海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張長明

摘 要： 海纜運行環(huán)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(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)設計方法，并且詳細分析海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)方法。通過分析海纜運行需要，重點關(guān)注系統(tǒng)運行監(jiān)控溫度、擾動等多種因素，構(gòu)建出了完善海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)，為海纜監(jiān)測工作提供全面技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞： 海纜 監(jiān)測系統(tǒng) 系統(tǒng)設計 系統(tǒng)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(wěn)定的傳輸，滿足人們?nèi)粘９ぷ饕约吧畹男枰?。但是在海纜投入使用之后，其面臨的運行環(huán)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(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)，因為外部產(chǎn)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(fā)生。此外，海纜的運行的環(huán)節(jié)本身也會發(fā)生老化的反應，絕緣擊穿的事故發(fā)生率較高，無法滿足應用的需要。因此，建設海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)，進行系統(tǒng)的設計以及優(yōu)化，各項功能達到要求，為海纜穩(wěn)定的運行提供基礎，也會為系統(tǒng)正常工作提供支持。

1 工程概況

1.1 工程需求

某A和B平臺是當?shù)氐闹匾O施，其主開關(guān)需要安裝一套海底光電復合纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)，具體如下：

（1）系統(tǒng)運行監(jiān)控溫度、擾動等因素；

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

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

（4）監(jiān)測海纜長度，設施配置見表1。

1.2 系統(tǒng)概述

在本次項目運行的環(huán)節(jié)安裝一套C平臺海纜在線監(jiān)控系統(tǒng)，準確掌握溫度參數(shù)，了解外部產(chǎn)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(jiān)測海纜，用光纖傳感技術(shù)作為基礎運行，包含多個功能性系統(tǒng)，掌握多條海纜的運行系統(tǒng)，并利用系統(tǒng)化平臺隨時獲取海纜的運行情況。在系統(tǒng)內(nèi)分布著多個子系統(tǒng)，整合各項技術(shù)措施，運行更具穩(wěn)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(tǒng)工作質(zhì)量提升。

1.3 系統(tǒng)組成

在該項目的海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)中，獲取溫度參數(shù)，建設擾動監(jiān)測系統(tǒng)，以光纖傳感器作為核心實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并利用多個傳感器及時獲取現(xiàn)場運行的溫度、擾動等信息，如果在海纜工作環(huán)節(jié)發(fā)生異常問題，發(fā)出警報信息，掌握運行狀態(tài)，為后續(xù)的調(diào)整和管控提供基礎。

2 海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)方案設計

在該系統(tǒng)設計的環(huán)節(jié)，主要的目的是對海纜溫度、擾動方面實施監(jiān)測，包含多個子系統(tǒng)共同組成整體結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)實施全面性的監(jiān)控以及管理，實現(xiàn)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(shù)措施。

2.1 海纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)

對于該系統(tǒng)在設計的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)組成如下：2臺溫度監(jiān)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(jiān)測。根據(jù)系統(tǒng)控制的要求設置有一套分析軟件，隨時根據(jù)掌握的海纜溫度進行分析，并且掌握過載流量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)應用價值的提升。

2.2 海纜擾動監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)包含如下內(nèi)容：2臺擾動監(jiān)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(jiān)測。

2.3 海纜綜合監(jiān)控平臺

該系統(tǒng)平臺中包含兩套監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)控軟件、顯示器等，通過各開關(guān)進行系統(tǒng)控制。

2.3.1 A平臺現(xiàn)場情況

海纜監(jiān)測系統(tǒng)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?zhèn)炔块_門，背部雙開門。結(jié)合上述尺寸的設計要求，在系統(tǒng)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(tǒng)檢修的要求，預留檢修通道，為后續(xù)系統(tǒng)的正常工作提供基礎。

2.3.2 B平臺現(xiàn)場調(diào)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(cè)開門，背部雙開門，其他和B相同。

根據(jù)監(jiān)測裝置的外形尺寸，在二次設備間內(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)測系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 海纜擾動監(jiān)測系統(tǒng)

海纜擾動監(jiān)測系統(tǒng)在運行中以C-OTDR技術(shù)作為原理，通過纖維振動傳感系統(tǒng)掌握現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù)信息，提高監(jiān)控效果。光纖系統(tǒng)在投入使用之后，光脈沖的運行更加穩(wěn)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(tǒng)能耗的數(shù)據(jù)信息，了解到分布式光纖運行環(huán)節(jié)發(fā)生的衰減情況。在檢測系統(tǒng)的運行中，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，散射光的強度也會有所變化。根據(jù)系統(tǒng)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(jīng)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(jù)C-OTDR的工作原理，在進行光纖系統(tǒng)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(fā)應用海纜擾動監(jiān)測系統(tǒng)，以分布式光纖振動監(jiān)測的方式作為原理，掌握散射光更加精度，模塊分析數(shù)據(jù)比較精準，掌握海纜振動的基本信息，快速識別非法入侵，使結(jié)構(gòu)定位精度得到提升，且快速識別相關(guān)信息，一旦存在問題立即發(fā)出警報，避免持續(xù)發(fā)生損壞。在該系統(tǒng)內(nèi)主機為OFSS8000，具體組成可見圖1。

3.2 海纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)

海纜的溫度監(jiān)測系統(tǒng)工作原理是拉曼散射，也就是分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，應用規(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)生移動之后，在系統(tǒng)內(nèi)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(shù)據(jù)掌握精度較高。在光纖信號傳輸?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)，因為分子振動以及光子之間的能量變化而引發(fā)拉曼散射，也就是說現(xiàn)在光能振動后形成熱振動，這就會出現(xiàn)光源較長的波，稱為斯托克斯光（Stokes光），如果一部分振動轉(zhuǎn)換成為光能，那么將發(fā)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(xiàn)出函數(shù)變化規(guī)律。在光纖傳輸作業(yè)的過程中會形成部分拉曼散射光，通過通路傳輸，并且經(jīng)過探測系統(tǒng)掌握數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)內(nèi)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(shù)。將OTDR技術(shù)應用到時域中，結(jié)合光纖傳輸速度與入射光和拉曼散射光的時間差，結(jié)合溫度變化情況以實現(xiàn)精準定位，獲取溫度變化的部位。監(jiān)測獲取的溫度變化情況，利用時域技術(shù)快速掌握光強與溫度的關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)運行的要求獲取數(shù)據(jù)信息，進而得出精準溫度參數(shù)[2]。

3.3 海纜載流量評估軟件

海纜載流量評估系統(tǒng)基于動態(tài)載流量模型（Dy？ namic Cable Rating，DCR）和分布式光纖測溫技術(shù)（Dis？ tributed Temperature Sensor，DTS），根據(jù)系統(tǒng)掌握的光纜運行具體情況，獲取電流數(shù)據(jù)信息，掌握溫度參數(shù)，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(huán)節(jié)，以多態(tài)環(huán)境作為依據(jù)，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(tǒng)存在風險及時發(fā)出警報信號。根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控的要求掌握負荷變化的情況，及時展開電力調(diào)度，掌握數(shù)據(jù)信息，決策信息也會更加的準確。在載流量的數(shù)據(jù)監(jiān)測中，掌握的數(shù)據(jù)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(tǒng)溫度數(shù)據(jù)變化的情況。

根據(jù)電纜運行的環(huán)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(shù)據(jù)掌握更加的精準，并根據(jù)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(xiàn)前，DCR在計算的環(huán)節(jié)以暫態(tài)、周期性計算方式為主；選擇穩(wěn)態(tài)電流計量相同方式，DCR計算容易發(fā)生偏差問題。在模型處于遠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，但是邊界沒有明顯，需要假設工作狀態(tài)以得出數(shù)據(jù)。將測溫光纜安裝到保護層結(jié)構(gòu)內(nèi)，隨時掌握表面溫度、護層溫度等數(shù)據(jù)，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(jiān)控平臺

在該平臺建設完成之后，系統(tǒng)運行環(huán)境的復雜性比較高，需要多個條件下共同運行，監(jiān)控系統(tǒng)運行的狀態(tài)，達到適應性的要求，以NET架構(gòu)和B/S架構(gòu)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(shù)據(jù)層、平臺層、應用層布置。根據(jù)監(jiān)測平臺的功能性要求，在系統(tǒng)內(nèi)布置軟件、存儲層、顯示層、報警層等[2]。

3.4.1 數(shù)據(jù)接口設計

監(jiān)測平臺在設計的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)接口設置極為重要，目前主要分為內(nèi)部接口、對外接口的部分，具體設置如下。

（1）通過數(shù)據(jù)庫接口掌握各項數(shù)據(jù)信息，達到共享和應用效果。

（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)同步運行中，利用RPC遠程調(diào)節(jié)的方式，異步信息利用監(jiān)聽機制的message方法。對外接口在設計的環(huán)節(jié)，以目前國際上應用比較多的B/S集成接口方式為主，執(zhí)行網(wǎng)絡連接技術(shù)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(shù)據(jù)整合

該監(jiān)控系統(tǒng)平臺運行的環(huán)節(jié)，構(gòu)建高質(zhì)量的管控系統(tǒng)平臺，利用監(jiān)控設備采集系統(tǒng)運行的各項數(shù)據(jù)信息，并且實現(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)，隨時掌握系統(tǒng)各個部件的運行實際情況，運行狀態(tài)獲取更加完善，也能提供系統(tǒng)各項功能服務。而在前端監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，通過網(wǎng)絡連接各個部分，系統(tǒng)運行的功能性得到提升，還能滿足數(shù)據(jù)調(diào)試、接口設計等功能，數(shù)據(jù)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(tǒng)的運行效果，結(jié)合系統(tǒng)的工作要求實現(xiàn)升級與改善，并且統(tǒng)一設置系統(tǒng)內(nèi)各個部分，達到系統(tǒng)監(jiān)測功能性的要求[4]。前置子系統(tǒng)是必不可少的部分，建設監(jiān)控子站部分，快速完成監(jiān)測系統(tǒng)的運行，在數(shù)據(jù)匯總、存儲、交換等方面都有明顯優(yōu)勢，并且根據(jù)需要將其傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺內(nèi)，達到在線監(jiān)控運行的效果，具備互聯(lián)、互通的作用[5]。

4 結(jié)語

海纜運行監(jiān)測作為一項非常重要的工作，如何全面對海纜運行監(jiān)控保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定是當前關(guān)注重點。基于海纜運行監(jiān)測要求，本文結(jié)合具體需要設計出一套海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)設并且重點對海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)運用方法分析?，F(xiàn)有研究從實際運用上分析已經(jīng)得到良好效果，但是從長遠考慮，還需對海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)進行深入研究，結(jié)合不同環(huán)境、使用條件方面做好設計方案優(yōu)化，確保海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)功能有效發(fā)揮。

參考文獻

[1]胡森.光電復合海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代計算機，2019（30）：78-82.

[2]時倩玉，安博文，陳元林.基于104規(guī)約的海纜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（3）：6-10.

[3]吳浩.基于計算機技術(shù)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(jiān)測改進型C-OTDR系統(tǒng)[J].光學學報，2021，41（13）：9-20.

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