技术领域
[0001] 本发明属于智能电缆技术领域，具体涉及具有智能预警单元的智能预警电缆。
相关背景技术
[0002] 电力电缆是电力系统中常见且关键的电力设备，随着电缆使用时间的增长，电缆的状态难免会发生一定程度的老化，容易造成电气线路着火，其中主要原因包括：
[0003] 第一、超负荷工作，导致电线发热烧熔着火，由于设计原因，原定的负载功率定下了所需要的线径，但因后来增加用电设备，功率增加而没对电线进行升级，导致电线在通电时超负荷工作，发热烧熔着火。
[0004] 第二，电线短路。由于某些原因，如老鼠咬线，不当施工致电线破皮，线路设计错误等致使电线短路着火，大功率的电线短路，还可能发生爆炸，所以，短路是非常危险的！[0005] 第三，电线老化烧蚀引起着火。电线使用时间过长，绝缘皮硬化龟裂，线蕊氧化，通电能力下降，线与线接驳口松了或氧化腐蚀，这些都容易造成跳火！
[0006] 因此如何提前预知电缆温度异常已成为本领域技术人员亟待解决的问题。
具体实施方式
[0060] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0061] 如图1、图2、图3所示，本实施例提供一种具有智能预警单元的智能预警电缆，包括保护层1，所述保护层1内部设置有多个环形阵列的缆芯2，在保护层1与缆芯2之间设置有铠装多模光单元3，缆芯2包括由内到外设置的交联聚乙烯绝缘护套、矿物绝缘层和线芯4，缆芯2的外部与保护层1的内部之间具有填充物；保护层1选自无卤低烟聚烯烃护套，线芯选自铜导体。
[0062] 通过在电缆制作过程中提前预埋一条铠装多模光单元作为该电缆的智能预警单元，以铠装多模光单元中的感温光纤作为测温和测距的载体，基于光纤拉曼散射和光时域反射定位原理，采用感温光缆作为前端温度传感器，实现精确测量电缆各个位置的温度并定位温度异常点。
[0063] 所述铠装多模光单元3包括K个分布式测温结构、温度计算子单元、温度预测子单元、定位预警子单元，K根据电缆实际长度与感温光纤测温间隔来确定；
[0064] 分布式测温结构包含有脉冲光源、感温光纤、波分复用器、光电转换器、数据收集器；
[0065] 脉冲光源用于向感温光纤发出脉冲信号；
[0066] 感温光纤在脉冲信号传输过程中产生拉曼散射光信号；
[0067] 波分复用器用于将拉曼散射光信号分解为反斯托克斯光和斯托克斯光信号；
[0068] 光电转换器用于将反斯托克斯光和斯托克斯光信号数据转换为电信号数据；
[0069] 数据数据器用于收集电信号数据；
[0070] 温度计算子单元，根据电信号数据计算温度数值，记为测量温度；
[0071] 温度预测子单元，基于测温时间间隔，确定每个测量温度所对应的时刻点i，基于在每个时刻点测温得到的测量温度，对未来温度进行预测，记为预测温度；
[0072] 定位预警子单元，确定每两个时刻点之间的温度变化率，由温度变化率确定温度变化范围，得到正常状态下电缆测温得到的温度变化范围，记为测温范围，对电缆的未来温度进行预测，得到电缆的预测温度的变化范围，记为预测范围，根据测温范围确定在测温时刻点内温度变化范围的最大值与最小值，得到温度变化范围阈值，确保预测范围与测温范围的时长相同且具有唯一相同的时刻点，计算预测范围与测温范围的差值，将差值的绝对值与温度变化范围阈值比较，判断在预测的时间内是否会发生异常状况，根据感温光纤的光时域反射原理实现定位功能。
[0073] 进一步地，上述温度计算子单元确定温度数值的具体方法包括：
[0074] 通过数据采集器，收集由反斯托克斯光和斯托克斯光经过光电转换的电信号，通过解调公式，得到解调温度表达式如下所示：
[0075]
[0076] 其中M0表示对照光纤的测量温度，Ua与Us分别表示由反斯托克斯光和斯托克斯光转换的电压电平值，Ia与Is分别表示由反斯托克斯光和斯托克斯光转换的电流电平值，T0与T分别代表对照光纤与铠装多模光单元内的光纤，k是波尔兹曼常量，h是波朗克常量，Δv是光纤分子的声子频率，δ表示温度误差系数根据具体情况和需求来确定，基于温度误差结果制定和确认的；温度误差结果指由解调公式得到的测量温度与同一时刻实际温度之间的误差值，本实施例中δ等于1.8。
[0077] 由解调温度表达式得到感温光纤测量温度与真实温度进行比较，确定测量误差值，通过机器学习算法，改变对信号进行累加的次数以及脉冲光源功率，确定使温度误差值最小的累加平均次数与脉冲光源功率，得到与实际温度误差最小的感温光纤测量温度。
[0078] 温度预测子单元；根据测温时间间隔，确定每个测量温度所对应的时刻点i，基于在每个时刻点测温得到的测量温度，采用趋势外推法，对未来温度进行预测，由趋势外推法预测温度的多项式模型具体如下所示：
[0079]
[0080] 其中，M(i)为i时刻预测模型预测温度， 表示模型系数，通过解方程确定系数，n为模型阶数，n较小时多项式模型的预测准确度较低，n较大时多项式模型会出现过度拟合问题，通过设置预测误差，确定最佳的多项式模型阶数。
[0081] 基于历史i时刻实际温度 设置预测误差函数，确定预测模型的模型阶数，预测误差函数如下所示：
[0082]
[0083] 其中N表示从1到N时刻的预测，M(i，n)表示n阶多项式模型对i时刻的预测温度值，ΔMmax表示i在1到N内 的最大值， 表示变化系数，在0到1之间，的符号变化次数越少值 越大，本实施例中 的符号变化次数
等于5时，等于0.7，选择预测误差最小、预测温度与测量温度在相同时刻变化曲线最相似多项式模型，和该模型的真实阶数，得到预测误差最小的多项式模型将其作为温度预测模型，基于感温光纤的测温数据，使用温度预测模型对未来时刻的温度进行预测。
[0084] 定位预警子单元：作为测温载体的感温光纤是被包含在铠装多模光单元内的，因此感温光纤的测量温度与真实温度一定存在温度差值，且该温度差值在一定范围内不断变化，通过预测模型得到的预测温度与测量温度也存在不可消除的误差，但存在的温度误差不会影响预测温度、测量温度与真实温度具有相同的变化趋势，基于温度变化趋势，实现对电缆的智能预警，具体方法如下所示：
[0085] 收集正常状态下的电缆进行m次光纤测温的温度数据，设置测温时间间隔与时刻点，确定每两个时刻点之间的温度变化率，具体公式如下所示：
[0086]
[0087] 其中a，b表示不同的时刻点，且a时刻点发生在b时刻点之后，ni表示总共有个ni时刻点，ti表示两个相邻时刻点的时间间隔时长，由(ia‑ib)表示时刻点a，b之间相隔的时间间隔数量，Ma表示a时刻的测量温度，Mb表示b时刻的测量温度。
[0088] 得到的a时刻与b时刻之间的温度变化率不受温度差值的影响，能够准确反应温度的变化。
[0089] 基于电缆的m次测温数据在a时刻对未来温度进行预测，设置预测了xi个时刻点的温度，得到预测温度的温度变化率，具体公式如下所示：
[0090]
[0091] 其中 表示预测的最后一个时刻点， 表示在时刻点 的预测温度，xi表示一共预测了xi个时刻点。
[0092] 由温度变化率确定温度变化范围，温度变化范围G的具体公式如下所示：
[0093]
[0094] 其中t表示时间，由预测温度的温度变化率得到对应的温度变化范围，将预测温度的温度变化范围记为预测范围，将正常状态下电缆测温得到的温度变化范围记为测温范围。
[0095] 在确定的时刻点a与b之间筛选正常状态下电缆的温度变化范围的极值，通过改变时刻点得到不同的温度变化率，筛选得到温度变化率的最大值与最小值，进一步得到温度变化范围的最大值Gmax与最小值Gmin，由温度变化范围极值设置温度变化范围阈值O，具体公式如下所示：
[0096] O＝α(Gmax‑Gmin)；
[0097] 其中α表示温度变化范围参数，α在0到1之间，当Gmax与Gmin对应的两组时刻点之间的时长越大，α值越大，反之α值越小，根据实际情况和需求来确定，本实施例中，α＝0.85。
[0098] 计算预测范围与测温范围的差值，具体公式如下所示：
[0099]
[0100] 其中 表示预测范围，G表示测温范围， 表示预测温度的温度变化率，V表示光纤测温温度的温度变化率， 表示预测的最后一个时刻点，x表示y时刻之前的时刻点，且到y之间相隔r个时刻点，x到y之间同样相隔r个时刻点，r有最大值k，r为0到k之间的整数，k与ti是和时间相关的参数，根据具体情况和需求来确定，通常是由专业人士或相关利益方共同制定和确认的，本实施例中ti为5分钟，k等于12，当R的绝对值大于等于O时，判断在预测的时间内将会发生异常状况，定位异常点位发送预警信号，异常状况包括：电缆超负荷工作、电缆温度异常，根据光纤的光时域反射实现光纤距离的定位，脉冲光源发射光脉冲，光脉冲传播到光纤时会产生与光脉冲传播方向相反的后向散射光，后向散射光经过一定时间会返回脉冲光源，光纤中产生后向散射的位置和该点散射光返回时所经过的时间关系具体如下所示：
[0101]
[0102] 其中，Z表示脉冲光源到光纤发生散射位置的距离，p表示光纤的折射率，c指光的传播速度，t指脉冲光源从发射光脉冲到接受散射光的时间。
[0103] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0104] 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可做很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
