。組成的輸入輸出樣本對，對選擇高斯函數作為徑向基函數的多層前饋神經網絡進行最近鄰聚類算法學習，計算得到式子
忍=2>*exp(—|pr-c,||2/2of 衝的 Wi，Ci, O ,的取值，i = 1,2, 3,…，N，N 取 1000 ；
{=1 (4)光電複合海底電纜運行時的銅芯溫度可以在測量得到熱載荷工作電流I、環境溫度G、環境對流換熱係數H和光纖溫度Tf的基礎上，利用步驟(1)、(2)、(3)得到的非線性
映射關係式子忍=互=^expC-IlX-qf/^cr；2)計算獲得。本發明涉及的用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法克服了原來測量光電複合海底電纜中求解銅芯溫度的方法時需要對光電複合海底電纜的內部不同材料及材料間熱性能參數進行標定，標定的熱性能參數準確率低，且標定過程耗費大量人力物力的缺陷，本發明設計了ー種全新的測量方法，主要利用光纖溫度求解銅芯溫度，方法簡單，實用且對電纜本身性能沒有破壞。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內，本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟 (1)列出光電複合海底電纜工作時的熱載荷工作電流範圍為[I1,12]，將熱載荷工作電流均勻離散化，離散間隔為I安培，並用變量I標示，I的取值範圍為Upiyi3,……，im}，其中I1為小於I1最大整數，iffl為大於I2的最小整數； (2)列出光電複合海底電纜工作時的環境溫度邊界條件，環境溫度離範圍為[T1,T2]，將環境溫度均勻散化，離散間隔為I攝氏度，並用變量G標示，G的取值範圍為{g1;g2,g3,......,gn}，其中gi為小於G1的最大整數，gn為大於G2的最小整數； (3)列出光電複合海底電纜工作時的環境對流換熱係數邊界條件，環境對流換熱係數範圍為[H1, H2]，將環境對流換熱係數均勻離散化，離散間隔為I瓦特每平方米每攝氏度，並用變量H表示，H的取值範圍為Ih1, h2，h3，……，hp}，其中Ii1為小於H1的最大整數，hp為大於H2的最小整數； (4)設銅芯溫度為T。，光纖溫度為Tf，銅芯溫度T。與Tf、I、G、H的函數關係為Tff(Tf，I，G，H)，式子f表明銅芯溫度T。是一組高維空間輸入變量Tf、I、G、H向一維空間非線性映射的輸出結果；設高維空間輸入變量Tf、I、G、H組成輸入變量X，Tc為輸出變量，T。和X之間的非線性映射關係採用基於徑向基函數的多層前饋神經網絡進行任意精度的逼近； (5)通過實驗測量採集光電複合海底電纜在不同的熱載荷工作電流I、環境溫度G、環境對流換熱係數H下的輸出光纖溫度Tf和銅芯T。；由於I有m個元素、G有η個元素、H有P個元素，I、G、H共有m*n*p個IGH輸入組合，每一個IGH輸入組合作用於光電複合海底電纜，會產生不同光纖溫度Tf和銅芯溫度T。，因此X和T。形成輸入-輸出樣本對的個數為m氺η 氺P yIv ； (6)基於徑向基函數的多層前饋神經網絡的徑向基函數選擇高斯函數，輸出變量Τ。和輸入變量X的關係式為T*exp(-\\X-CiI /207)4取1000 ;基於徑向基函數的多層前饋神經網絡對步驟(5)生成的由X和T。組成的m*n*p個輸入-輸出樣本對進行學習，學習算法為最近鄰聚類算法，學習過程自動抽取輸入-輸出樣本對中蘊含的非線性映射規律，分布存儲在與神經網絡各層相連接的權矩陣中，學習之後可確定Wi, Ci，σ i的取值，i =1,2, 3，…，N; (7)實際應用中通過測量獲得熱載荷工作電流I、環境溫度G、環境對流換熱係數H和光纖溫度Tf之後,利用公式忍=Σ ^ * exPHI 1<|2/2<)求解出銅芯溫度T。。=全文摘要
本發明涉及一種用於光電複合海底電纜的由光纖溫度求解銅芯溫度的方法，該方法主要包括(1)列出光電複合海底電纜工作時的熱載荷工作電流範圍、環境溫度離範圍、環境對流換熱係數範圍，並分別進行均勻離散化；(2)將光纖溫度Tf和I、G、H參數作為輸入變量X，銅芯溫度Tc作為輸出變量。(3)通過實驗測量採集光電複合海底電纜在不同的熱載荷工作電流I、環境溫度G、環境對流換熱係數H下的輸出光纖溫度Tf和銅芯Tc；X和Tc形成m*n*p個輸入-輸出樣本對；(4)基於徑向基函數的多層前饋神經網絡的徑向基函數選擇高斯函數。(5)多層前饋神經網絡對m*n*p個輸入-輸出樣本對進行學習，學習算法為最近鄰聚類算法，學習之後得到wi，ci，σi的取值，i＝1,2,3,…,N；(6)利用公式可以由I、G、H、Tf求解出銅芯溫度Tc。
文檔編號G06F19/00GK102799788SQ20121026202
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月26日 優先權日2012年7月26日
發明者王建豐, 李毅, 張鳳山, 王新華, 陳元林, 高紅武, 安博文, 劉進輝, 王曉峰, 黃鋼, 劉曉亮, 周靈, 劉萍, 劉頻頻 申請人:上海海事大學, 中國海洋石油總公司, 中海油能源發展股份有限公司