基于電子預警系統的海上風電場海纜防護措施研究與應用

高亞武，郗林，李鑫

（南通海事局，江蘇 南通 226002）

當前，如東沿海已建成并網16 座風電場，裝機容量483 萬千瓦。在整個風電場運行結構中，海底電纜發揮了生命線和大動脈作用，同時扮演著“血管”和“神經”的角色，除了匯集、傳輸電能外，其內部還有光纖單元，作為風電場通信及海纜監測信號的通道。由于海纜敷設距離長且缺乏有效的防范措施，如東海上風電場220 千伏主海纜集中廊道內經常有漁船或其他船舶隨意下錨、停泊，導致海纜被破壞事故多次發生。據初步統計，僅2021 年下半年，如東沿海風電場已發生海纜錨害事故超過5 起，直接損失已超過5000 萬元，綜合考慮電量損失、修復施工費用等間接損失，風電場整體經濟損失已超億元。為適應海底電纜保護和海上風電高質量發展的要求，急需研究推行海底電纜的電子預警系統、配套管理手段等新型智慧防護措施。

1 系統設計

如東沿海的華能、國信、三峽、國電投、中廣核、蘇交控、協鑫等海上風電場，從220KV 海上升壓站至陸上集控中心的主海纜（包括海底電纜和光纜）均為集中敷設，且陸上集控中心均建設于如東縣小洋口（見圖1），該主海纜廊道長度36 海里，最遠端離岸25 海里。

鑒于如東海上風電場海纜路由為集中布置，間距較小，為減少重復性投資，按照“共建、共享、共贏”的原則，如東海上風電產業發展指揮部協調相關風電場業主單位共同委托專業機構江蘇海宇公司建設并運營海底電纜安全防護電子預警系統。該系統以前端感知系統和預警監控平臺為手段，以航標燈浮和管線標示警設備為先導，以陸岸監控服務中心、現場警戒船舶為核心，對220KV 主海纜集中廊道周邊及過往船舶進行24 小時實時監控，當過往船只出現錨泊等威脅主海纜安全的趨勢時，及時向其發出警告并采取措施進行驅離，避免主海纜受錨迫害，為主海纜安全運行提供重要保障。

圖1 如東海上風電場220KV 主海纜路由示意圖

2 系統原理

海底電纜安全防護電子預警系統是基于海陸空天采集端的信息感知探測設備采集現場實時數據，通過傳輸端將現場實時信息數據傳輸至陸基監控中心后臺服務器上并存儲，利用大數據、云計算及人工智能分析等手段，對采集的信息數據集成至客戶端海底電纜安全預警監控平臺上，并由陸基監控中心值班人員調度指揮現場人員進行專用船/無人艇巡航警戒維護驅離、無人機巡視，實現如東海上風電場主海纜區域安全動靜態信息“一網掌控”的現代化安全預警監控系統（見圖2）。該系統主要由前端感知系統、預警監控平臺、24h 監控中心、現場警戒力量、協同服務支撐等部分構成。

圖2 海纜安全防護電子預警系統立體監控框架圖

3 系統組成

3.1 前端感知子系統

一是AIS 子系統。在主海纜區域附近的海上風電場升壓站上布設3 套AIS 基站，并向船訊網購買南通沿海區域的所有船舶AIS 數據，獲取船舶的動靜態信息。二是雷達子系統。在主海纜區域附近的海上風電場選擇兩個點各建設1 套雷達站，完成對主海纜區域水面所有船舶目標的主動探測，并將VTS 雷達信號接入，獲取南通沿海海域的所有目標動態。三是視頻監控子系統。在主海纜區域附近的海上風電場風機上部署20 套CCTV視頻監控設備，實現對主海纜區域的過往船舶實時動態監測，并實現與AIS、雷達進行聯動。四是甚高頻通信系統。將附近升壓站上已建的VHF 基站接至VHF 通信系統中，實現VHF 語音通信信息及報警信息的自動采集及推送。五是航標燈浮/管線標示警設備。在主海纜區域的關鍵點處設置航標燈浮，用以標示海底電纜的位置，并在主海纜上岸位置處設置管線標，船舶駕駛人員可根據航標燈浮/管線標的顏色、閃光、AIS 顯示屏顯示來視覺識別，也可根據航標上的音響來聽覺識別。六是衛星通信子系統。在專用船和無人艇上各部署1 套衛星通信子系統，通過衛星鏈路實現各傳感器信號傳輸至海宇監控中心，并在預警監控平臺實時顯示，實現對主海纜區域水上態勢的監測。七是數據共享子系統。在海上風電場、監控中心及監管部門各部署1 套三層交換機，實現前端數據及系統內部數據的傳輸、對外交互和安全訪問控制。

3.2 預警監控平臺

預警監控平臺，是以前端感知設備采集的信息數據為基礎，運用位置感知、視頻監控、移動互聯、智能分析等手段，將主海纜區域的過往船舶信息、人員信息集成為一體，進而實現主海纜區域過往船舶和主海纜本體動態實時監控預警的綜合服務平臺。主要有中心數據融合子系統、信息管理子系統、顯控子系統、電子圍欄子系統、記錄回放子系統組成。

其中，電子圍欄子系統是在主海纜監測區域繪制電子圍欄，主海纜外圍分別500m、1000m、1500m 處分別設置電子圍欄紅、黃、藍三級警戒圈，進入第一級警戒圈的違規船舶，使用AIS 系統自動預警；進入第二級警戒圈的違規船舶，啟動VHF 自動語音報警通知；進入第三級警戒圈的違規船舶，可自動觸發監控中心的聲光報警器警告。在監控平臺管理界面，對部分船舶進行白名單和黑名單的開設管理，對警告船舶進行處理，實現目標動態操作與顯示、目標標會、目標查詢、目標報警及記錄信息回放等功能（見圖3）。

圖3 預警監控平臺對電子圍欄報警船舶進行視頻查看

4 配套管理措施

4.1 值班監控中心

作為海上風電場海底電纜安全體系的中樞控制模塊，配備專門人員，開展24 小時不間斷值守，掌握主海纜區域內船舶航行、停泊、作業情況，實施船舶動態監控，及時辨別可能影響主海纜安全的因素，提供安全建議和警示提醒；建立安全預警監控系統運行管理制度，定期開展海底電纜安全預警監控系統設備巡查、維修和保養，及時排查故障和修復，確保系統正常使用。

4.2 現場警戒力量

現場警戒力量主要有三類，第一類為專用船警戒巡視，在主海纜區域附近常態化24 小時部署專用船日常警戒巡視，同時配備通信系統、視頻監控、水面救生、遠程喊話和聲光報警等設備。第二類為無人船巡查，最高航速40 節，搭載高清三軸穩定云臺圖像取證系統，可實現白天8 公里（夜間4 公里）范圍目標跟蹤監控，搭載聲光驅逐設備，覆蓋范圍1.5 公里。第三類為無人機巡視，使用油電混合動力系統的垂直起降固定翼無人機，通過其攜帶的采集端30 倍變焦、遠距紅外攝像可見光吊艙，根據事先設定好的程序進行自主飛行，對主海纜區域現場實時畫面進行高清采集，實現150 公里距離的遠程實時傳輸；使用大疆無人機，圖傳距離15 公里，可在專用交通船上進行定點起飛降落，對主海纜定點區域進行定位精準巡視。

4.3 定期埋深掃測

利用交通船、無人船搭載的淺剖或合成孔徑等海纜路由專用水下掃測設備，定期對主海纜區域進行掃測采集數據，然后使用專用軟件對掃測的數據進行處理，判定并在圖上拾取海纜的平面位置和埋設深度，形成軟件成圖，與已有的施工坐標進行比對、分析和確認，最終形成海纜埋深情況檢測報告和海纜埋深圖，以此來評估海纜在海底的風險和運行的穩定性。

4.4 協同服務支撐

監控中心主動配合屬地政府、海事、海警、農業農村等部門的專項整治和執法檢查，通過張掛宣傳橫幅、發布宣傳畫冊和宣傳片、開展安全教育培訓，以及網絡、微信等途徑，全面營造船舶遠離海纜的良好氛圍。同時，利用前端感知系統，對停留在主海纜區域的船舶進行取證處理，并及時向風電業主單位通報潛在風險。

5 應用成效

目前，海底電纜安全防護電子預警系統已在如東沿海風電場開始運用。根據各業主單位反映，通過應用海纜防護預警系統，近期在主海纜集中廊道內的船舶明顯少了，海纜錨害事故也明顯下降了，其成效主要包括經濟效益和社會效益兩個方面。

在經濟效益方面，有效提高了海纜前端信息自主感知能力，減少了信息人為搜集的成本；在一定程度上提升了海纜維護信息化水平，及時對海纜監測發現的問題進行排查、維護，提高了維護資源的利用率，大幅減少了海纜的維護成本。同時，還明顯降低了海纜錨害等事故發生概率，減少海纜修復、風電場停產停電等經濟損失，經濟效益顯著。

在社會效益方面，全面提升如東海上風電場主海纜集中廊道自主安全保障能力與維護水平，保障海纜安全運行，有效提供風電業主單位滿意度；可協助海事、海警等部門對主海纜區域進行安全監管，配合聯合執法，當發生船舶與海纜安全事故時，提供相關佐證記錄；海底電纜防護管理水平的提高，在一定程度上也表明風電場業主單位依法采取了有效措施，是全面深化落實安全主體責任的具體表現。

6 結束語

海底電纜是海上風電場安全運行的生命線，海纜防護是海上風電場建設運行的重要組成部分，其效果將直接影響風電場的運維成本。本文介紹了海纜防護預警系統的設計、構成、運行及相關配套管理措施，如東海上風電場運用該系統在海底電纜保護中取得了明顯成效，風電企業和相關部門也給予了認可。應該說，海纜防護預警系統極大補充了現有風電場海纜的保護管理方式，實用性較強，有效幫助了風電企業落實安全主體責任。