海纜綜合監測系統設計與實現

張長明

摘 要： 海纜運行環境處于深海地帶，受到海水腐蝕或是海水流動影響下很容易出現海纜運行故障問題。因此，以海纜工程項目為例開展分析，提出海纜綜合監測系統設計方法，并且詳細分析海纜綜合監測系統實現方法。通過分析海纜運行需要，重點關注系統運行監控溫度、擾動等多種因素，構建出了完善海纜綜合監測系統，為海纜監測工作提供全面技術保障。

關鍵詞： 海纜 監測系統 系統設計 系統運用

中圖分類號： TM75文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）06-0031-04

Design and Implementation of the Comprehensive Monitoring System for Submarine Cables

ZHANG Changming

Panyu Operating Company， Shenzhen Branch， China Offshore Oil （China） Co.， Ltd.， Shenzhen ， Guangdong Province， 518000 China

Abstract： The operating environment of submarine cables is in the deep sea， and it is easy to appear the faults of submarine cable operation under the inflence of seawater corrosion or seawater flow. Therefore， this paper carries out analysis with a submarine cable project as an example， proposes the design method of an integrated monitoring system of submarine cables， and analyzes its implementation method in detail. The design analyzes the need of sub‐marine cable operation， focuses on various factors such as the temperature and disturbance of system operation monitoring， builds the perfect integrated monitoring system of submarine cables， which provides comprehensive technical support for submarine cable monitoring.

Key Words： Submarine cable； Monitoring system； System design； System application

海纜是當前重要的基礎設施，特別是在沿海島嶼、風電場等有著極為重要的作用，為電力、通信等重要的傳輸措施，保障能源穩定的傳輸，滿足人們日常工作以及生活的需要。但是在海纜投入使用之后，其面臨的運行環境比較復雜，多方面的因素影響其正常的使用，如海上漁船、采砂船作業、惡劣的海底環境等，尤其在船舶的拋錨、起錨等環節，因為外部產生比較大的沖擊力而導致海纜的損壞，無法滿足使用要求，也會導致嚴重的事故發生。此外，海纜的運行的環節本身也會發生老化的反應，絕緣擊穿的事故發生率較高，無法滿足應用的需要。因此，建設海纜綜合監測系統，進行系統的設計以及優化，各項功能達到要求，為海纜穩定的運行提供基礎，也會為系統正常工作提供支持。

1 工程概況

1.1 工程需求

某A和B平臺是當地的重要設施，其主開關需要安裝一套海底光電復合纜綜合監測系統，具體如下：

（1）系統運行監控溫度、擾動等因素；

（2）監測距離在30 km以上，系統具備多通道結構；

（3）對海纜運行情況監測以及預警，防止發生絕緣擊穿、產量損失等，降低維修的費用；

（4）監測海纜長度，設施配置見表1。

1.2 系統概述

在本次項目運行的環節安裝一套C平臺海纜在線監控系統，準確掌握溫度參數，了解外部產生的擾動因素，并且集成多方面的功能。該項目中包含2根監測海纜，用光纖傳感技術作為基礎運行，包含多個功能性系統，掌握多條海纜的運行系統，并利用系統化平臺隨時獲取海纜的運行情況。在系統內分布著多個子系統，整合各項技術措施，運行更具穩定性，更加完整、可靠，安全防范性能比較好，達到海纜運行的標準，系統工作質量提升。

1.3 系統組成

在該項目的海纜綜合監測系統中，獲取溫度參數，建設擾動監測系統，以光纖傳感器作為核心實現數據傳輸，并利用多個傳感器及時獲取現場運行的溫度、擾動等信息，如果在海纜工作環節發生異常問題，發出警報信息，掌握運行狀態，為后續的調整和管控提供基礎。

2 海纜綜合監測系統方案設計

在該系統設計的環節，主要的目的是對海纜溫度、擾動方面實施監測，包含多個子系統共同組成整體結構，并對系統實施全面性的監控以及管理，實現成本有效控制，資源整合效果得到全面的提升，具體應用下述技術措施。

2.1 海纜溫度監測系統

對于該系統在設計的環節，系統組成如下：2臺溫度監測主機；A平臺、B平臺各放置1臺；應用單模光纖實施溫度監測。根據系統控制的要求設置有一套分析軟件，隨時根據掌握的海纜溫度進行分析，并且掌握過載流量，實現數據應用價值的提升。

2.2 海纜擾動監測系統

該系統包含如下內容：2臺擾動監測主機；A平臺、B平臺各放置1臺；應用單模光纖實施擾動監測。

2.3 海纜綜合監控平臺

該系統平臺中包含兩套監測系統平臺，A平臺、B平臺各放置1臺，輔助運行的部分較多，如交換機、服務器、機柜、監控軟件、顯示器等，通過各開關進行系統控制。

2.3.1 A平臺現場情況

海纜監測系統運行中采用前后開門方式，尺寸：高2 260 cm×寬800 cm×深600 cm，正面側部開門，背部雙開門。結合上述尺寸的設計要求，在系統二次設備的運行中尋找符合要求的安裝場地，確保各項功能達到要求。按照系統檢修的要求，預留檢修通道，為后續系統的正常工作提供基礎。

2.3.2 B平臺現場調研情況

該平臺應用前后開門的形式，尺寸：高2 260 cm×寬800 cm×深600 cm，正面左側開門，背部雙開門，其他和B相同。

根據監測裝置的外形尺寸，在二次設備間內找到一處適合并可施工安裝此柜的空地。

3 海纜綜合監測系統實現

3.1 海纜擾動監測系統

海纜擾動監測系統在運行中以C-OTDR技術作為原理，通過纖維振動傳感系統掌握現場的各項數據信息，提高監控效果。光纖系統在投入使用之后，光脈沖的運行更加穩定。由于瑞利散射會造成能源的損耗，所以應重視散射強度的控制，掌握系統能耗的數據信息，了解到分布式光纖運行環節發生的衰減情況。在檢測系統的運行中，瑞利散射光的信息獲取之后，在系統鏈路內產生一定的擾動變化，從而出現折射率的改變，該部位的光相位發生改變，散射光的強度也會有所變化。根據系統檢測的光強，實時獲取各項信息，并且對比前后信號的變化，在光強變化較為明顯的情況下，經過計算信號變動的具體情況，掌握反射時間因素，以確定具體的擾動部位。根據C-OTDR的工作原理，在進行光纖系統檢測確定中，沿著傳感光纖進行信號傳輸，準確地掌握各個點位的具體情況，從而了解損耗強度以及外部擾動所存在的變化，實現數據的采集以及應用，定位精度提升，也能實時報警[1]。

以C-OTDR原理作為基礎研發應用海纜擾動監測系統，以分布式光纖振動監測的方式作為原理，掌握散射光更加精度，模塊分析數據比較精準，掌握海纜振動的基本信息，快速識別非法入侵，使結構定位精度得到提升，且快速識別相關信息，一旦存在問題立即發出警報，避免持續發生損壞。在該系統內主機為OFSS8000，具體組成可見圖1。

3.2 海纜溫度監測系統

海纜的溫度監測系統工作原理是拉曼散射，也就是分布式光纖監測系統，應用規定頻率區間之內的光脈沖照射光纖內部。在光纖玻璃芯在系統內發生移動之后，在系統內會形成種類比較多的輻射散射，而拉曼散射對于溫度具備較高的敏感性，數據掌握精度較高。在光纖信號傳輸的環節利用拉曼散射的方法掌握溫度變化參數，了解分布范圍，數據精度提升。

在光纖通信傳輸的環節，因為分子振動以及光子之間的能量變化而引發拉曼散射，也就是說現在光能振動后形成熱振動，這就會出現光源較長的波，稱為斯托克斯光（Stokes光），如果一部分振動轉換成為光能，那么將發出一個比光源波長更短的光，稱為反斯托克斯光（Anti-Stokes光），該光強度極易受到溫度波動的變化影響，但是影響很小，無法獲取測量，所以不計算，而Anti-Stokes光的溫度變化具備較高敏感性。AntiStokes光與Stokes光強度與溫度呈現出函數變化規律。在光纖傳輸作業的過程中會形成部分拉曼散射光，通過通路傳輸，并且經過探測系統掌握數據。在系統內安裝測溫機，掌握溫度變化的情況，從而獲取AntiStokes光強度變化，得出溫度參數。將OTDR技術應用到時域中，結合光纖傳輸速度與入射光和拉曼散射光的時間差，結合溫度變化情況以實現精準定位，獲取溫度變化的部位。監測獲取的溫度變化情況，利用時域技術快速掌握光強與溫度的關系，根據系統運行的要求獲取數據信息，進而得出精準溫度參數[2]。

3.3 海纜載流量評估軟件

海纜載流量評估系統基于動態載流量模型（Dy？ namic Cable Rating，DCR）和分布式光纖測溫技術（Dis？ tributed Temperature Sensor，DTS），根據系統掌握的光纜運行具體情況，獲取電流數據信息，掌握溫度參數，進一步確定載流信息，并對各部分運行情況模擬分析。在模型分析的環節，以多態環境作為依據，應用到復雜條件下，隨時掌握溫度以及負荷量變化的情況，一旦系統存在風險及時發出警報信號。根據系統監控的要求掌握負荷變化的情況，及時展開電力調度，掌握數據信息，決策信息也會更加的準確。在載流量的數據監測中，掌握的數據信息在標準條件下，且溫度不超過最高溫度，還要確定具體的時間跨度，界定系統溫度數據變化的情況。

根據電纜運行的環境建設光纜模型，也就是DCR模型，以確定初始條件下的流量以及時間，載流量數據掌握更加的精準，并根據實際情況模擬仿真，只需要確定負荷電流曲線，就能快速掌握溫度場變化的情況，了解演變的過程。在DTS出現前，DCR在計算的環節以暫態、周期性計算方式為主；選擇穩態電流計量相同方式，DCR計算容易發生偏差問題。在模型處于遠處模型邊界的條件下，電纜結構表面以及相鄰部位數據基本確定，但是邊界沒有明顯，需要假設工作狀態以得出數據。將測溫光纜安裝到保護層結構內，隨時掌握表面溫度、護層溫度等數據，應用DCR模型掌握電纜周邊變動情況，在敷設后即可獲取信息。

3.4 海纜綜合監控平臺

在該平臺建設完成之后，系統運行環境的復雜性比較高，需要多個條件下共同運行，監控系統運行的狀態，達到適應性的要求，以NET架構和B/S架構為基礎進行設計，采取4層分布式設計的方式，按照設備層、數據層、平臺層、應用層布置。根據監測平臺的功能性要求，在系統內布置軟件、存儲層、顯示層、報警層等[2]。

3.4.1 數據接口設計

監測平臺在設計的環節，數據接口設置極為重要，目前主要分為內部接口、對外接口的部分，具體設置如下。

（1）通過數據庫接口掌握各項數據信息，達到共享和應用效果。

（2）根據要求選擇合適的接口組件，完成系統內數據的交換和使用。在系統同步運行中，利用RPC遠程調節的方式，異步信息利用監聽機制的message方法。對外接口在設計的環節，以目前國際上應用比較多的B/S集成接口方式為主，執行網絡連接技術標準，使接口運行更加順暢，滿足服務器的運行要求。

3.4.2 數據整合

該監控系統平臺運行的環節，構建高質量的管控系統平臺，利用監控設備采集系統運行的各項數據信息，并且實現系統的統一化、智能化的分析，最終可以構建形成完善的信息系統，隨時掌握系統各個部件的運行實際情況，運行狀態獲取更加完善，也能提供系統各項功能服務。而在前端監控系統的設計中，通過網絡連接各個部分，系統運行的功能性得到提升，還能滿足數據調試、接口設計等功能，數據分享和應用效果提升[3]。為了避免在投入使用之后影響系統的運行效果，結合系統的工作要求實現升級與改善，并且統一設置系統內各個部分，達到系統監測功能性的要求[4]。前置子系統是必不可少的部分，建設監控子站部分，快速完成監測系統的運行，在數據匯總、存儲、交換等方面都有明顯優勢，并且根據需要將其傳輸到監控平臺內，達到在線監控運行的效果，具備互聯、互通的作用[5]。

4 結語

海纜運行監測作為一項非常重要的工作，如何全面對海纜運行監控保證系統運行穩定是當前關注重點。基于海纜運行監測要求，本文結合具體需要設計出一套海纜綜合監測系統設并且重點對海纜綜合監測系統運用方法分析?，F有研究從實際運用上分析已經得到良好效果，但是從長遠考慮，還需對海纜綜合監測系統進行深入研究，結合不同環境、使用條件方面做好設計方案優化，確保海纜綜合監測系統功能有效發揮。

參考文獻

[1]胡森.光電復合海纜在線監測系統數據發布系統設計[J].現代計算機，2019（30）：78-82.

[2]時倩玉，安博文，陳元林.基于104規約的海纜在線監測數據發布系統設計[J].現代電子技術，2021，44（3）：6-10.

[3]吳浩.基于計算機技術的海纜溫度場建模及應用研究[J].粘接，2021，48（10）：76-80.

[4]張旭蘋，陳曉紅，梁蕾，等.長距離海纜在線監測改進型C-OTDR系統[J].光學學報，2021，41（13）：9-20.

[5]張秀峰.海纜運行監控一體化系統運用實例分析[J].機電信息，2020（36）：21-22.