海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張長(zhǎng)明

摘 要： 海纜運(yùn)行環(huán)境處于深海地帶，受到海水腐蝕或是海水流動(dòng)影響下很容易出現(xiàn)海纜運(yùn)行故障問(wèn)題。因此，以海纜工程項(xiàng)目為例開展分析，提出海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并且詳細(xì)分析海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)分析海纜運(yùn)行需要，重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控溫度、擾動(dòng)等多種因素，構(gòu)建出了完善海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為海纜監(jiān)測(cè)工作提供全面技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞： 海纜 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)運(yùn)用

中圖分類號(hào)： TM75文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 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(dāng)前重要的基礎(chǔ)設(shè)施，特別是在沿海島嶼、風(fēng)電場(chǎng)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(wěn)定的傳輸，滿足人們?nèi)粘９ぷ饕约吧畹男枰５窃诤＠|投入使用之后，其面臨的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)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(yè)、惡劣的海底環(huán)境等，尤其在船舶的拋錨、起錨等環(huán)節(jié)，因?yàn)橥獠慨a(chǎn)生比較大的沖擊力而導(dǎo)致海纜的損壞，無(wú)法滿足使用要求，也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故發(fā)生。此外，海纜的運(yùn)行的環(huán)節(jié)本身也會(huì)發(fā)生老化的反應(yīng)，絕緣擊穿的事故發(fā)生率較高，無(wú)法滿足應(yīng)用的需要。因此，建設(shè)海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化，各項(xiàng)功能達(dá)到要求，為海纜穩(wěn)定的運(yùn)行提供基礎(chǔ)，也會(huì)為系統(tǒng)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(tái)是當(dāng)?shù)氐闹匾O(shè)施，其主開關(guān)需要安裝一套海底光電復(fù)合纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具體如下：

（1）系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控溫度、擾動(dòng)等因素；

（2）監(jiān)測(cè)距離在30 km以上，系統(tǒng)具備多通道結(jié)構(gòu)；

（3）對(duì)海纜運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)以及預(yù)警，防止發(fā)生絕緣擊穿、產(chǎn)量損失等，降低維修的費(fèi)用；

（4）監(jiān)測(cè)海纜長(zhǎng)度，設(shè)施配置見表1。

1.2 系統(tǒng)概述

在本次項(xiàng)目運(yùn)行的環(huán)節(jié)安裝一套C平臺(tái)海纜在線監(jiān)控系統(tǒng)，準(zhǔn)確掌握溫度參數(shù)，了解外部產(chǎn)生的擾動(dòng)因素，并且集成多方面的功能。該項(xiàng)目中包含2根監(jiān)測(cè)海纜，用光纖傳感技術(shù)作為基礎(chǔ)運(yùn)行，包含多個(gè)功能性系統(tǒng)，掌握多條海纜的運(yùn)行系統(tǒng)，并利用系統(tǒng)化平臺(tái)隨時(shí)獲取海纜的運(yùn)行情況。在系統(tǒng)內(nèi)分布著多個(gè)子系統(tǒng)，整合各項(xiàng)技術(shù)措施，運(yùn)行更具穩(wěn)定性，更加完整、可靠，安全防范性能比較好，達(dá)到海纜運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)工作質(zhì)量提升。

1.3 系統(tǒng)組成

在該項(xiàng)目的海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，獲取溫度參數(shù)，建設(shè)擾動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以光纖傳感器作為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并利用多個(gè)傳感器及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的溫度、擾動(dòng)等信息，如果在海纜工作環(huán)節(jié)發(fā)生異常問(wèn)題，發(fā)出警報(bào)信息，掌握運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)的調(diào)整和管控提供基礎(chǔ)。

2 海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，主要的目的是對(duì)海纜溫度、擾動(dòng)方面實(shí)施監(jiān)測(cè)，包含多個(gè)子系統(tǒng)共同組成整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)施全面性的監(jiān)控以及管理，實(shí)現(xiàn)成本有效控制，資源整合效果得到全面的提升，具體應(yīng)用下述技術(shù)措施。

2.1 海纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)于該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)組成如下：2臺(tái)溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)；A平臺(tái)、B平臺(tái)各放置1臺(tái)；應(yīng)用單模光纖實(shí)施溫度監(jiān)測(cè)。根據(jù)系統(tǒng)控制的要求設(shè)置有一套分析軟件，隨時(shí)根據(jù)掌握的海纜溫度進(jìn)行分析，并且掌握過(guò)載流量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值的提升。

2.2 海纜擾動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)包含如下內(nèi)容：2臺(tái)擾動(dòng)監(jiān)測(cè)主機(jī)；A平臺(tái)、B平臺(tái)各放置1臺(tái)；應(yīng)用單模光纖實(shí)施擾動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2.3 海纜綜合監(jiān)控平臺(tái)

該系統(tǒng)平臺(tái)中包含兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，A平臺(tái)、B平臺(tái)各放置1臺(tái)，輔助運(yùn)行的部分較多，如交換機(jī)、服務(wù)器、機(jī)柜、監(jiān)控軟件、顯示器等，通過(guò)各開關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)控制。

2.3.1 A平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)情況

海纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中采用前后開門方式，尺寸：高2 260 cm×寬800 cm×深600 cm，正面?zhèn)炔块_門，背部雙開門。結(jié)合上述尺寸的設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)二次設(shè)備的運(yùn)行中尋找符合要求的安裝場(chǎng)地，確保各項(xiàng)功能達(dá)到要求。按照系統(tǒng)檢修的要求，預(yù)留檢修通道，為后續(xù)系統(tǒng)的正常工作提供基礎(chǔ)。

2.3.2 B平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況

該平臺(tái)應(yīng)用前后開門的形式，尺寸：高2 260 cm×寬800 cm×深600 cm，正面左側(cè)開門，背部雙開門，其他和B相同。

根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置的外形尺寸，在二次設(shè)備間內(nèi)找到一處適合并可施工安裝此柜的空地。

3 海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 海纜擾動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

海纜擾動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行中以C-OTDR技術(shù)作為原理，通過(guò)纖維振動(dòng)傳感系統(tǒng)掌握現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，提高監(jiān)控效果。光纖系統(tǒng)在投入使用之后，光脈沖的運(yùn)行更加穩(wěn)定。由于瑞利散射會(huì)造成能源的損耗，所以應(yīng)重視散射強(qiáng)度的控制，掌握系統(tǒng)能耗的數(shù)據(jù)信息，了解到分布式光纖運(yùn)行環(huán)節(jié)發(fā)生的衰減情況。在檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行中，瑞利散射光的信息獲取之后，在系統(tǒng)鏈路內(nèi)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)變化，從而出現(xiàn)折射率的改變，該部位的光相位發(fā)生改變，散射光的強(qiáng)度也會(huì)有所變化。根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)的光強(qiáng)，實(shí)時(shí)獲取各項(xiàng)信息，并且對(duì)比前后信號(hào)的變化，在光強(qiáng)變化較為明顯的情況下，經(jīng)過(guò)計(jì)算信號(hào)變動(dòng)的具體情況，掌握反射時(shí)間因素，以確定具體的擾動(dòng)部位。根據(jù)C-OTDR的工作原理，在進(jìn)行光纖系統(tǒng)檢測(cè)確定中，沿著傳感光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，準(zhǔn)確地掌握各個(gè)點(diǎn)位的具體情況，從而了解損耗強(qiáng)度以及外部擾動(dòng)所存在的變化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集以及應(yīng)用，定位精度提升，也能實(shí)時(shí)報(bào)警[1]。

以C-OTDR原理作為基礎(chǔ)研發(fā)應(yīng)用海纜擾動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以分布式光纖振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式作為原理，掌握散射光更加精度，模塊分析數(shù)據(jù)比較精準(zhǔn)，掌握海纜振動(dòng)的基本信息，快速識(shí)別非法入侵，使結(jié)構(gòu)定位精度得到提升，且快速識(shí)別相關(guān)信息，一旦存在問(wèn)題立即發(fā)出警報(bào)，避免持續(xù)發(fā)生損壞。在該系統(tǒng)內(nèi)主機(jī)為OFSS8000，具體組成可見圖1。

3.2 海纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

海纜的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理是拉曼散射，也就是分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用規(guī)定頻率區(qū)間之內(nèi)的光脈沖照射光纖內(nèi)部。在光纖玻璃芯在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生移動(dòng)之后，在系統(tǒng)內(nèi)會(huì)形成種類比較多的輻射散射，而拉曼散射對(duì)于溫度具備較高的敏感性，數(shù)據(jù)掌握精度較高。在光纖信號(hào)傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)利用拉曼散射的方法掌握溫度變化參數(shù)，了解分布范圍，數(shù)據(jù)精度提升。

在光纖通信傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，因?yàn)榉肿诱駝?dòng)以及光子之間的能量變化而引發(fā)拉曼散射，也就是說(shuō)現(xiàn)在光能振動(dòng)后形成熱振動(dòng)，這就會(huì)出現(xiàn)光源較長(zhǎng)的波，稱為斯托克斯光（Stokes光），如果一部分振動(dòng)轉(zhuǎn)換成為光能，那么將發(fā)出一個(gè)比光源波長(zhǎng)更短的光，稱為反斯托克斯光（Anti-Stokes光），該光強(qiáng)度極易受到溫度波動(dòng)的變化影響，但是影響很小，無(wú)法獲取測(cè)量，所以不計(jì)算，而Anti-Stokes光的溫度變化具備較高敏感性。AntiStokes光與Stokes光強(qiáng)度與溫度呈現(xiàn)出函數(shù)變化規(guī)律。在光纖傳輸作業(yè)的過(guò)程中會(huì)形成部分拉曼散射光，通過(guò)通路傳輸，并且經(jīng)過(guò)探測(cè)系統(tǒng)掌握數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)內(nèi)安裝測(cè)溫機(jī)，掌握溫度變化的情況，從而獲取AntiStokes光強(qiáng)度變化，得出溫度參數(shù)。將OTDR技術(shù)應(yīng)用到時(shí)域中，結(jié)合光纖傳輸速度與入射光和拉曼散射光的時(shí)間差，結(jié)合溫度變化情況以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，獲取溫度變化的部位。監(jiān)測(cè)獲取的溫度變化情況，利用時(shí)域技術(shù)快速掌握光強(qiáng)與溫度的關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的要求獲取數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而得出精準(zhǔn)溫度參數(shù)[2]。

3.3 海纜載流量評(píng)估軟件

海纜載流量評(píng)估系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)載流量模型（Dy？ namic Cable Rating，DCR）和分布式光纖測(cè)溫技術(shù)（Dis？ tributed Temperature Sensor，DTS），根據(jù)系統(tǒng)掌握的光纜運(yùn)行具體情況，獲取電流數(shù)據(jù)信息，掌握溫度參數(shù)，進(jìn)一步確定載流信息，并對(duì)各部分運(yùn)行情況模擬分析。在模型分析的環(huán)節(jié)，以多態(tài)環(huán)境作為依據(jù)，應(yīng)用到復(fù)雜條件下，隨時(shí)掌握溫度以及負(fù)荷量變化的情況，一旦系統(tǒng)存在風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控的要求掌握負(fù)荷變化的情況，及時(shí)展開電力調(diào)度，掌握數(shù)據(jù)信息，決策信息也會(huì)更加的準(zhǔn)確。在載流量的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中，掌握的數(shù)據(jù)信息在標(biāo)準(zhǔn)條件下，且溫度不超過(guò)最高溫度，還要確定具體的時(shí)間跨度，界定系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)變化的情況。

根據(jù)電纜運(yùn)行的環(huán)境建設(shè)光纜模型，也就是DCR模型，以確定初始條件下的流量以及時(shí)間，載流量數(shù)據(jù)掌握更加的精準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)際情況模擬仿真，只需要確定負(fù)荷電流曲線，就能快速掌握溫度場(chǎng)變化的情況，了解演變的過(guò)程。在DTS出現(xiàn)前，DCR在計(jì)算的環(huán)節(jié)以暫態(tài)、周期性計(jì)算方式為主；選擇穩(wěn)態(tài)電流計(jì)量相同方式，DCR計(jì)算容易發(fā)生偏差問(wèn)題。在模型處于遠(yuǎn)處模型邊界的條件下，電纜結(jié)構(gòu)表面以及相鄰部位數(shù)據(jù)基本確定，但是邊界沒(méi)有明顯，需要假設(shè)工作狀態(tài)以得出數(shù)據(jù)。將測(cè)溫光纜安裝到保護(hù)層結(jié)構(gòu)內(nèi)，隨時(shí)掌握表面溫度、護(hù)層溫度等數(shù)據(jù)，應(yīng)用DCR模型掌握電纜周邊變動(dòng)情況，在敷設(shè)后即可獲取信息。

3.4 海纜綜合監(jiān)控平臺(tái)

在該平臺(tái)建設(shè)完成之后，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性比較高，需要多個(gè)條件下共同運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，達(dá)到適應(yīng)性的要求，以NET架構(gòu)和B/S架構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取4層分布式設(shè)計(jì)的方式，按照設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層布置。根據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的功能性要求，在系統(tǒng)內(nèi)布置軟件、存儲(chǔ)層、顯示層、報(bào)警層等[2]。

3.4.1 數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)平臺(tái)在設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)接口設(shè)置極為重要，目前主要分為內(nèi)部接口、對(duì)外接口的部分，具體設(shè)置如下。

（1）通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)接口掌握各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，達(dá)到共享和應(yīng)用效果。

（2）根據(jù)要求選擇合適的接口組件，完成系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的交換和使用。在系統(tǒng)同步運(yùn)行中，利用RPC遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)的方式，異步信息利用監(jiān)聽機(jī)制的message方法。對(duì)外接口在設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，以目前國(guó)際上應(yīng)用比較多的B/S集成接口方式為主，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使接口運(yùn)行更加順暢，滿足服務(wù)器的運(yùn)行要求。

3.4.2 數(shù)據(jù)整合

該監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行的環(huán)節(jié)，構(gòu)建高質(zhì)量的管控系統(tǒng)平臺(tái)，利用監(jiān)控設(shè)備采集系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一化、智能化的分析，最終可以構(gòu)建形成完善的信息系統(tǒng)，隨時(shí)掌握系統(tǒng)各個(gè)部件的運(yùn)行實(shí)際情況，運(yùn)行狀態(tài)獲取更加完善，也能提供系統(tǒng)各項(xiàng)功能服務(wù)。而在前端監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)部分，系統(tǒng)運(yùn)行的功能性得到提升，還能滿足數(shù)據(jù)調(diào)試、接口設(shè)計(jì)等功能，數(shù)據(jù)分享和應(yīng)用效果提升[3]。為了避免在投入使用之后影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果，結(jié)合系統(tǒng)的工作要求實(shí)現(xiàn)升級(jí)與改善，并且統(tǒng)一設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部分，達(dá)到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能性的要求[4]。前置子系統(tǒng)是必不可少的部分，建設(shè)監(jiān)控子站部分，快速完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，在數(shù)據(jù)匯總、存儲(chǔ)、交換等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)，并且根據(jù)需要將其傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)內(nèi)，達(dá)到在線監(jiān)控運(yùn)行的效果，具備互聯(lián)、互通的作用[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

海纜運(yùn)行監(jiān)測(cè)作為一項(xiàng)非常重要的工作，如何全面對(duì)海纜運(yùn)行監(jiān)控保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定是當(dāng)前關(guān)注重點(diǎn)。基于海纜運(yùn)行監(jiān)測(cè)要求，本文結(jié)合具體需要設(shè)計(jì)出一套海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)并且重點(diǎn)對(duì)海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用方法分析。現(xiàn)有研究從實(shí)際運(yùn)用上分析已經(jīng)得到良好效果，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，還需對(duì)海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，結(jié)合不同環(huán)境、使用條件方面做好設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，確保海纜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能有效發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

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