CN116754910B - 基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法、***和设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法、***和设备，该方法包括获取时序脉冲信号和相干光，根据时序脉冲信号将相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光；采用脉冲光的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测得到N组脉冲数据；对N组脉冲数据依次进行去噪、相位提取、平滑分类处理得到对应的三组相位数据；对每组相位数据进行离散、变维处理得到三组一维数组，根据三组一维数组判断电缆的区域是否发生局部放电。该方法通过三种不同脉冲宽度的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测，提高检测的灵敏度，也降低检测数据的漏报与误报概率，提高监测的可靠性；也实现了多种脉冲宽度的联合检测，提高检测光信号丰富性与抗干扰能力。
Description
技术领域
本申请涉及电缆监测技术领域，尤其涉及一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法、***和设备。
背景技术
电缆造价昂贵，且铺设于海底，运维困难。如果电缆出现局部放电，因海缆较陆缆距离长得多，局部放电电磁波传播到海缆两端时衰减严重，难以采用陆地电缆的检测手段。现有对电缆局部放电检测的技术主要为温度监测、锚机等振动监测***。
由于电缆多为光纤复合海缆，目前主要通过光纤传感技术监测电缆状态。光纤传感技术采用局部放电会产生声、电、热等效应，局部放电产生的热比较微弱，监测精度不高，振动信息检测优势更加明显。目前是采用热或振动等实现的光纤传感检测***，主要采用布里渊、瑞利散射原理的监测***。由于局部放电产生的振动信号最为明显，采用分布式光纤技术进行振动监测，可以反映出海缆局部放电特征；由于背向瑞利散射信号最强，采用背向瑞利散射信号进行振动识别准确性较好；背向散射光信号强度难以提升，仅通过光强进行振动识别，信号信噪比较低。因此采用布里渊、瑞利散射原理的监测***存在布里渊散射信号极其微弱，很难捕捉到有用信息，受应力、温度等多因素影响，对光源、检测设备的要求较高，成本也高的缺点。若采用相位敏感光时域反射仪Φ-OTDR技术对电缆进行局部放电监测，探测的灵敏度和空间分辨率都得到提升，会因相干衰落效应，使得信号出现随机波动，需进行大量统计分析，才能识别持续的振动信号；但由于局部放电信号持续时间并不长，现有方式获取带振动信息的数据量较少，致使识别效率降低；同时电缆中局部放电信号比较微弱，对检测灵敏性与抗干扰能力要求较高，因此相位敏感光时域反射仪Φ-OTDR技术采用单根光纤背向光对电缆进行局部放电监测，存在灵敏度不高和单路测量的信噪比较低的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法、***和设备，用于解决现有对电缆放电监测技术存在抗干扰能力差且检测灵敏度低的技术问题。
为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：
一方面，提供了一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法，包括以下步骤：
获取时序脉冲信号和相干光，根据所述时序脉冲信号将所述相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光；
电缆为三芯电缆，采用三种不同脉冲宽度的所述脉冲光的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测，将两路反馈的光信号进行差分处理得N组脉冲数据，N组脉冲数据包括3N个脉冲信号；
对N组脉冲数据依次进行去噪、相位提取、平滑分类处理，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据；
对每组所述相位数据进行离散、变维处理，得到三组一维数组，根据三组所述一维数组判断电缆的区域是否发生局部放电；
其中，N为大于100的自然数。
优选地，三芯电缆包括第一芯光纤、第二芯光纤和第三芯光纤，采用三种不同脉冲宽度的所述脉冲光对电缆的区域进行局部放电检测，得N组脉冲数据，N组脉冲数据包括3N个脉冲信号包括：
获取所述时序脉冲信号的间隔时间，以及将三种不同脉冲宽度的所述脉冲光作为一组检测信号；
根据循环检测规则通过一组检测信号对所述电缆的区域进行局部放电检测，将两路反馈的光信号进行差分处理得N组脉冲数据；
所述循环检测规则包括：
采用一组检测信号的两路光信号对所述电缆区域的第一芯光纤和第二芯光纤进行局部放电检测，将两路反馈的光信号进行差分处理得到第一组脉冲数据；
待2倍的所述间隔时间间隔后，采用一组检测信号的两路光信号对所述电缆区域的第一芯光纤和第三芯光纤进行局部放电检测，将两路反馈的光信号进行差分处理得到第二组脉冲数据；
其中，N组所述脉冲数据包括N/2所述第一组脉冲数据和N/2所述第二组脉冲数据。
优选地，对N组脉冲数据依次进行去噪、相位提取、平滑分类处理，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据包括：
对每组所述脉冲数据采用小波去噪处理，得到与每组所述脉冲数据对应的处理数据；
采用IQ解调方式从每组所述处理数据中提取相位，得到与每组所述脉冲数据对应的相位信息；
对每组所述相位信息的相位采用平均相消法处理，得到与每组所述脉冲数据对应的相位处理数据：
从三组的所述相位处理数据中提取与三种不同脉冲宽度对应的相位，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据，每组相位数据包括N个相位。
优选地，对每组所述相位数据进行离散、变维处理，得到与每组所述相位数据对应的一维数组包括：
以与每组所述相位数据对应的脉冲宽度作为窗口长度；以所述窗口长度作为移动窗口的移动单位对每组所述相位数据进行离散、变维处理，得到与每组所述相位数据对应的一维数据；
将三组所述一维数据对应的两两相位数值相乘，得到三组一维数组。
优选地，根据三组所述一维数组判断电缆的区域是否发生局部放电包括：若三组所述一维数组中至少有两组所述一维数组的数值大于阈值数据且数量不小于数量阈值，则该电缆的区域发生局部放电；否则，该电缆的区域没有发生局部放电。
再一方面，提供了一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***，包括光源、声光调制单元、耦合单元、第一光信号检测单元、第二光信号检测单元、光电探测单元和信号处理单元，所述声光调制单元分别与所述光源、所述耦合单元和信号处理单元连接，所述耦合单元分别与所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元连接，所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元均与待测电缆连接，所述信号处理单元通过所述光电探测单元分别与所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元连接；
所述光源，用于提供相干光；
所述声光调制单元，用于根据时序脉冲信号将所述相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光；
所述耦合单元，用于将所述脉冲光分为两路光信号；
所述第一光信号检测单元，用于通过一路光信号对待测电缆的区域进行检测，并将检测反馈的光信号传送至所述光电探测单元；
所述第二光信号检测单元，用于通过另一路光信号对待测电缆进行检测，并将检测反馈的光信号传送至所述光电探测单元；
所述光电探测单元，用于将两路反馈的光信号进行差分处理，得到脉冲信号并将此脉冲信号传送至所述信号处理单元；
所述信号处理单元，用于采用上述所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法对采集的所有脉冲信号进行处理，确定电缆的区域是否发生局部放电。
优选地，所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元均包括与所述耦合单元连接的第一放大器、与所述第一放大器连接的第二放大器和与所述第二放大器连接的环形器，所述第二光信号检测单元的环形器通过光开关与待测电缆连接，所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元的环形器均与所述光电探测单元连接。
优选地，所述待测电缆包括第一芯光纤、第二芯光纤和第三芯光纤，所述第一芯光纤与第一光信号检测单元的环形器连接，所述光开关分别与所述第二芯光纤和所述第三芯光纤连接，所述光开关用于切换所述第二光信号检测单元的环形器与待测电缆的所述第二芯光纤或所述第三芯光纤连接。
优选地，所述信号处理单元与所述声光调制单元之间还连接有用于产生触发信号的信号发生单元。
再一方面，提供了一种终端设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行上述所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法。
该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法、***和设备，该方法包括获取时序脉冲信号和相干光，根据时序脉冲信号将相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光；采用三种不同脉冲宽度的脉冲光的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测，得N组脉冲数据，N组脉冲数据包括3N个脉冲信号；对N组脉冲数据依次进行去噪、相位提取、平滑分类处理，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据；对每组相位数据进行离散、变维处理，得到三组一维数组，根据三组一维数组判断电缆的区域是否发生局部放电。从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法通过采用三种不同脉冲宽度的脉冲光的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测，实现两路光信号进行差分检测，进一步提高检测的灵敏度，也降低检测数据的漏报与误报概率，提高监测的可靠性；也实现了多种脉冲宽度的联合检测，提高检测光信号丰富性与抗干扰能力；解决了现有对电缆放电监测技术存在抗干扰能力差且检测灵敏度低的技术问题。该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法更适用于微小信号的检测，同时降低电缆光纤整体老化的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法的步骤流程图；
图2为本申请实施例所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法的时序脉冲信号图；
图3为本申请实施例所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法中相位处理数据的相位曲线图；
图4为本申请实施例所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法的三组一维数组图；
图5为本申请实施例的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***的光路原理图；
图6为现有典型光信号光强与距离的曲线图；
图7为现有典型相位敏感的相干光的相位与时间曲线图；
图8为现有光信号的典型Φ-OTDR曲线图。
具体实施方式
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
本申请实施例提供了一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法、***和设备，对电缆局部放电检测采用两组光纤进行传感，将两组背向光信号进行差分检测，提高检测灵敏度，同时改变脉冲光脉宽，提高信号丰富性与抗干扰能力，用于解决了现有对电缆放电监测技术存在抗干扰能力差且检测灵敏度低的技术问题。在本实施例中，该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法、***和设备以三芯的海底电缆作为案例说明。
实施例一：
图1为本申请实施例所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法的步骤流程图，图2为本申请实施例所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法的时序脉冲信号图。
如图1所示，本申请实施例提供了一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法，包括以下步骤：
S1.获取时序脉冲信号和相干光，根据时序脉冲信号将相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光。
需要说明的是，在步骤S1一是获取时序脉冲信号和相干光，为后续对电缆局部放电监测提供检测光；二是根据时序脉冲信号将每束检测的相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光。在本实施例中，如图2所示，三种不同脉冲宽度可以为100 ns、200 ns、400 ns。
S2.采用三种不同脉冲宽度的脉冲光的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测，得N组脉冲数据，N组脉冲数据包括3N个脉冲信号。其中，N为大于100的自然数。
需要说明的是，在步骤S2中是根据步骤S1的脉冲光的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测，得N组脉冲数据，为后续步骤分析该电缆的区域是否发生局部放电提供数据。
S3.对N组脉冲数据依次进行去噪、相位提取、平滑分类处理，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据。
需要说明的是，在步骤S3中是对步骤S2检测的所有脉冲数据进行处理，得到三种脉冲宽度的三组相位数据。在本实施例中，对N组脉冲数据通过信号去噪，实现将干扰信号、噪声信号等滤除，然后进行相位提取和平滑分类实现波形统计，为完成局部放电诊断与定位提供数据。
S4.对每组相位数据进行离散、变维处理，得到三组一维数组，根据三组一维数组判断电缆的区域是否发生局部放电。
需要说明的是，在步骤S4中根据步骤S3得到三种脉冲宽度的三组相位数据进行降维处理，得到可以判断电缆的区域是否发生局部放电的一维数组。本申请提供的一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法，该方法包括获取时序脉冲信号和相干光，根据时序脉冲信号将相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光；采用三种不同脉冲宽度的脉冲光的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测，得N组脉冲数据，N组脉冲数据包括3N个脉冲信号；对N组脉冲数据依次进行去噪、相位提取、平滑分类处理，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据；对每组相位数据进行离散、变维处理，得到三组一维数组，根据三组一维数组判断电缆的区域是否发生局部放电。该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法通过采用三种不同脉冲宽度的脉冲光的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测，实现两路光信号进行差分检测，进一步提高检测的灵敏度，也降低检测数据的漏报与误报概率，提高监测的可靠性；也实现了多种脉冲宽度的联合检测，提高检测光信号丰富性与抗干扰能力；解决了现有对电缆放电监测技术存在抗干扰能力差且检测灵敏度低的技术问题。该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法更适用于微小信号的检测，同时降低电缆光纤整体老化的影响。
在本申请的一个实施例中，若电缆为三芯电缆，三芯电缆包括第一芯光纤、第二芯光纤和第三芯光纤，采用三种不同脉冲宽度的脉冲光对电缆的区域进行局部放电检测，得N组脉冲数据，N组脉冲数据包括3N个脉冲信号包括：
获取时序脉冲信号的间隔时间，以及将三种不同脉冲宽度的脉冲光作为一组检测信号；
根据循环检测规则通过一组检测信号对电缆的区域进行局部放电检测，得N组脉冲数据；
循环检测规则包括：
采用一组检测信号的两路光信号对电缆区域的第一芯光纤和第二芯光纤进行局部放电检测，得到第一组脉冲数据；
待2倍的间隔时间间隔后，采用一组检测信号的两路光信号对电缆区域的第一芯光纤和第三芯光纤进行局部放电检测，得到第二组脉冲数据；
其中，N组脉冲数据包括N/2第一组脉冲数据和N/2第二组脉冲数据。
需要说明的是，如图2所示，以100 ns、200 ns、400 ns脉冲宽度的脉冲信号作为一组检测信号，先采用一组检测信号对电缆区域的第一芯光纤和第二芯光纤进行局部放电检测，得到一组脉冲数据作为第一组脉冲数据，待间隔时间2T后，再采用一组检测信号对电缆区域的第一芯光纤和第三芯光纤进行局部放电检测，得到脉冲数据作为第二组脉冲数据，以此循环检测规则对电缆进行局部放电检测，直至得到N组脉冲数据。在本实施例中，N的数值优选为大于0的偶数，如N的数值可以选为100。每个时序脉冲信号的间隔时间时长T，该间隔时间时长T由电缆长度确定，该间隔时间时长T应该大于检测信号在电缆光纤中来回时间。
在本申请实施例中，对N组脉冲数据依次进行去噪、相位提取、平滑分类处理，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据包括：
对每组脉冲数据采用小波去噪处理，得到与每组脉冲数据对应的处理数据；
采用IQ解调方式从每组处理数据中提取相位，得到与每组脉冲数据对应的相位信息；
对每组相位信息的相位采用平均相消法处理，得到与每组脉冲数据对应的相位处理数据：
从三组的相位处理数据中提取与三种不同脉冲宽度对应的相位，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据，每组相位数据包括N个相位。
需要说明的是，对步骤S2得到的N组脉冲数据，首先对N组脉冲数据通过小波去噪滤除白噪声、高斯噪声等干扰，得到对应N组的处理数据。然后通过IQ解调算法，提取每组处理数据信号中的相位，得到对应N组的相位信息。因无扰动情况下，每根电缆光纤的相位曲线比较固定，即每组相位信息差异较小；出现扰动时，对应长度（折算到时刻）相位信息出现变化，则需要对每组相位信息进行平均相消法处理，避免局部扰动，得到每组的相位处理数据；最后根据脉冲宽度，将相位处理数据分为三组相位数据，每组相位数据包括100个相位的相位处理数据。在本实施例中，得到每组相位信息依旧存在一定的噪声与暂态波动，对每组相位信息可以通过移动窗口最小二乘多项式平滑，对每组相位信息进行平滑处理。其中，IQ解调算法是本领域常规的数据处理方法，此处不对IQ解调算法的内容进行详细阐述。移动窗口最小二乘多项式的移动窗口长度为脉冲宽度。
图3为本申请实施例所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法中相位处理数据的相位曲线图。
在本申请实施例中，平均相消法是对于某一脉宽下的相位信息是随时间变化的函数，假设S i （t）为第i个相位信息，通过平均抵消法后的相位处理数据为：
；
式中，N表示一共有多少个相位信息参与了平均计算，S i ' （t）为第i个相位处理数据。由于非扰动部位，相位数值波动较小，减去平均值后，数值接近于零。而扰动部分的相位变化无规律，平均相消后数值依旧较大。
需要说明的是，参与平均相消的相位信息来自三芯电缆共两路光信号，可以更大程度保障脉冲数据获取的概率。同时可能出现一种极端情况，即局部放电信号出现在两根光纤镜面对称面上，可能造成两路光信号比较接近，差分后信号抵消。所以采用三芯电缆共两路光信号，可以彻底避免出现上述问题。同时无扰动情况下，两路光信号之间的相位是固定但不相同，通过平均相消也可以消去这个固定值，平均相消后得到的相位曲线大致如图3所示。
图4为本申请实施例所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法的三组一维数组图。
在本申请的一个实施例中，对每组相位数据进行离散、变维处理，得到与每组相位数据对应的一维数组包括：
以与每组相位数据对应的脉冲宽度作为窗口长度；以窗口长度作为移动窗口的移动单位对每组相位数据进行离散、变维处理，得到与每组相位数据对应的一维数据；
将三组一维数据对应的两两相位数值相乘，得到三组一维数组。
需要说明的是，三组相位数据分别对应100 ns、200 ns、400 ns脉宽宽度的数据，对每组相位数据以窗口长度作为移动窗口的移动单位通过移动窗口的形式，计算每个移动窗口的平均值，得到一维数据；之后离散后的三组一维数据，两两一维数据对应数据相乘，形成新的一维数组，如图4所示。例如，窗口单位为400 ns，即离散为一维数组，也可以这样理解将图3的相位曲线按400ns一段进行离散，每一段的数据后再计算其平均值，就得到最后的一维数组。
在本申请的一个实施例中，根据三组一维数组判断电缆的区域是否发生局部放电包括：若三组一维数组中至少有两组一维数组的数值大于阈值数据且数量不小于数量阈值，则该电缆的区域发生局部放电；否则，该电缆的区域没有发生局部放电。
需要说明的是，若电缆中无扰动，由于光信号相位波动较小，相差探测后经上述平均相消处理，三组数值都比较小，两两相乘后，数值都在零附近。若电缆中出现局部放电等扰动，同时被2个脉宽的脉冲光捕获，则最终得到的3组一维数组中，有2组会出现较大数值，且位置接近；若被3个脉宽的脉冲光捕获，则有3组出现较大数值。以1000ns为移动窗口（即连续5个数），进行数组中数据比对，若2个及以上数组都出现大于阈值数据的数据值，即认定为电缆该区域出现局部放电。在本实施例中，阈值数据可以选为10。在其他实施例中，阈值数据可以根据需求设置。
在本申请实施例中，该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法通过调整脉冲光脉宽，采用多组不同脉冲宽度的脉冲信号进行联合测试，从而降低干扰影响。脉冲光在光纤中传播时，会激发背向散射光，接收端接收到的信号可以看做是脉冲光宽度内所有散射信号的电场总和。采用窄带光源时，其对应的相干长度较长，不同瑞利散射信号会发生干涉效应，接收端接收的信号总功率就不仅仅是功率的叠加，也会具有相对稳定，但是随机的相位关系。由于信号叠加的相位关系是随机的，反映在终端测量曲线上也会呈现随机波动，不同脉冲宽度下的随机波形有差异，脉冲宽度越长，整体波动会变小，空间分辨率也会变小。所以采用多组不同脉冲宽度的脉冲信号联合探测，有助于消除随机干扰的影响。
实施例二：
图5为本申请实施例的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***的光路原理图。
如图5所示，本申请实施例提供了一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***，包括光源10、声光调制单元20、耦合单元30、第一光信号检测单元40、第二光信号检测单元50、光电探测单元60和信号处理单元70，声光调制单元20分别与光源10、耦合单元30和信号处理单元70连接，耦合单元30分别与第一光信号检测单元40和第二光信号检测单元50连接，第一光信号检测单元40和第二光信号检测单元50均与待测电缆101连接，信号处理单元70通过光电探测单元60分别与第一光信号检测单元40和第二光信号检测单元50连接。
在本申请实施例中，光源10用于提供相干光。
需要说明的是，光源10可以为窄线宽激光器，窄线宽激光器产生中心波长1550nm、线宽15kHz、光功率20 mW的相干光。
在本申请实施例中，声光调制单元20用于根据时序脉冲信号将相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光。
需要说明的是，声光调制单元20可以为声光调制器，声光调制器将连续相干光调制为脉冲光，脉冲光宽度与探测空间分辨率相关。为了提高信号丰富性，降低信号干扰与随机性，脉冲光宽度并不固定，调制成三种不同宽度（100 ns、200 ns、400 ns）的脉冲光。
在本申请实施例中，耦合单元30用于将脉冲光分为两路光信号。
需要说明的是，耦合单元30可以为耦合器，耦合器可以将一束光分为两路光信号。
在本申请实施例中，第一光信号检测单元40用于通过一路光信号对待测电缆的区域进行检测，并将检测反馈的光信号传送至光电探测单元60；第二光信号检测单元50通过另一路光信号对待测电缆进行检测，并将检测反馈的光信号传送至光电探测单元60。
需要说明的是，第一光信号检测单元40和第二光信号检测单元50将每路光信号经过放大后输入至待测电缆的一芯光纤中。第一光信号检测单元40和第二光信号检测单元50均包括与耦合单元30连接的第一放大器、与第一放大器连接的第二放大器和与第二放大器连接的环形器，第二光信号检测单元50的环形器通过光开关与待测电缆101连接，第一光信号检测单元40和第二光信号检测单元50的环形器均与光电探测单元60连接。其中，第一放大器为一级EDFA放大器，第二放大器为一级拉曼放大器。第一光信号检测单元40和第二光信号检测单元50的工作原理是：每路光信号均经过一级EDFA放大器与一级拉曼放大器，放大成500 mW的脉冲光。其中一路光信号经环形器1的端口1，输入到待测电缆101的第一芯光纤。另一路光信号经环形器2的端口1之后，接2路光开关，分接到待测电缆101剩余的第二芯光纤和第三芯光纤。
图6为现有典型光信号光强与距离的曲线图，图7为现有典型相位敏感的相干光的相位与时间曲线图，图8为现有光信号的典型Φ-OTDR曲线图。
在本申请实施例中，光电探测单元60用于将两路反馈的光信号进行差分处理，得到脉冲信号并将此脉冲信号传送至信号处理单元70。
需要说明的是，光电探测单元60可以为平衡光探测器，环形器1、2的端口接平衡光探测器的两个输入端，进行差分测量。差分信号经平衡光探测器后将脉冲信号转换为电信号。当光在光纤中传播时，会激发背向散射光，包括瑞利散射、布里渊散射以及拉曼散射等，其中瑞利散射信号最强。由于局部放电、振动等影响，会造成光纤中传播介质不连续，即与正常情况相比，光传播至该点时的散射光会发生变化（光强与相位）。直接测量背向散射光光强（ODTR），典型信号如图6所示，也可以进行介质不连续点的检测与定位。由于局部放电等小扰动信号较弱，在光强上的反应不明显，这类方法不适用于小扰动测量。所以采用相位敏感的相干光进行测量（Φ-OTDR），获取其中的相位信息，典型相位曲线如图7所示。如果出现扰动，在光强和相位上可能出现波动。若采用一路光信号，通过光电探测器进行直接探测，得到的典型Φ-OTDR曲线如图8所示，后续经相位解调得到相位信息；此类信号是在直流信号上叠加了随机衰减，如果衰减较弱，会掩盖在直流信号中。特别是考虑海缆光纤整体老化的问题，直接探测得到的信号信噪比不高采用平衡光电探测器进行两路光信号的差分探测，提高信号探测的灵敏度。平衡光是一种基于差分技术的光电探测器，其原理类似于平衡电桥，可以提高光电探测器的灵敏度和抗干扰能力。
在本申请实施例中，光电探测单元60采用的平衡光电探测器是由光分束器、与光分束器连接的两个光电二极管以及与两个光电二极管连接的差分放大器组成。光信号首先通过一个光分束器被分成两路，分别输入到两个光电二极管中，两个光电二极管的工作方式相同，但输入光信号的相位相反。当两个光电二极管接收到相同强度、相位相反的光信号时，它们的输出电流也会相反，因此可以将它们的输出信号相减得到一个差分信号。差分信号被差分放大器放大，并通过反馈回路调整两个光电二极管的工作点，使得它们的输出信号始终相等，从而消除了光源强度和光电二极管性能等方面的不均匀性和差异性，提高了光电探测单元60采集脉冲信号的灵敏度和抗干扰能力。
需要说明的是，该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***采用两路光信号用于探测，将两组背向散射光进行差分检测，即输出两组光信号的差值。由于电缆的三芯光纤都是均匀布置，正常情况下背向散射光差异是固定的，两组间的波动较小。该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***的光电探测单元60实现两路光信号的差分检测，可以提高探测灵敏性，但也会有更多干扰影响。
在本申请实施例中，信号处理单元70用于采用上述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法对采集的所有脉冲信号进行处理，确定电缆的区域是否发生局部放电。
需要说明的是，该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法的内容已在实施例一中详细阐述了，在此实施例二中不再对该基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法的内容进行详细阐述。基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***采用两组光纤进行传感，通过光电探测单元60将两组背向光信号进行差分测量，提高检测灵敏度，同时改变脉冲光脉宽，提高信号丰富性与抗干扰能力，进行多芯电缆局部放电检测。
在本申请的一个实施例中，待测电缆101包括第一芯光纤、第二芯光纤和第三芯光纤，第一芯光纤与第一光信号检测单元40的环形器连接，光开关分别与第二芯光纤和第三芯光纤连接，光开关用于切换第二光信号检测单元50的环形器与待测电缆101的第二芯光纤或第三芯光纤连接。
需要说明的是，待测电缆101具有三芯光纤，提高获取信号的概率。其中第一芯光纤直接与环形器1相连，持续输入脉冲光；第二芯光纤和第三芯光纤通过光开关交替输入脉冲光，产生的两组背向散射光，由光电探测单元60差分探测，同时将入射光进行处理，得到三种不同脉冲宽度的脉冲数据。3路信号时序如图2所示，该时序脉冲信号由信号处理单元70产生，输入到声光调制单元20中，信号时序中3个脉冲宽度分别为400 ns、200 ns、100ns。
在本申请的一个实施例中，信号处理单元70与声光调制单元20之间还连接有用于产生触发信号的信号发生单元80。
需要说明的是，信号发生单元80可以为ROGIL信号发生器，声光调制器需外接预调制信号，该预调制信号由信号发生单元80产生。同时信号发生单元80产生的调制信号也输入到信号处理单元70，作为数据采样的触发信号。
实施例三：
本申请实施例提供了一种终端设备，包括处理器以及存储器；
存储器，用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；
处理器，用于根据程序代码中的指令执行上述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法。
需要说明的是，处理器用于根据所程序代码中的指令执行上述的一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法实施例中的步骤。或者，处理器执行计算机程序时实现上述各***/装置实施例中各模块/单元的功能。
示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器中，并由处理器执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在终端设备中的执行过程。
终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以是终端设备的内部存储单元，例如终端设备的硬盘或内存。存储器也可以是终端设备的外部存储设备，例如终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（SmartMedia Card，SMC），安全数字（Secure Digital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器还可以既包括终端设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及终端设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时的存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其他的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取时序脉冲信号和相干光，根据所述时序脉冲信号将所述相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光；
电缆为三芯电缆，采用三种不同脉冲宽度的所述脉冲光的两路光信号对电缆的区域进行局部放电检测，将两路反馈的光信号进行差分处理得N组脉冲数据，N组脉冲数据包括3N个脉冲信号；
对N组脉冲数据依次进行去噪、相位提取、平滑分类处理，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据；
对每组所述相位数据进行离散、变维处理，得到三组一维数组，根据三组所述一维数组判断电缆的区域是否发生局部放电；
其中，N为大于100的自然数。
2.根据权利要求1所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法，其特征在于，三芯电缆包括第一芯光纤、第二芯光纤和第三芯光纤，采用三种不同脉冲宽度的所述脉冲光对电缆的区域进行局部放电检测，得N组脉冲数据，N组脉冲数据包括3N个脉冲信号包括：
获取所述时序脉冲信号的间隔时间，以及将三种不同脉冲宽度的所述脉冲光作为一组检测信号；
根据循环检测规则通过一组检测信号对所述电缆的区域进行局部放电检测，将两路反馈的光信号进行差分处理得N组脉冲数据；
所述循环检测规则包括：
采用一组检测信号的两路光信号对所述电缆区域的第一芯光纤和第二芯光纤进行局部放电检测，将两路反馈的光信号进行差分处理得到第一组脉冲数据；
待2倍的所述间隔时间间隔后，采用一组检测信号的两路光信号对所述电缆区域的第一芯光纤和第三芯光纤进行局部放电检测，将两路反馈的光信号进行差分处理得到第二组脉冲数据；
其中，N组所述脉冲数据包括N/2所述第一组脉冲数据和N/2所述第二组脉冲数据。
3.根据权利要求1所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法，其特征在于，对N组脉冲数据依次进行去噪、相位提取、平滑分类处理，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据包括：
对每组所述脉冲数据采用小波去噪处理，得到与每组所述脉冲数据对应的处理数据；
采用IQ解调方式从每组所述处理数据中提取相位，得到与每组所述脉冲数据对应的相位信息；
对每组所述相位信息的相位采用平均相消法处理，得到与每组所述脉冲数据对应的相位处理数据：
从三组的所述相位处理数据中提取与三种不同脉冲宽度对应的相位，得到与三种不同脉冲宽度对应的三组相位数据，每组相位数据包括N个相位。
4.根据权利要求1所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法，其特征在于，对每组所述相位数据进行离散、变维处理，得到与每组所述相位数据对应的一维数组包括：
以与每组所述相位数据对应的脉冲宽度作为窗口长度；以所述窗口长度作为移动窗口的移动单位对每组所述相位数据进行离散、变维处理，得到与每组所述相位数据对应的一维数据；
将三组所述一维数据对应的两两相位数值相乘，得到三组一维数组。
5.根据权利要求1所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法，其特征在于，根据三组所述一维数组判断电缆的区域是否发生局部放电包括：若三组所述一维数组中至少有两组所述一维数组的数值大于阈值数据且数量不小于数量阈值，则该电缆的区域发生局部放电；否则，该电缆的区域没有发生局部放电。
6.一种基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***，其特征在于，包括光源、声光调制单元、耦合单元、第一光信号检测单元、第二光信号检测单元、光电探测单元和信号处理单元，所述声光调制单元分别与所述光源、所述耦合单元和信号处理单元连接，所述耦合单元分别与所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元连接，所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元均与待测电缆连接，所述信号处理单元通过所述光电探测单元分别与所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元连接；
所述光源，用于提供相干光；
所述声光调制单元，用于根据时序脉冲信号将所述相干光调制成三种不同脉冲宽度的脉冲光；
所述耦合单元，用于将所述脉冲光分为两路光信号；
所述第一光信号检测单元，用于通过一路光信号对待测电缆的区域进行检测，并将检测反馈的光信号传送至所述光电探测单元；
所述第二光信号检测单元，用于通过另一路光信号对待测电缆进行检测，并将检测反馈的光信号传送至所述光电探测单元；
所述光电探测单元，用于将两路反馈的光信号进行差分处理，得到脉冲信号并将此脉冲信号传送至所述信号处理单元；
所述信号处理单元，用于采用如权利要求1-5任意一项所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法对采集的所有脉冲信号进行处理，确定电缆的区域是否发生局部放电。
7.根据权利要求6所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***，其特征在于，所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元均包括与所述耦合单元连接的第一放大器、与所述第一放大器连接的第二放大器和与所述第二放大器连接的环形器，所述第二光信号检测单元的环形器通过光开关与待测电缆连接，所述第一光信号检测单元和所述第二光信号检测单元的环形器均与所述光电探测单元连接。
8.根据权利要求7所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***，其特征在于，所述待测电缆包括第一芯光纤、第二芯光纤和第三芯光纤，所述第一芯光纤与第一光信号检测单元的环形器连接，所述光开关分别与所述第二芯光纤和所述第三芯光纤连接，所述光开关用于切换所述第二光信号检测单元的环形器与待测电缆的所述第二芯光纤或所述第三芯光纤连接。
9.根据权利要求6所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测***，其特征在于，所述信号处理单元与所述声光调制单元之间还连接有用于产生触发信号的信号发生单元。
10.一种终端设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行如权利要求1-5任意一项所述的基于多路光纤差分的电缆局部放电监测方法。
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