CN115096350A - 一种海上风电场综合管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上风电场综合管理系统，所述包括综合监控平台、海缆扰动监测系统、海缆温度应力监测系统和船舶指挥监控电子系统；所述综合监控平台分别与所述海缆扰动监测系统、所述海缆温度应力监测系统和所述船舶指挥监控电子系统连接；所述综合监控平台、所述海缆扰动监测系统的海缆扰动监测系统主机、所述海缆温度应力监测系统的光纤温度应变监测系统主机、AIS系统的AIS基站主机均安装于陆上集控中心。采用本发明实施例，根据实时监测结果及时海缆进行运维，约束船舶的危害行为，有效保障海上风电场健康运行。

Description

一种海上风电场综合管理系统
技术领域
本发明涉及海缆检测技术领域，尤其涉及一种海上风电场综合管理系统。
背景技术
我国海上风能资源丰富，海上10m高度可开发利用的风能储量约7.5亿kW，海上风电必将成为我国未来清洁能源开发重点。由于海上风电场分布广阔、海上气候环境恶劣，海洋开发活动的日益增加，海域内的养殖、渔网、船锚等对海缆的机械损伤事故时有发生。现有的海上风电场船舶交通管理系统没有考虑下面两方面问题，导致海上风电场不能健康运行。
第一方面，海缆作为隐蔽工程，海水冲刷、侵蚀等因素易造成海缆的阻水性能变差、绝缘老化，使海缆产生漏电流，从而造成海缆故障点处温度升高，进而产生击穿故障事故，造成巨大经济损失，严重影响海缆的安全运营。
第二方面，进入海上风电场的渔船，一方面存在对220kV海缆、35kV集电海缆进行抛锚隐患，另一方面存在对海上升压站以及风机基础碰撞的可能性。需要进入海上风电场的渔船进行实时监测。
发明内容
本发明实施例提供一种海上风电场综合管理系统，对海缆的温度、扰动，以及渔船等重要因素进行全方位的综合在线监测，根据实时监测结果及时海缆进行运维，约束船舶的危害行为，进而保障海上风电场健康运行。
本申请实施例的第一方面提供了一种海上风电场综合管理系统，包括综合监控平台、海缆扰动监测系统、海缆温度应力监测系统和船舶指挥监控电子系统；所述综合监控平台分别与所述海缆扰动监测系统、所述海缆温度应力监测系统和所述船舶指挥监控电子系统连接；所述综合监控平台、所述海缆扰动监测系统的海缆扰动监测系统主机、所述海缆温度应力监测系统的光纤温度应变监测系统主机、AIS系统的AIS基站主机均安装于陆上集控中心；
其中，所述船舶指挥监控电子系统包括AIS系统、高频电台和GIS模块；所述AIS系统用于提供船舶信息，所述高频电台用于陆上集控中心的工作人员与船舶进行通信；所述GIS模块用于显示海缆整体的走向，标定陆地和海上的监控区域。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述AIS系统包括数据采集器、信息处理器、AIS显示器、VHF收发机；
所述数据采集器用于收集各船舶的经纬度和对地航速；
所述信息处理器用于存储船舶信息和处理航行信息，并将处理后的航行信息传送至所述AIS显示器；
所述AIS显示器用于显示各种AIS数据和状态信息；
所述VHF收发机用于构建所述AIS系统的通信信道。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述VHF收发机与所述数据采集器通过数据线连接通信，所述数据采集器安装于船舶上。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述船舶指挥监控电子系统还包括视频监控设备；所述视频监控设备用于实时显示监控区域情况。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述综合监控平台根据海缆分布情况确认运行保护区域，当发现船舶的行为满足报警条件时进行报警，并让所述工作人员通过所述高频电台对船舶进行喊话使船舶驶离；所述海缆分布情况由所述海缆扰动监测系统和所述海缆温度应力监测系统检测所得。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述海缆扰动监测系统包括海缆扰动监测系统主机和分布式光纤振动传感系统；
所述分布式光纤振动传感系统用于根据后向瑞利散射信号的振幅变化确认振动点的位置；所述后向瑞利散射信号是传入传感光纤中的脉冲光产生的。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述海缆扰动监测系统用于对海缆应力应变的监测，实时发现海缆运行过程中出现的应变问题，并显示和记录监测数据、报警位置。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述海缆温度应力监测系统包括光纤温度应变监测系统主机和布里渊光时域分析系统；
所述布里渊光时域分析系统包括：脉冲激光光源、连续激光光源，传感光纤和信号探测电路；所述脉冲激光光源和所述连续激光光源位于所述传感光纤的两端，相向入射；所述传感光纤由双芯光纤构成探测回路。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述海缆温度应力监测系统用于对海缆外部扰动进行实时监测，并根据监测数据对海缆遭受的外力破坏事件进行预警及定位。
相比于现有技术，本发明实施例提供了一种海上风电场综合管理系统，对海底电缆及集电海底电缆的温度、应变、扰动进行监测。对海底电缆可能遭受的外力破坏事件(锚害、砾石磨损)进行预警及定位。首次结合AIS、海事地图、高频电台，实时对海缆敷设所在海域进行船舶的识别、定位以及通信，实现海底电缆的安全监测，提高海缆智慧运维能力。
通过AIS、海事地图、高频电台，实时对海缆敷设所在海域进行船舶的识别、定位以及通信。搭建包括AIS、海事地图、高频电台的海底电缆安全监测系统，通过AIS和雷达发现各种船只的运行状态包括停航、低速运行、抛锚等各种船只的状态，实时显示监控区域情况，以减少误报，实现海缆的3D立体监测，为保护海缆免收抛锚危害提供有力的保证，同时综合平台会根据海缆分布情况画出运行保护区域，当发现船只的行为满足报警条件时，进行报警并通知值班人员通过高频电台对其喊话驶离。
综上所述，根据实时监测结果及时海缆进行运维，以及约束船舶对电缆的危害行为，进而有效保障海上风电场健康运行。此外，本管理系统将多个子系统、多条海缆的监测信息集成在一起，通过综合监控平台可以方便的掌握各条海缆和渔船的监控信息，打造多功能、多业务、多信息、高效的海上风电场船舶交通管理方案。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种海上风电场综合管理系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供一种海上风电场综合管理系统部署示意图；
图3是本发明一实施例提供一种AIS系统提供的船舶信息示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，本发明实施例提供了一种海上风电场综合管理系统，所述包括综合监控平台10、海缆扰动监测系统20、海缆温度应力监测系统30和船舶指挥监控电子系统40；所述综合监控平台10分别与所述海缆扰动监测系统20、所述海缆温度应力监测系统30和所述船舶指挥监控电子系统40连接；所述综合监控平台10、所述海缆扰动监测系统20的海缆扰动监测系统主机、所述海缆温度应力监测系统30的光纤温度应变监测系统主机、AIS系统的AIS基站主机均安装于陆上集控中心。
其中，所述船舶指挥监控电子系统40包括AIS系统、高频电台和GIS模块；所述AIS系统用于提供船舶信息，所述高频电台用于陆上集控中心的工作人员与船舶进行通信；所述GIS模块用于显示海缆整体的走向，标定陆地和海上的监控区域。
海上风电场综合管理系统根据实际风电场进行配置时，主要考虑以下三个方面：
(1)不同类型海缆的扰动监测(实际应用中110kV海缆和35kV海缆较为常见)。海缆扰动监测系统由基于相位敏感光时域反射原理(Φ-OTDR)设计的设备完成。通过对海缆外部扰动进行实时监测，对海缆可能遭受的外力破坏事件(锚害、砾石磨损)进行预警及定位。精确报警定位船只拖拽海缆、船只在海缆周围抛锚碰触到海缆等事件。本方面的配置是针对海缆扰动监测系统20进行的。
(2)不同类型海缆的温度及应变监测(实际应用中110kV海缆和35kV海缆较为常见)。海缆温度、应变监测系统均由基于布里渊光时域分析BOTDA原理设计的设备完成。通过对海缆温度的监测，及时发现电缆运行过程中出现的问题，具备最高温度报警、温升速率报警、平均温度报警、系统故障报警、光纤断裂报警等功能，并能显示、记录测温数据、报警位置等信息；通过对海缆应力应变的监测，及时发现海缆运行过程中出现的问题，具备最高应力报警、应力突变报警、系统故障报警、光纤断裂报警等功能，并能显示、记录监测数据、报警位置等信息；具有电缆载流能力评估功能，并生成相应的负荷曲线(含实时负荷曲线和最大允许的负荷曲线)。本方面的配置是针对海缆温度应力监测系统30进行的。
(3)配置AIS、海事地图(GIS模块)、高频电台，实时对海缆敷设所在海域进行船舶的识别、定位以及通信。搭建包括AIS、海事地图、高频电台的海底电缆安全监测系统，通过AIS和雷达发现各种船只的运行状态包括停航、低速运行、抛锚等各种船只的状态，实时显示监控区域情况，以减少误报，实现海缆的3D立体监测，为保护海缆免收抛锚危害提供有力的保证，同时综合平台会根据海缆分布情况画出运行保护区域，当发现船只的行为满足报警条件时，进行报警并通知值班人员通过高频电台对其喊话驶离。本方面的配置是针对船舶指挥监控电子系统40进行的。
考虑以上三方面内容，得到用于监测35kV集电海电缆和220kV主海缆的海上风电场管理系统配置清单，如下表所示：
表1海上风电场管理系统配置清单
Figure BDA0003412659560000061
Figure BDA0003412659560000071
参见图2，上述海上风电场管理系统在部署时主要部署于两个位置，一个是陆上集控中心，一个是海上升压站。可以看到，综合监控平台10全部设备、海缆扰动监测系统20的主机设备、海缆温度应力监测系统30的主机设备、船舶指挥监控电子系统40的主机设备、高频电台、GIS模块均安装于路上集控中心处。
需要说明的是，海上升压站与陆地，风机与海上升压站之间均敷设有海底电缆。为防止船舶进入海上风电场区域抛锚或者作业造成破坏，可在风场四周设置航标警示船只禁止驶入、抛锚。
相比于现有技术，本发明实施例提供了一种海上风电场综合管理系统，对海底电缆及集电海底电缆的温度、应变、扰动进行监测。对海底电缆可能遭受的外力破坏事件(锚害、砾石磨损)进行预警及定位。结合AIS、海事地图、高频电台，实时对海缆敷设所在海域进行船舶的识别、定位以及通信，实现海底电缆的安全监测，提高海缆智慧运维能力。
通过AIS、海事地图、高频电台，实时对海缆敷设所在海域进行船舶的识别、定位以及通信。搭建包括AIS、海事地图、高频电台的海底电缆安全监测系统，通过AIS和雷达发现各种船只的运行状态包括停航、低速运行、抛锚等各种船只的状态，实时显示监控区域情况，以减少误报，实现海缆的3D立体监测，为保护海缆免收抛锚危害提供有力的保证，同时综合平台会根据海缆分布情况画出运行保护区域，当发现船只的行为满足报警条件时，进行报警并通知值班人员通过高频电台对其喊话驶离。
综上所述，根据实时监测结果及时海缆进行运维，以及约束船舶对电缆的危害行为，进而有效保障海上风电场健康运行。
示例性地，所述AIS系统包括数据采集器、信息处理器、AIS显示器、VHF收发机。
所述数据采集器用于收集各船舶的经纬度和对地航速。
所述信息处理器用于存储船舶信息和处理航行信息，并将处理后的航行信息传送至所述AIS显示器。
所述AIS显示器用于显示各种AIS数据和状态信息。
所述VHF收发机用于构建所述AIS系统的通信信道。
船舶自动识别系统(Automatic Identification System，简称AIS)以自组织时分多址(Self Organized Time Division Multiple Access，简称SOTDMA)技术为核心，用于岸—船、船—岸以及船—船之间联络和指挥的通讯、导航系统。
AIS系统采用SOTDMA方式发射各船信息(由数据采集器收集)，将各船的信息(MMSI码、船名、静态信息以及动态信息等)经接口电路转换后送信息处理器，信息处理器对本船信息进行编码后经信道选择、信息调制，由VHF发信机发送到VHF信道，在此信道收听的目标船就可以接收到该船的信息；同时，本船亦可接收和显示周围船舶的信息，并将周围船的信息和本船信息存储在本船的存储器中同时对周围船舶的信息进行显示。
数据采集过程中，AIS主机接收来自GPS/DGPS接收机的本船船位经纬度，对地航速，同步UTC信号，转换成数字信号并输入信息处理器；同时包括从输入装置中输入的信息。
信息处理器是AIS系统的核心部分，用于存储本船识别码、船名、呼号、船型等静态信息与船舶吃水、危险货类、航线等航行相关的信息；处理本船动态信息；将存储的本船最新航行数据及必要的静态信息与航行相关的其他信息进行编码后送发射机；对接收来自周围其他船舶的航行数据进行解码并存储解码后的数据；将本船和其他船舶的航行数据等信息送信息显示器显示。
AIS显示器用于显示各种AIS数据和状态信息、监视AIS系统运行状况，一般可视情况安装与陆上集控中心。
VHF收发机由系统信息处理器控制，一般可采用VHF CH87B(161.975MHZ)、VHFCH88B(162.025MHZ)两个国际专用频道自动发射和接收通信协议方案规定的高斯滤波最小频移键控(GMSK)信号，已调信号中含有本船和他船航行信息，AIS系统同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在这两个频率上交替进行的。
AIS系统用于船对船模式避碰，满足船舶避碰通信过程中对船舶识别的需要。目前船舶避碰过程中使用的无线电通信设备主要是VHF电台，由于信息存在延时性和人工操作错误，难以及时达成避碰协议，给安全航行带来隐患；AIS系统作为一种VTS工具，能较好地解决船舶交管系统(VTS)中存在的船舶识别难题。AIS系统能自动与目标船舶/岸台建立通信，并保证通信的可靠性，帮助船舶有效导航，改善航行安全，增加对覆盖区域船舶的识别和监控；为船舶航行提供新的观测手段。参见图3，AIS系统可以提供给本船目标船舶的静态和动态信息。
示例性地，所述VHF收发机与所述数据采集器通过数据线连接通信，所述数据采集器安装于船舶上。
示例性地，所述船舶指挥监控电子系统还包括视频监控设备；所述视频监控设备用于实时显示监控区域情况。
示例性地，所述综合监控平台根据海缆分布情况确认运行保护区域，当发现船舶的行为满足报警条件时进行报警，并让所述工作人员通过所述高频电台对船舶进行喊话使船舶驶离；所述海缆分布情况由所述海缆扰动监测系统和所述海缆温度应力监测系统检测所得。
需要说明的是，GIS模块是基于谷歌地图和电子海图，陆地上使用谷歌地图，海上使用电子海图。GIS模块能清楚的显示光缆铺设位置，走向，地图能够放大缩小。海图则包含了船只、海缆等详细的位置。光缆一旦发生故障，GIS模块会精确显示故障的位置。
高频电台布置于陆上集控中心，出现异常情况监控人员可通过高频电台与船舶通话，有助于解决突发状况。高效的功率放大器可确保在1.6～30MHz海事频带(发射模式中)高性能和可靠通讯，并确保在所有ITU信道持续和充分的输出功率。中高频电台是高端通信系统，符合对MF/HF DSC Class A的要求，这是对所有海域SOLAS船舶强制性要求的一部分，也是很多国家的GMDSS要求。满足专业海事的需要而设计开发的，以确保各种船舶清晰强大的通讯，包括公海渔船、商船、近海船舶和工作船等。
基于GIS模块，船舶指挥监控电子系统40可基于电子海图数据显示风场态势图，可对海图数据进行自定义色彩显示设置，添加自定义图层、航道、浮筒、海底管道、海底电缆、塔架等基本信息，具有实时打印功能，可对系统配置、登陆操作、系统运行日志、报警事件变化、风场态势图、船舶动静态数据等进行实时打印输出。
GIS模块软件实现了将接收的AIS和各个视频监控设备的数据进行综合分析，实现了对监控海域的船舶全方位、全天候、无盲区、无漏洞的动态监控。可以对进入警戒区域的船只发送警告信息及为事后问责提供了强有力的证据。船舶指挥监控电子系统40结合了AIS、视频监控系统，弥补了单一系统的不足，实现了各个系统的优势互补。
示例性地，所述海缆扰动监测系统包括海缆扰动监测系统主机和分布式光纤振动传感系统；
所述分布式光纤振动传感系统用于根据后向瑞利散射信号的振幅变化确认振动点的位置；所述后向瑞利散射信号是传入传感光纤中的脉冲光产生的。
示例性地，所述海缆扰动监测系统用于对海缆应力应变的监测，实时发现海缆运行过程中出现的应变问题，并显示和记录监测数据、报警位置。
基于相位敏感光时域反射原理(Φ-OTDR)设计的分布式光纤振动传感系统能够实现对振动信号的报警与定位。在Φ-OTDR光纤振动传感系统中，基于瑞利后向散射原理，传入传感光纤中的脉冲光会发生相对应的后向瑞利散射信号光，由于外界振动对传感光纤的作用表现在改变振动位置处的光相位，并最终反映到后向瑞利散射信号的振幅中去，故通过解调后向瑞利散射信号的振幅变化可以实现振动点的定位。
假设传感光缆的总长度为L，在离前端传感器距离x处，有一个扰动事件作用在传感光缆上，则两路传感接收到扰动信号的时间差D与扰动事件的发生位置x之间的关系为：
Figure BDA0003412659560000111
其中c为真空中光速，n为光纤纤芯的有效折射率。因此只要测量出两路干涉信号的时间差D，就能够对扰动事件的发生位置x进行定位。
示例性地，所述海缆温度应力监测系统包括光纤温度应变监测系统主机和布里渊光时域分析系统；
所述布里渊光时域分析系统包括：脉冲激光光源、连续激光光源，传感光纤和信号探测电路；所述脉冲激光光源和所述连续激光光源位于所述传感光纤的两端，相向入射；所述传感光纤由双芯光纤构成探测回路。
示例性地，所述海缆温度应力监测系统用于对海缆外部扰动进行实时监测，并根据监测数据对海缆遭受的外力破坏事件进行预警及定位。
布里渊光时域分析仪BOTDA采用普通单模通信光纤为传感器，“传”、“感”合一，可实现长达数十公里温度与应变分布式测量。
BOTDA系统基本结构包括：脉冲激光光源、连续激光光源，传感光纤，信号探测电路。其中脉冲光源和连续光源位于传感光纤的两端，相向入射；传感光纤一般由双芯光纤构成探测回路，既是传感器，又是传输介质，安装简单方便。
BOTDA测量原理：从光纤的两端分别注入脉冲光信号(probe光)和连续光信号(pump光)，当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应(Brillouin scattering)，两束光之间发生能量转移。根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，对两激光的频率进行连续的调节，监测从光纤一端耦合出来的连续光功率可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度、应变信息，实现分布式测量。
基于AIS系统和从所述海缆扰动监测系统20和所述海缆温度应力监测系统30得到的监测信息，当综合监控平台收到AIS提供的船舶信息可动态显示AIS物标船舶，包括船舶物标的航速、航向、船艏向等信息，同时可自定义船舶显示颜色和符号。当发生预警和报警时，可在电子海图平台上突出显示报警和预警信息，包括预报警位置和预报警类型。电子海图平台应提供扩展显示接口，为海缆运行区域的人工分析提供准确依据，为突发的破坏海缆事件的赔偿追索提供依据。
综上，本发明实施例提供的海上风电场综合管理系统可以达到以下功能：
实时在线的温度、应变分布式监测；实时在线的扰动监测；实时在线电缆载流量监测及预测；实时AIS、视频对海缆警戒区船只的3D立体监测；现场人员高频电台通讯喊话功能；清楚指示海缆过热点的位置信息；提供海缆出厂前、施工期间以及运行期间的应力应变监测及早期预警；为海缆悬跨、锚害识别判断提供依据；报警分类管理，能够通过短信和网络远程发送；综合监控平台集成GIS功能，含谷歌地图和电子海图基础数据，可以采集并显示各监测子系统的状态及报警信息。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种海上风电场综合管理系统，其特征在于，包括综合监控平台、海缆扰动监测系统、海缆温度应力监测系统和船舶指挥监控电子系统；所述综合监控平台分别与所述海缆扰动监测系统、所述海缆温度应力监测系统和所述船舶指挥监控电子系统连接；所述综合监控平台、所述海缆扰动监测系统的海缆扰动监测系统主机、所述海缆温度应力监测系统的光纤温度应变监测系统主机、AIS系统的AIS基站主机均安装于陆上集控中心；
其中，所述船舶指挥监控电子系统包括AIS系统、高频电台和GIS模块；所述AIS系统用于提供船舶信息，所述高频电台用于陆上集控中心的工作人员与船舶进行通信；所述GIS模块用于显示海缆整体的走向，标定陆地和海上的监控区域。
2.如权利要求1所述的海上风电场综合管理系统，其特征在于，所述AIS系统包括数据采集器、信息处理器、AIS显示器、VHF收发机；
所述数据采集器用于收集各船舶的经纬度和对地航速；
所述信息处理器用于存储船舶信息和处理航行信息，并将处理后的航行信息传送至所述AIS显示器；
所述AIS显示器用于显示各种AIS数据和状态信息；
所述VHF收发机用于构建所述AIS系统的通信信道。
3.如权利要求2所述的海上风电场综合管理系统，其特征在于，所述VHF收发机与所述数据采集器通过数据线连接通信，所述数据采集器安装于船舶上。
4.如权利要求1所述的海上风电场综合管理系统，其特征在于，所述船舶指挥监控电子系统还包括视频监控设备；所述视频监控设备用于实时显示监控区域情况。
5.如权利要求1所述的海上风电场综合管理系统，其特征在于，所述综合监控平台根据海缆分布情况确认运行保护区域，当发现船舶的行为满足报警条件时进行报警，并让所述工作人员通过所述高频电台对船舶进行喊话使船舶驶离；所述海缆分布情况由所述海缆扰动监测系统和所述海缆温度应力监测系统检测所得。
6.如权利要求1所述的海上风电场综合管理系统，其特征在于，所述海缆扰动监测系统包括海缆扰动监测系统主机和分布式光纤振动传感系统；
所述分布式光纤振动传感系统用于根据后向瑞利散射信号的振幅变化确认振动点的位置；所述后向瑞利散射信号是传入传感光纤中的脉冲光产生的。
7.如权利要求6所述的海上风电场综合管理系统，其特征在于，所述海缆扰动监测系统用于对海缆应力应变的监测，实时发现海缆运行过程中出现的应变问题，并显示和记录监测数据、报警位置。
8.如权利要求1所述的海上风电场综合管理系统，其特征在于，所述海缆温度应力监测系统包括光纤温度应变监测系统主机和布里渊光时域分析系统；
所述布里渊光时域分析系统包括：脉冲激光光源、连续激光光源，传感光纤和信号探测电路；所述脉冲激光光源和所述连续激光光源位于所述传感光纤的两端，相向入射；所述传感光纤由双芯光纤构成探测回路。
9.如权利要求8所述的海上风电场综合管理系统，其特征在于，所述海缆温度应力监测系统用于对海缆外部扰动进行实时监测，并根据监测数据对海缆遭受的外力破坏事件进行预警及定位。
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