CN107741203A - 一种海底电缆应变监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底电缆应变监测系统，包括有应变检测前端装置，海底电缆应变监测处理中心及用户端，应变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应变监测分布式传感器相连，所述的应变检测前端装置与海底电缆应变检测处理中心及用户端分别通讯连接，所述的海底电缆应变检测处理中心包括有服务器、标准应变测试曲线、应变监测模式识别、海缆路由走廊图、报警系统、数据库及视频监控。本发明单独对海底电缆工作温度状态进行精确传感测量，将布里渊光时域反射计专门用于海底电缆光纤布里渊频移变化的测量，以提高应变测量的精度，化解布里渊频移和谱峰功率区分的难题，提高了监测效果。

Description

一种海底电缆应变监测系统

技术领域

本发明涉及一种应变监测装置，特别是一种海底电缆应变监测系统。

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，为了节省投入，多数敷设在相对狭窄的海域，航道上过往船舶多，船舶锚害肇事等时有发生；同时海底电缆敷设海域受海水洋流长期冲刷和敷设海床地形变化等影响，当海底电缆受到外力作用时，电缆外部和内部的压力都将发生变化，如果压力持续或者增大，导致海底电缆长期承受的应变发生变化，就对海底电缆的安全运行造成威胁，影响了跨海电网安全稳定运行。

由于海底电缆所处的海洋环境特殊，难以利用现有传统的点式应变测量方法对其进行长距离、全路由实时监测。目前的技术手段无法实现对海底电缆应力变化情况有效监测和提前预警，可能导致更大的海底电缆断裂事故发生。为确保海底电缆应力变化在安全范围内，延长海缆使用寿命，如何实现对运行中海底电缆应变状态有效监测，减少海底电缆应力变化致使海底电缆断裂事故发生，保障海岛国防安全、工农业生产和城乡人民正常稳定用电，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，而提供一种对海底电缆外部和内部的应力变化，具有很高的测量灵敏度的、抗电磁干扰、实现无源检测的一种海底电缆应变监测系统。

一种海底电缆应变监测系统，包括有应变检测前端装置，海底电缆应变监测处理中心及用户端，所述的应变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应变监测分布式传感器相连，所述的应变检测前端装置与海底电缆应变检测处理中心及用户端分别通讯连接，所述的海底电缆应变检测处理中心包括有服务器、标准应变测试曲线、应变监测模式识别、海缆路由走廊图、报警系统、数据库及视频监控：

应变检测模式识别接收从应变监测前端装置送来海底电缆应变变化信息，自动调取相关的标准应变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，对海底电缆应变信息进行分类处理，当识别判断海底电缆应力变化是由于敷设海床地形发生变化和可能的船舶锚害肇事等外力作用引发的，当受到外力作用持续时间长，或者是外力瞬间超过了铠装层极限，就容易造成海底电缆铠装损伤，对绝缘产生影响，当海底电缆应变超过报警阈值时，监测系统进入告警状态；

当应变升高超过预定报警阈值时，应变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应变实时状态和标准应变测试曲线，电力调度控制中心根据接收海底电缆应变报警信息，进行相关的负荷转移及故障排查处理流程；

标准应变测试曲线：采用对海底电缆敷设后海床移动变化不大、相对稳定后的不同季节性风浪、海水潮讯测试条件下，对海底电缆各种条件下的应力变化进行实地测量，平均加权修正后，形成包含有地形梯度的标准应变测试曲线，将海底电缆标准应变测试曲线及数据送到应变模式识别单元，融合所采集到的海底电缆的实时应力变化信息进行分析比较，其结果作为应变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，应变模式识别单元通过调取海底电缆路由走廊图的数据信息，与传感光纤实时获取的海底电缆应力变化点的信息进行比对分析，快速对海底电缆应力变化故障点进行判断定位；

报警装置具有持续应变渐变性最大值报警，实测累计应力变化与标准应变测试曲线差别过大，用于判别局部海底变化情况；应力突变故障报警功能用于判船舶锚害肇事等外力破坏情况，根据接收到触发信号，海底电缆监测系统报警装置发出应变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，显示海底电缆运行应变实时状态曲线和标准应变测试曲线和应变渐变或突变故障点信息，为电网调度控制中心提供决策依据，

海底电缆应变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应变监测的实时信息，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、统计信息报表。

采用光电复合海底电缆的复合光纤作为海底电缆应变监测的分布式传感元件，对海底电缆海受海水长期冲刷、敷设海床地形变化和船舶锚害肇事等外力作用，导致海底电缆外部和内部的应力变化，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应力变化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，既可作为应变监测的分布式传感器，又是应变监测信息传输的介质，以简捷实用方式构建了海底电缆应变监测系统，实现了对海底电缆运行的应变状态有效监测。

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应力突变等重要运行信息。

应变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、将通往应变监测装置所在机房的连接光纤按顺序接入ODF的另外单元。

应变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还可以是：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应变监测装置连接光纤单元作为海底电缆应变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：

本发明将温度和应变分开监测，以提高监测精度和效率。利用拉曼分布式应变传感（DTS）监测技术，单独对海底电缆工作温度状态进行精确传感测量，将布里渊光时域反射计（BOTDR）专门用于海底电缆光纤布里渊频移变化的测量，以提高应变测量的精度，化解布里渊频移和谱峰功率（相对于应变和温度变化）区分的难题，提高了监测效果。本发明的优点在于：

1）传感光纤复合性：抽取光电复合海底电缆中的复合光纤，既作为应变监测分布式传感器，又是应变信息传输媒介。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、连续探测海底电缆应变信息，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是本发明的底电缆应变监测系统组成框图 。

图2是海底电缆应变监测系统光纤抽取示意图。

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

一种海底电缆应变监测系统，包括有应变检测前端装置，海底电缆应变监测处理中心及用户端，所述的应变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应变监测分布式传感器相连，所述的应变检测前端装置与海底电缆应变检测处理中心及用户端分别通讯连接，所述的海底电缆应变检测处理中心包括有服务器、标准应变测试曲线、应变监测模式识别、海缆路由走廊图、报警系统、数据库及视频监控：

1）应变检测前端装置：

将抽取的光电复合海底电缆的复合光纤接入海底电缆应变检测系统的前端接收单元，作为海底电缆分布式应变检测传感器，同时作为应变监测信息的传输媒介。将所采集到的沿着海底电缆应力变化微弱信息，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应变监测处理单元进一步识别处理。

）应变监测处理中心：

应变监测处理中心由模式识别、标准应变测试曲线、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

接收从应变监测前端装置送来海底电缆应变变化信息，自动调取相关的标准应变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，对海底电缆应变信息进行分类处理，当识别判断海底电缆应力变化是由于敷设海床地形发生变化和可能的船舶锚害肇事等外力作用引发的，当受到外力作用持续时间长，或者是外力瞬间超过了铠装层极限，就容易造成海底电缆铠装损伤，对绝缘产生影响。当海底电缆应力变化超过报警阈值时，监测系统进入告警状态。

当应变升高超过预定报警阈值时，应变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应变实时状态和标准应变测试曲线，电力调度控制中心根据接收海底电缆应变报警信息，进行相关的负荷转移及故障排查处理流程。

标准应变测试曲线

由于海底电缆应变情况与敷设的海底地形有非常密切的关系。海底电缆沿途经过陆地登陆段、入海前海滩段、进入海底后的淤泥、岩石等各种环境下，海底电缆各段落所继受的应变都不一样，理论上计算难度大，计算准确度低。本项目采用对海底电缆敷设后海床移动变化不大、相对稳定后的不同季节性风浪、海水潮讯测试条件下，对海底电缆各种条件下的应变进行实地测量，平均加权修正后，形成包含有地形梯度的标准应变测试曲线。

将海底电缆标准应变测试曲线及数据送到应变模式识别单元，融合所采集到的海底电缆的实时应变信息进行分析比较，其结果作为应变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。

应变模式识别单元通过调取海底电缆路由走廊图的数据信息，与传感光纤实时获取的海底电缆应力变化点的信息进行比对分析，快速对海底电缆应力变化故障点进行判断定位。

报警装置：

装置具有持续应变渐变性最大值报警（实测累计应力变电与标准应变测试曲线差别过大，用于判别局部海底变化情况）和应力突变等故障报警功能（用于判船舶锚害肇事等外力破坏情况）。

根据接收到触发信号，海底电缆监测系统报警装置发出应变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，显示海底电缆运行应变实时状态曲线和标准应变测试曲线和应变渐变或突变故障点信息，为电网调度控制中心提供决策依据。

用户端

海底电缆应变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应变监测的实时信息，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应变突变等重要运行信息。

所述的应变检测前端装置为应变检测仪。

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的另一个单元；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，与海底电缆应变监测系统中的应变监测前端装置连接，组成海底电缆应变监测分布式传感器。海底电缆应变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，以提高应变监测的可靠性。

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应变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。

海底电缆登陆点应变监测光纤抽取连接

A相主用：福清可门港——（A相第7芯/A相16芯）——平潭刀架岛——（第13芯/24芯OPGW）——平潭监测机房

A相备用：福清可门港——（A相第8芯/A相16芯）——平潭刀架岛——（第14芯/24芯OPGW）——平潭监测机房

B相主用：福清可门港——（B相第7芯/ B相16芯）——平潭刀架岛——（第15芯/24芯OPGW）——平潭监测机房

B相备用：福清可门港——（B相第8芯/ B相16芯）——平潭刀架岛——（第16芯/24芯OPGW）——平潭监测机房

C相主用：福清可门港——（C相第7芯/C相16芯）——平潭刀架岛——（第17芯/24芯OPGW）——平潭监测机房

C相备用：福清可门港——（C相第8芯/C相16芯）——平潭刀架岛——（第18芯/24芯OPGW）——平潭监测机房

海底电缆应力变化监测分析和故障评估

海底电缆应变监测系统显示福建平潭110千伏光电复合海底电缆运行应变实时监测数据曲线与标准应变测试曲线及渐变/突变曲线分析，根据各种典型的条件下对海底电缆的应力变化现场实地测量数据结果分析：当海底高压电缆受到外力挤压时，电缆内部压强发生了相应的变化，由分布式光纤变化传感监测曲线可以看到，海底高压电缆内部受压位置的压强比其他没有受压位置要高，结合海底电缆变化传感监测标准曲线和敷设路由走廊图定位到电缆受压的故障点位置，为快速排除故障提供依据。

当海底电缆受到外力作用持续时间长，或者是外力瞬间超过了电缆铠装层极限，就容易造成铠装损伤，对海底电缆的绝缘产生影响。

当海底电缆铠装层受到损伤但没有伤透时，海底电缆内部变化情况与正常情况下并没有明显变化，说明海底电缆内部在铠装层保护下没有破损的情况下，还能维持正常运行一段时间。但是因为填充层的刚性不足以承受深水压力，海底电缆会在很短的时间内发生短路故障。最严重的是损伤直达绝缘层，绝缘层不但刚性远不如铠装层，更严重的是海底电缆内部的电场强度会急剧升高，使得电缆绝缘层由于高场强而发生击穿。

根据各种典型的条件下对海底电缆的应力变化现场实地测量数据结果分析：当海底高压电缆受到外力挤压时，电缆内部压强发生了相应的变化，由分布式光纤变化传感监测曲线可以看到，海底高压电缆内部受压位置的压强比其他没有受压位置要高，结合海底电缆变化传感监测标准曲线和敷设路由走廊图定位到电缆受压的故障点位置，为快速排除故障提供依据。

当海底电缆受到外力作用持续时间长，或者是外力瞬间超过了电缆铠装层极限，就容易造成铠装损伤，对海底电缆的绝缘产生影响。

当海底电缆铠装层受到损伤但没有伤透时，海底电缆内部变化情况与正常情况下并没有明显变化，说明海底电缆内部在铠装层保护下没有破损的情况下，还能维持正常运行一段时间。但是因为填充层的刚性不足以承受深水压力，海底电缆会在很短的时间内发生短路故障。最严重的是损伤直达绝缘层，绝缘层不但刚性远不如铠装层，更严重的是海底电缆内部的电场强度会急剧升高，使得电缆绝缘层由于高场强而发生击穿。

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (3)

1.一种海底电缆应变监测系统，其特征在于：包括有应变检测前端装置，海底电缆应变监测处理中心及用户端，所述的应变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应变监测分布式传感器相连，所述的应变检测前端装置与海底电缆应变检测处理中心及用户端分别通讯连接，所述的海底电缆应变检测处理中心包括有服务器、标准应变测试曲线、应变监测模式识别、海缆路由走廊图、报警系统、数据库及视频监控：

应变检测模式识别接收从应变监测前端装置送来海底电缆应变变化信息，自动调取相关的标准应变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，对海底电缆应变信息进行分类处理，当识别判断海底电缆应变变化是由于敷设海床地形发生变化和可能的船舶锚害肇事等外力作用引发的，当受到外力作用持续时间长，或者是外力瞬间超过了铠装层极限，就容易造成海底电缆铠装损伤，对绝缘产生影响，当海底电缆应变变化超过报警阈值时，监测系统进入告警状态；

当应变升高超过预定报警阈值时，应变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应变实时状态和标准应变测试曲线，电力调度控制中心根据接收海底电缆应力变化报警信息，进行相关的负荷转移及故障排查处理流程；

标准应变测试曲线：采用对海底电缆敷设后海床移动变化不大、相对稳定后的不同季节性风浪、海水潮讯测试条件下，对海底电缆各种条件下的应变进行实地测量，平均加权修正后，形成包含有地形梯度的标准应变测试曲线，将海底电缆标准应变测试曲线及数据送到应变模式识别单元，融合所采集到的海底电缆的实时应变信息进行分析比较，其结果作为应变监测系统的后续处理流程的依据；

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，应变模式识别单元通过调取海底电缆路由走廊图的数据信息，与传感光纤实时获取的海底电缆应力变化点的信息进行比对分析，快速对海底电缆应力变化故障点进行判断定位；

报警装置具有持续应变渐变性最大值报警，实测累计应力变化与标准应变测试曲线差别过大，用于判别局部海底变化情况；应力突变故障报警功能用于判船舶锚害肇事等外力破坏情况，根据接收到触发信号，海底电缆监测系统报警装置发出应力变化异常报警信号和故障点定位点信息，根据接收到触发信号，显示海底电缆运行应变实时状态曲线和标准应变测试曲线和应力渐变或突变故障点信息，为电网调度控制中心提供决策依据；

海底电缆应力变化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应力变化监测的实时信息，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、统计信息报表。

2.根据权利要求1所述的海底电缆应变监测系统，其特征在于：应变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、将通往应变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所述的海底电缆应变监测系统，其特征在于：应变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应变监测装置连接光纤单元作为海底电缆应变监测分布式传感光纤。