基于光纖振動監(jiān)測的海纜入侵事件識別及定位系統(tǒng)

張寧

摘要：海上風(fēng)電近年來在我國迅速發(fā)展，海底電纜安全對海上風(fēng)電效益至關(guān)重要。海底電纜埋于海底泥面下1.5-3m，由于敷設(shè)海底形態(tài)復(fù)雜多樣，海底沙丘沖刷運(yùn)移頻繁往往造成海纜埋深變化和裸露，海上風(fēng)電場海纜路由所屬海域漁船、工程船舶活動頻繁，常發(fā)生船舶在海纜路由區(qū)域拋錨、拖拽漁網(wǎng)等情況，拋錨引起海纜損壞國內(nèi)外偶有發(fā)生，海纜修復(fù)，具有施工周期長、檢修難度大、經(jīng)濟(jì)損失大等特點(diǎn)。針對傳統(tǒng)的船舶人工巡檢、側(cè)掃聲納巡檢以及在線監(jiān)測系統(tǒng)，上述方式在周期、難度、覆蓋率、成本等方面存在諸多困難。利用相干光時域反射（C-OTDR）技術(shù)，研發(fā)基于光纖振動監(jiān)測的海纜入侵事件識別及定位系統(tǒng)，針對船舶錨損、漁網(wǎng)拖拽、高灘開挖等入侵事件進(jìn)行識別、定位，大大提高巡檢效率，降低了海纜損壞概率，保障了海纜地長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：海纜；錨損；入侵監(jiān)測；C-OTDR

1 確定敏感參數(shù)：

海底電纜入侵事件特征參量表

海纜入侵事件特征參量選擇的優(yōu)劣對比，我們可知根據(jù)振動差異特性來識別海底電纜入侵事件是更為有效的。

2 光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)：

針對光纖振動監(jiān)測裝置的選擇，發(fā)現(xiàn)利用瑞利散射原理的分布式傳感技術(shù)具有良好的振動監(jiān)測以及定位功能。相對于布里淵散射和拉曼散射等其他散射，瑞利散射的能量更大，這意味著振動信號和位置信息更容易被提取和檢測。其中常見的基于瑞利散射的全分布式光纖傳感技術(shù)主要有光時域反射（OTDR）技術(shù)、相干光時域反射（C-OTDR）技術(shù)、相位光時域反射（Φ-OTDR）技術(shù)以及偏振光時域反射（P-OTDR）技術(shù)等。

利用相干光時域反射（C-OTDR）技術(shù)對海底光電復(fù)合纜進(jìn)行振動監(jiān)測，除了用于探測的信號光，還有用高相關(guān)性的窄帶寬光源注入的參考光，通過傳感光纖反射回的后向瑞利散射光作為信號光，信號光與參考光經(jīng)環(huán)行器耦合到光電探測器中，經(jīng)過光電探測器將混合光產(chǎn)牛的拍頻信號轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)相關(guān)處理，即可獲得差頻信號。由于差頻信號與光纖狀態(tài)，如折射率波動、光波長和環(huán)境因素等有著良好的線性關(guān)系，所以就可以解調(diào)出光電復(fù)合纜的振動參數(shù)變化。具體如下：在陸上集控中心設(shè)置一臺分布式聲波監(jiān)測儀DAS，實(shí)現(xiàn)對海底光電復(fù)合纜的船舶拋錨、拖拽漁網(wǎng)、開挖入侵事件監(jiān)測。

分布式光纖振動監(jiān)測系統(tǒng)包括：監(jiān)測儀、地理信息系統(tǒng)（GIS）、視頻監(jiān)控、模式識別等系統(tǒng)處理軟件，通過監(jiān)測光纖沿線的振動獲取事件源，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)潛在威脅，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，監(jiān)測并定位入侵事件。

3技術(shù)方案

3.1 振動事件性能

對于光纖監(jiān)測到的挖掘機(jī)挖掘、拖拽漁網(wǎng)、船舶拋錨振動信號，對其進(jìn)行短時能量與短時過零率分析，不同原因引起的振動在短時過零率及平均短時能量上存在較大的差異。船舶拋錨振動信號，短時能量較高，但能量譜較窄；拖拽漁網(wǎng)振動信號，其強(qiáng)度較低、過零率低、且短時能量也低；挖掘機(jī)振動信號強(qiáng)度較大，且影響的范圍比較大；挖掘機(jī)振動信號的短時能量較高，且能量譜較寬；振動事件識別的測量閾值通過軟件設(shè)置，并進(jìn)行自動識別，振動事件識別率≥90%。

3.2 定位告警模塊定位顯示模塊：位置信息顯示形象直觀，定位精度3m。

3.3自動識別算法

根據(jù)分析對應(yīng)關(guān)系，建立了海纜入侵事件的故障模型，并將算法設(shè)計(jì)與仿真，且進(jìn)行代碼編寫。通過計(jì)算實(shí)時測量振動數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測分析組建事件模型，并于入侵事件模型做對比，做出入侵事件判斷。

通過研制該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了江蘇東臺海上風(fēng)電項(xiàng)目全程34km海纜入侵事件識別與定位，并保持入侵事件識別在90%以上，空間分辨率性能在3m以內(nèi)，測量穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠性高。

4結(jié)語

基于光纖振動監(jiān)測的海纜入侵事件識別及定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海底電纜入侵事件識別及定位，對船舶拋錨、拖拽漁網(wǎng)、開挖等事件提前預(yù)警，提升了海底電纜的安全運(yùn)行監(jiān)測水平，保障了海上風(fēng)電送出通道安全運(yùn)行可靠性。從經(jīng)濟(jì)性來看如由于入侵事件擴(kuò)大造成海纜破損，僅從維修費(fèi)用就超過300萬/次。目前國家海上風(fēng)電處于迅速發(fā)展期，相信該系統(tǒng)在今后海上風(fēng)電行業(yè)中會產(chǎn)生更大效益。

參考文獻(xiàn)

[1] DAS用戶手冊

[2] 朱燕.分布式光纖振動傳感技術(shù)及發(fā)展動態(tài).成都：電子科技大學(xué)，2011

[3] 王文特趙興群. 基于FPGA和ARM的分布式光纖振動傳感監(jiān)測系統(tǒng)的研制.電子科學(xué)與工程學(xué)院 南京：東南大學(xué)，2015.

[4] 劉金琨. 先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[5] Elbardini Mohammad，Elnagar AhmadM..Interval type-2 fuzzy PID controller for uncertain nonlinear inverted pendulum system[J]. ISA Transactions，2014，39（2）：741-748.

[6] 武俊峰，王勝達(dá). 模糊控制在二級倒立擺系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2013.

（作者單位：魯能集團(tuán)江蘇新能源公司）