CN107702818B - 海底电缆温度监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底电缆温度监测系统，包括有温度检测前端装置，海底电缆温度监测处理中心及用户端，所述的温度检测前端装置与抽取的海底电缆复合光纤中的一根以上的冗余光纤作为温度监测分布式传感器相连，所述的温度检测前端装置与海底电缆温度检测处理中心及用户端分别通讯连接，所述的海底电缆温度检测处理中心包括有服务器、标准温度测试曲线、温度监测模式识别、海缆路由走廊图、报警系统、数据库及视频监控。抽取光电复合海底电缆中的复合光纤，既作为温度监测分布式传感器，又是温度变化信息传输媒介。无需铺设专用的传感和信号传输光纤，监测系统简单实用，实施方便快捷，投资省见效快，大大降低整体海底电缆监测工程的投资。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度监测装置，特别是一种海底电缆温度监测系统。
背景技术
随着我国社会经济快速发展和海上风电能等海洋开发利用持续深化，跨海输电网络不断以更高电压等级向沿海及其附近岛屿延伸覆盖，海底电缆应用越来越广泛。海底电缆是跨海电能输送重要通道，敷设于海底，长期受海水侵蚀和海浪冲刷，阻水性能变差绝缘下降出现老化，时间长了不可避免产生漏电流，导致海底电缆在故障点处的温度升高，由于海洋环境特殊，无法实时监测海底电缆温度升高故障和提前预警，可能导致引发更大的事故发生。
现有的技术手段无法实现对海底电缆温度状态有效监测，陆地上电力电缆敷设专用传感器进行温度监测的技术方法，在海底电缆监测领域应用技术难题大、投入费用高、可靠性和有效性差。为确保海底电缆在安全温度范围内稳定运行，延长海缆使用寿命，如何实现对海底电缆运行温度状态有效监测，减少海底电缆温度升高故障造成停电，对海岛国防安全、工农业生产和城乡人民用电影响，是社会关注、电力企业亟待解决的重大难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种使用寿命长,维护费用低,检测范围广,监控距离长, 灵敏度高和测量精确度高的海底电缆温度监测系统。
一种海底电缆温度监测系统，包括有温度检测前端装置，海底电缆温度监测处理中心及用户端，所述的温度检测前端装置与抽取的海底电缆复合光纤中的一根以上的冗余光纤作为温度监测分布式传感器相连，所述的温度检测前端装置与海底电缆温度检测处理中心及用户端分别通讯连接，所述的海底电缆温度检测处理中心包括有服务器、标准温度测试曲线、温度监测模式识别、海缆路由走廊图、报警系统、数据库及视频监控：
温度检测模式识别：接收温度监测前端装置获取的海底电缆温度信息，自动调取相关的标准温度测试曲线和海缆路由走廊图的实时信息和数据进行比对分析，对海底电缆温度信息进行分类处理，当识别判断海底电缆温度升高是由于绝缘下降、漏电流出现、电缆接续头等原因引发且有继续升高趋势，对海底电缆运行状态产生危害时，监测系统进入告警状态，当温度升高超过预定报警值时，温度监测系统分别向报警单元和视频监控装置发出触发信号，视频监控装置显示海底电缆运行温度实时状态和标准温度测试曲线，电力调度控制中心根据接收海底电缆温度报警信息，进行相关的负荷转移及故障排查处理流程；
标准温度测试曲线：根据海底电缆输送电能负荷和电流情况，将各种典型的负荷电流条件下的海底电缆运行温度，通过光纤传感器进行检测，结合不同季节的海水温度等进行修正计算，绘制出不同时间段和不同负荷电流时的标准温度测试曲线，其能显示海底电缆全程温度分布测测曲线、系统参数和重点监测点的温度随时间变化曲线；
将海底电缆随时间和负荷电流变化的标准温度测试曲线及数据送到温度模式识别单元，融合所采集的海底电缆实时温度信息进行分析比较，其结果作为温度监测系统的后续处理流程的依据；
海缆路由走廊图：根据海底电缆路由竣工图经纬度、地形剖面梯度曲线等数据资料，绘制海底电缆敷设路由走廊图， 温度模式识别单元通过调取海底电缆路由走廊图的数据信息，与温度模式识别单元海底电缆温度升高实时信息进行比对分析，快速对海底电缆温度升高故障点进行判断定位；
报警装置具有最高温度、最大差温报警，其指的是实时温度与平均温度差别过大，用于判别接续点局部过热点、温升过快和故障点报警功能，根据接收到触发信号，海底电缆监测系统报警装置发出温度异常升高报警信号和故障点定位点信息；
视频监控：根据接收到触发信号，显示海底电缆运行温度实时状态曲线和标准温度测试曲线和温度升高故障点信息，为电网调度控制中心可能的进一步操作提供决策依据；
海底电缆温度监测处理中心与用户端通过电力专用通信网络进行远程联网，海底电缆监测系统值班管理人员和海底电缆运行维护管理人员通过相关权限认证，调用海底电缆运行状态温度监测的实时信息，进行电网调度和异常故障指挥处理，并生成各种报表。
采用光电复合海底电缆的复合光纤作为海底电缆温度监测的分布式传感元件，对海底电缆海长期受海水侵蚀和海浪冲刷，绝缘下降产生漏电流，导致故障点处的温度升高，具有很高的测量灵敏度，是光纤在通信传输领域长期应用后，在海底电缆监测领域作为传感元件的创造性应用。只需要复合海底电缆中的单根光纤，既可作为温度监测的分布式传感器，又是温度监测信息传输的介质，以简捷实用方式构建了海底电缆温度监测系统，实现了对海底电缆运行的温度状态有效监测。
温度检测前端装置与海底电缆复合光纤中的一根以上的冗余光纤相连的方法是：在海底电缆登陆点两侧各设置光纤分配箱ODF1个，将海底电缆复合光纤按顺序接入ODF的一个单元；将陆地上光纤输电线路架空地线光纤（OPGW）按顺序接入ODF的另外单元、将通往温度监测装置所在机房的连接光纤按顺序接入ODF的另外单元。
温度检测前端装置与海底电缆复合光纤中的一根以上的冗余光纤相连的方法是：将海底电缆复合光纤跳接到OPGW单元相应的光纤组成通信网络传输通道；将海底电缆复合光纤跳接到温度监测装置连接光纤单元作为海底电缆温度监测分布式传感光纤。
根据跨海电网通信联网需求，通过跳接短光纤将海底电缆复合光纤与陆地的OPGW光纤进行对应转接，组成跨海电网通信通道，确保电网通信联网畅通。同时将未使用的海缆电缆复合光纤保留在登陆点两侧，作为海底电缆监测分布式传感元件使用。
综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：
本发明利用光电复合海底电缆复合光纤对海底电缆进行分布式温度监测，具有如下突出优势：
1）传感光纤复合性：抽取光电复合海底电缆中的复合光纤，既作为温度监测分布式传感器，又是温度变化信息传输媒介。无需铺设专用的传感和信号传输光纤，监测系统简单实用，实施方便快捷，投资省见效快，大大降低整体海底电缆监测工程的投资，是海底电缆监测领域的创造性技术手段。
）分布测量灵敏度、精度高：分布式光纤传感器是真正的分布式测量，理论和实际均证明绝大多数光纤传感器的灵敏度和测量精度都优于传统的点式电子传感器。可以长距离、连续探测海底电缆温度变化信息，误报和漏报率大大降低，同时实现实时在线监测。
）抗电磁干扰，实现无源检测：光纤传感器由于完全的电绝缘，可以抵抗高电压和高电流的冲击；同时光纤传感器的信号是以光信号为载体的，不受任何外界电磁环境的干扰。光纤是无源媒介可实现无电检测，安全可靠。
）测量距离远，适于远程监控：光纤的突出优点就是传输数据量大和损耗小，作为分布式传感光纤使用，在无需中继的情况下，可以实现几十公里的远程监测和信息传输。
）性能优、寿命长：光纤的材料一般皆为石英玻璃，在海洋环境中长期使用具有不受海水腐蚀、耐高温、耐水性好及寿命长的特性，通常使用时间可达30年。
附图说明
图1是本发明的底电缆温度监测系统组成框图。
图2是海底电缆温度监测系统光纤抽取示意图。
图3是海底电缆运行温度实时监测曲线与标准温度测试曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。
实施例1
一种海底电缆温度监测系统，包括有温度检测前端装置，海底电缆温度监测处理中心及用户端，所述的温度检测前端装置与抽取的海底电缆复合光纤中的一根以上的冗余光纤作为温度监测分布式传感器相连，所述的温度检测前端装置与海底电缆温度检测处理中心及用户端分别通讯连接，所述的海底电缆温度检测处理中心包括有服务器、标准温度测试曲线、温度监测模式识别、海缆路由走廊图、报警系统、数据库及视频监控：
温度检测前端装置：
将抽取的光电复合海底电缆的复合光纤接入海底电缆温度检测系统的前端接收单元，作为海底电缆分布式温度检测传感器，同时作为温度监测信息的传输媒介。将所采集到的沿着海底电缆温度变化微弱信息，送到检测前端单元进行前置放大处理，并进行光/电转换和编码，提高抗干扰性能，经电力专用通信传输网络送到海底电缆温度监测处理单元进一步识别处理。
温度监测处理中心：
温度监测处理中心由模式识别、标准温度测试曲线、海底电缆路由走廊曲线图、视频监控、报警系统和数据库、服务器等单元组成。
模式识别：接收从温度监测前端装置送来海底电缆温度变化信息，自动调取相关的标准温度测试曲线和海缆路由走廊图的实时信息和数据进行比对分析，对海底电缆温度信息进行分类处理，当识别判断海底电缆温度升高是由于绝缘下降、漏电流出现、电缆接续头等原因引发且有继续升高趋势，对海底电缆运行状态产生危害时，监测系统进入告警状态。
当温度升高超过预定报警值时，温度监测系统分别向报警单元和视频监控装置发出触发信号，视频监控装置显示海底电缆运行温度实时状态和标准温度测试曲线，电力调度控制中心根据接收海底电缆温度报警信息，进行相关的负荷转移及故障排查处理流程。
标准温度测试曲线：根据海底电缆输送电能负荷和电流情况，将各种典型的负荷电流条件下的海底电缆运行温度，通过光纤传感器进行检测，结合不同季节的海水温度等进行修正计算，绘制出不同时间段和不同负荷电流时的标准温度测试曲线。可显示海底电缆全程温度分布测测曲线、系统参数和重点监测点的温度随时间变化曲线。
将海底电缆随时间和负荷电流变化的标准温度测试曲线及数据送到温度模式识别单元，融合所采集的海底电缆实时温度信息进行分析比较，其结果作为温度监测系统的后续处理流程的依据。
海缆路由走廊图：根据海底电缆路由竣工图经纬度、地形剖面梯度曲线等数据资料，绘制海底电缆敷设路由走廊图。
温度模式识别单元通过调取海底电缆路由走廊图的数据信息，与温度模式识别单元海底电缆温度升高实时信息进行比对分析，快速对海底电缆温度升高故障点进行判断定位。
报警装置：
装置具有最高温度、最大差温报警（实时温度与平均温度差别过大，用于判别接续点等局部过热点）、温升过快和故障点等报警功能。
根据接收到触发信号，海底电缆监测系统报警装置发出温度异常升高报警信号和故障点定位点信息。
视频监控：根据接收到触发信号，显示海底电缆运行温度实时状态曲线和标准温度测试曲线和温度升高故障点信息，为电网调度控制中心可能的进一步操作提供决策依据。
用户端：
海底电缆温度监测处理中心与用户端通过电力专用通信网络进行远程联网，海底电缆监测系统值班管理人员和海底电缆运行调度控制中心人员通过相关权限认证，调用海底电缆运行状态温度监测的实时信息，进行电网调度和异常故障指挥处理，并生成海底电缆运行参数、统计信息等报表。
海底电缆运行维护管理人员，可根据不同权限通过手机短信接收到海底电缆温度异常升高等重要运行信息。
所述的温度检测前端装置为温度检测仪。
具体应用实施：以福建平潭110千伏光电复合海底电缆登陆点分别为福清可门港和平潭刀架岛为例。
首先在海底电缆登陆点各设置光纤分配箱（ODF）1个，将48芯海底电缆复合光纤按顺序接入ODF的一个单元；将陆地上OPGW光纤（光纤输电线路架空地线），按顺序接入ODF的另一单元；根据跨海电网通信联网需求，通过跳接短光纤将海底电缆复合光纤与陆地的OPGW光纤进行对应转接，组成跨海电网通信通道，确保电网通信联网畅通。同时将未使用的海缆电缆复合光纤保留在登陆点两侧，作为海底电缆监测分布式传感元件。
（海底电缆建设工程原设计方案是将海底电缆复合光纤与陆地OPGW光纤全部直接熔接，组成跨海电网通信通道。）
然后在海底电缆登陆点一侧的光纤分配箱（ODF）中，抽取光电复合海底电缆A、B、C三相中各2芯复合光纤，与海底电缆温度监测系统中的温度监测前端装置连接，组成海底电缆温度监测分布式传感器。
海底电缆温度监测传感器和监测信息传输实际上只需要一根复合光纤可以了，在本项目中福建平潭海底电缆复合光纤较多，大量冗余，所以各相抽取2芯主、备用，方便比较分析，以提高温度监测的可靠性。
根据海底电缆的额定参数中工作电压、最大负荷及允许电流等技术参数，一般情况下，110千伏及以上电压等级的光电复合海底电缆A、B、C三相单相单缆，在海底分别相隔60米分别敷设，占用海域走廊面积较大；35千伏及以下电压等级的光电复合海底电缆为A/B/C三相合成同一电缆的结构，敷设占用海域走廊较少。
35千伏及以下电压等级的光电复合海底电缆温度监测只需要抽取海底电缆中的1芯复合光纤作为分布式传感器，光纤抽取方法与110千伏光电复合海底电缆某一相的抽取方法类似。
海底电缆登陆点温度监测光纤抽取连接
A相主用：福清可门港——（A相第5芯/A相16芯）——平潭刀架岛——（第7芯/24芯OPGW）——平潭监测机房
A相备用：福清可门港——（A相第6芯/A相16芯）——平潭刀架岛——（第8芯/24芯OPGW）——平潭监测机房
B相主用：福清可门港——（B相第5芯/ B相16芯）——平潭刀架岛——（第9芯/24芯OPGW）——平潭监测机房
B相备用：福清可门港——（B相第6芯/ B相16芯）——平潭刀架岛——（第10芯/24芯OPGW）——平潭监测机房
C相主用：福清可门港——（C相第5芯/C相16芯）——平潭刀架岛——（第11芯/24芯OPGW）——平潭监测机房
C相备用：福清可门港——（C相第6芯/C相16芯）——平潭刀架岛——（第12芯/24芯OPGW）——平潭监测机房
3、海底电缆温度报警阈值确定和载流量评估
海底电缆温度监测系统显示福建平潭110千伏光电复合海底电缆运行温度实时监测数据曲线与标准温度测试曲线。
（1）海底电缆温度报警阈值确定
分布式传感光纤测量的海底电缆距离长、环境复杂，海底电缆及其复合光纤沿途经过陆地、浅滩、淤泥和海洋深处等多种不同地理环境，考虑海底电缆电气特性、负荷电流变化和海底地形、洋流冲刷、海底水温等因素影响，实际上海底电缆全程不同点的温度随负荷电流和海水温度季节性影响变化较大，实施中结合不同季节海水温差和负荷电流变化进行自动修正。根据长时间实地测量数据和仿真结果分析，海底高压电缆满负荷运行时内部最高温度为 75℃，电缆正常运行时内部最高温度不超过 90℃。结合海底电缆电气特性采用绝对值报警与相对值报警相结合，确定温度报警阈值为70℃、，短时相对报警阈值为10℃。
（2）海底电缆载流量评估
通过从分布式光纤测温系统获得的海底电缆电缆运行数据、环境数据以及从电力调度自动化系统获得的海底电缆运行电流数据等信息，对电缆的载流能力进行全面的评估。
）海底电缆稳态载流能力评估：根据分布式光纤传感器及温度监测系统测得当前海底电缆运行电流等数据，结合海底电缆技术参数可以计算出海底电缆当前运行状态下的最大稳态载流量，并生成实时负荷曲线和最大允许的负荷曲线。
）海底电缆动态载流量分析：根据分布式光纤传感器及温度监测系统测得当前海底电缆运行电流等数据，结合海底电缆技术参数、运行电流数据、环境温度数据等进行综合分析，在运行电流变化，负荷时间变化的情况下，对海底电缆的导体线芯和载流能力做出评估和预测。
（3）视频系统显示：
实时显示海底电缆运行全程温度状态，对每一相的导体铜芯对应登陆点电缆接头、终端处的最高温度设置报警门限值。
本实施例未述部分与现有技术相同。
Claims (3)
1.一种海底电缆温度监测系统，其特征在于：包括有温度检测前端装置，海底电缆温度监测处理中心及用户端，所述的温度检测前端装置与抽取的海底电缆复合光纤中的一根以上的冗余光纤作为温度监测分布式传感器相连，所述的温度检测前端装置与海底电缆温度检测处理中心及用户端分别通讯连接，所述的海底电缆温度检测处理中心包括有服务器、标准温度测试曲线、温度监测模式识别、海缆路由走廊图、报警系统、数据库及视频监控：
温度检测模式识别：接收温度监测前端装置获取的海底电缆温度信息，自动调取相关的标准温度测试曲线和海缆路由走廊图的实时信息和数据进行比对分析，对海底电缆温度信息进行分类处理，当识别判断海底电缆温度升高是由于绝缘下降、漏电流出现、电缆接续头原因引发且有继续升高趋势，对海底电缆运行状态产生危害时，监测系统进入告警状态，当温度升高超过预定报警值时，温度监测系统分别向报警单元和视频监控装置发出触发信号，视频监控装置显示海底电缆运行温度实时状态和标准温度测试曲线，电力调度控制中心根据接收海底电缆温度报警信息，进行相关的负荷转移及故障排查处理流程；
标准温度测试曲线：根据海底电缆输送电能负荷和电流情况，将各种典型的负荷电流条件下的海底电缆运行温度，通过光纤传感器进行检测，结合不同季节的海水温度进行修正计算，绘制出不同时间段和不同负荷电流时的标准温度测试曲线，其能显示海底电缆全程温度分布测测曲线、系统参数和重点监测点的温度随时间变化曲线；
将海底电缆随时间和负荷电流变化的标准温度测试曲线及数据送到温度模式识别单元，融合所采集的海底电缆实时温度信息进行分析比较，其结果作为温度监测系统的后续处理流程的依据；
海缆路由走廊图：根据海底电缆路由竣工图经纬度、地形剖面梯度曲线数据资料，绘制海底电缆敷设路由走廊图， 温度模式识别单元通过调取海底电缆路由走廊图的数据信息，与温度模式识别单元海底电缆温度升高实时信息进行比对分析，快速对海底电缆温度升高故障点进行判断定位；
报警装置具有最高温度、最大差温报警，其指的是实时温度与平均温度差别过大，用于判别接续点局部过热点、温升过快和故障点报警功能，根据接收到触发信号，海底电缆监测系统报警装置发出温度异常升高报警信号和故障点定位点信息；
视频监控：根据接收到触发信号，显示海底电缆运行温度实时状态曲线和标准温度测试曲线和温度升高故障点信息，为电网调度控制中心可能的进一步操作提供决策依据；
海底电缆温度监测处理中心与用户端通过电力专用通信网络进行远程联网，海底电缆监测系统值班管理人员和海底电缆运行维护管理人员通过相关权限认证，调用海底电缆运行状态温度监测的实时信息，进行电网调度和异常故障指挥处理，并生成各种报表。
2.根据权利要求1所述的海底电缆温度监测系统，其特征在于：温度检测前端装置与海底电缆复合光纤中的一根以上的冗余光纤相连的方法是：在海底电缆登陆点两侧各设置光纤分配箱ODF1个，将海底电缆复合光纤按顺序接入ODF的一个单元；将陆地上光纤输电线路架空地线光纤（OPGW）按顺序接入ODF的另外单元、将通往温度监测装置所在机房的连接光纤按顺序接入ODF的另外单元。
3.根据权利要求1所述的海底电缆温度监测系统，其特征在于：温度检测前端装置与海底电缆复合光纤中的一根以上的冗余光纤相连的方法是：将海底电缆复合光纤跳接到OPGW单元相应的光纤组成通信网络传输通道；将海底电缆复合光纤跳接到温度监测装置连接光纤单元作为海底电缆温度监测分布式传感光纤。
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