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分布式光電復(fù)合海底電力電纜安全防護(hù)系統(tǒng)

文檔作者：謝尚然屠亦軍張秀峰鄒琪琳屠東升姜兆公張敏廖延彪 ( 文檔來(lái)源： 1．清華大學(xué)電子工程系 2．舟山電力局 3．寧波諾可電子科技發(fā)展有限公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年02月22日
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2010年第1期
No．1 2O10
電線電纜
Electric Wire＆ Cable
20l0年2月
Feb．．2010
分布式光電復(fù)合海底電力電纜安全防護(hù)系統(tǒng)
謝尚然 ， 屠亦軍 ， 張秀峰 ， 鄒琪琳 ， 屠東升。，
姜兆公 ， 張敏 ， 廖延彪
(1．清華大學(xué)電子工程系，北京100084；2．舟山電力局，浙江舟山316000；
3．寧波諾可電子科技發(fā)展有限公司，浙江寧波315000)
摘要：介紹了一種基于光纖干涉儀結(jié)構(gòu)的分布式光電復(fù)合海底電力電纜(簡(jiǎn)稱光電復(fù)合海纜)安全防護(hù)系統(tǒng)。
系統(tǒng)利用已敷設(shè)好的光電復(fù)合海纜中4根光纖實(shí)現(xiàn)事件信號(hào)采集，結(jié)合現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)，可對(duì)有威脅事件
進(jìn)行預(yù)警、報(bào)警及定位。系統(tǒng)提供了從獲取威脅事件信號(hào)到發(fā)出各類報(bào)警信息的安全防護(hù)整體解決方案。現(xiàn)
場(chǎng)試驗(yàn)證明系統(tǒng)誤報(bào)率小于1％ ，漏報(bào)率小于0．1％ ，對(duì)緊急事件的定位精度達(dá)到100 m，對(duì)事件響應(yīng)時(shí)間小
于1 S，可以滿足光電復(fù)合海纜安全防護(hù)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求。
關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感；光電復(fù)合海底電力電纜；安全防護(hù)；光纖干涉儀
中圖分類號(hào)：TN818；TM247．7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672~901(2010)01—0037—06
Distributed Safety System for Com posite Subm arine Power Cables with Optic Fiber
XIE Shang—ran．et al
(Department of Electronic Engineering，Qinghua University，Beijing 100084，China)
Abstract：A distributed safety system based on fiber interferometer for composite submarine power cables with optic
fiber(short as composite submarine cable)is presented．The system collects event signals by the four fibers in the
installed composite submarine cable．The collected signals will be processed by the modern signal processing tech—
nique．As a result，pre—alarm and alarm will be sent for threatening events and their location will be determined．The
system provides an all—around safety solution from collecting threatening events to sending all kinds of alarms． Field
test demonstrated that the error—alarm rate is less than 1％ ．fail—alarm rate is less than 0．1％ ．1ocation accuracy of e—
mergency event is 1 00 meters and response time is less than l second．These data satisfy the requirements of reliabili—
ty and real—time response of the safety system for composite submarine power cables with optic fiber．
Key words：distributed fiber sensing；composite submarine power cables with optic fiber；safety；fiber interferometer
0 引 言
近年來(lái)，光電復(fù)合海底電力電纜(簡(jiǎn)稱光電復(fù)
合海纜)在電力傳輸及數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域逐漸普及。這
種新型海纜把電纜和光纜復(fù)合在一起，同時(shí)輸送電
能和傳輸數(shù)據(jù)，既節(jié)約成本，又降低敷纜施工次數(shù)，
在諸如淺海島嶼間跨海輸電和通信應(yīng)用中備受青
睞。隨著光電復(fù)合海纜扮演的角色日益重要，對(duì)復(fù)
合海纜的安全防護(hù)問(wèn)題就凸現(xiàn)出來(lái)。每年報(bào)道的地
埋復(fù)合纜被盜、海底復(fù)合纜被船錨鉤斷或損壞等事
件屢見不鮮，嚴(yán)重影響正常電力供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)
收稿日期：2009-07—2O
基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2007BAE19B04)
作者簡(jiǎn)介：謝尚然(1985一)，男，在讀碩士研究生．
作者地址：北京市海淀區(qū)清華園清華大學(xué)東主樓l1區(qū)
303室[100084]．
濟(jì)損失上億元，因此亟需對(duì)已敷設(shè)復(fù)合海纜進(jìn)行全
程安全防護(hù)的系統(tǒng)。目前國(guó)外已有成熟的此類產(chǎn)品
出現(xiàn)，可對(duì)海纜沿線有威脅事件進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警和定
位，但這類產(chǎn)品大多價(jià)格昂貴，且關(guān)鍵技術(shù)對(duì)我國(guó)保
密。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也逐漸在加強(qiáng)復(fù)合海纜安全防護(hù)
領(lǐng)域的研究和開發(fā)，但目前還沒(méi)有能夠滿足工程要
求的產(chǎn)品出現(xiàn)，只能依賴進(jìn)口。
光纖傳感技術(shù)的發(fā)展為光電復(fù)合海纜的安全防
護(hù)提供了簡(jiǎn)單有效的解決方案。利用光電復(fù)合海纜
中光纖作為傳感單元，結(jié)合先進(jìn)的分布式光纖傳感
技術(shù)，可以在不重新施工的情況下完成對(duì)海纜的安
全防護(hù)，這對(duì)于在實(shí)際工程中確保海纜的安全有重
要意義。基于光纖干涉儀結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感器
適用于大跨度、長(zhǎng)距離、環(huán)境復(fù)雜的傳感環(huán)境，具有
事件檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，而且可以實(shí)
時(shí)對(duì)有威脅事件進(jìn)行定位 。 ，十分適合長(zhǎng)距離光電
復(fù)合海纜的安全防護(hù)。本系統(tǒng)即利用這種光纖傳感

2010年第1期
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電線電纜
Electric Wire ＆ Cable
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相應(yīng)接口焊接在一起，對(duì)纜本身不用做任何改動(dòng)，大
大降低了施工難度，保證了系統(tǒng)的工程可用性和可
靠性。
采用雙光纖干涉儀結(jié)構(gòu)不僅可以進(jìn)行事件檢
測(cè)，而且可以進(jìn)行事件定位。利用探測(cè)到的兩路干
涉信號(hào)間的時(shí)延信息，借助現(xiàn)代信號(hào)處理手段，就可
以準(zhǔn)確估計(jì)事件發(fā)生的位置，試驗(yàn)證明定位精度能
夠滿足要求。
1．3 控制子系統(tǒng)
控制子系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)傳感子系統(tǒng)采集到的信
號(hào)進(jìn)行分析處理，給出報(bào)警信號(hào)。傳感子系統(tǒng)輸出
控制子系統(tǒng)
的兩路干涉光信號(hào)，首先需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大
和濾波去除部分噪聲，利用高速采集卡把模擬信號(hào)
轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；之后再利用信號(hào)處理單元中設(shè)計(jì)
好的事件類型識(shí)別和事件定位算法，對(duì)兩路數(shù)字干
涉信號(hào)進(jìn)行分析處理，給出事件屬性，包括事件有
無(wú)、事件級(jí)別以及事件位置；最后在有威脅事件發(fā)生
的情況下由通信報(bào)警單元發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過(guò)網(wǎng)
絡(luò)將事件信息傳輸?shù)街醒肟刂剖?。由以上流程?
知，在控制子系統(tǒng)中，光發(fā)光收單元是基礎(chǔ)，信號(hào)處
理單元是核心，通信報(bào)警單元是擴(kuò)展。光發(fā)光收單
元的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4 光發(fā)光收單元結(jié)構(gòu)框圖
光發(fā)光收單元是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，需
要確保光發(fā)(激光器線寬、輸出功率等參數(shù))的穩(wěn)定
性和光收(光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波等環(huán)節(jié))的低信噪
比。為保證光源的線寬穩(wěn)定性，激光器采用窄線寬
蝶形激光器，由專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)其輸入電流；同時(shí)
設(shè)計(jì)溫度控制反饋回路確保激光器輸出功率穩(wěn)定。
為提高接收信號(hào)信噪比，光電轉(zhuǎn)換部分采用Maxim
公司專用光電二級(jí)管檢測(cè)芯片，之后設(shè)計(jì)RC回路
控制子系統(tǒng)
濾除高頻噪聲。整個(gè)單元中的所有元器件均集成在
單塊電路板上，由統(tǒng)一穩(wěn)壓電源供電。
信號(hào)處理單元是在軟件算法層面對(duì)兩路干涉信
號(hào)進(jìn)行分析處理。根據(jù)光發(fā)光收單元提供的信號(hào)，
通過(guò)調(diào)用算法控制通信報(bào)警單元發(fā)出信息?，F(xiàn)有系
統(tǒng)的信號(hào)處理算法通過(guò)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，下一代系統(tǒng)會(huì)
將全部算法移植到嵌入式芯片。信號(hào)處理單元的結(jié)
構(gòu)框圖如圖5所示。
傳感子系統(tǒng)
● ●
進(jìn)行 確定 判斷 信號(hào) 發(fā)
單報(bào)通信元警 I．預(yù)．警．Jl 事定位件 事級(jí)件別 事有件無(wú) ●一 處預(yù)理 ·●—- 采高速集 光單元收 引 導(dǎo)光 境一 "4- _1I報(bào)警 ●
信息I
I I
J
信號(hào)處理單元
圖5 信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)框圖
輸入信號(hào)首先以一定采樣率進(jìn)行A．D轉(zhuǎn)換，之
后進(jìn)行軟件濾波等信號(hào)預(yù)處理，為后續(xù)分析做準(zhǔn)備。
事件信號(hào)處理過(guò)程分為三個(gè)層次：判斷事件有無(wú)、確
定事件級(jí)別、進(jìn)行事件定位。不同級(jí)別的事件在信
號(hào)處理的流程上有所不同。對(duì)于直接作用在光纜上
的緊急事件(如切割鎧裝、船舶拋錨砸在光纜上)，
系統(tǒng)迅速給出報(bào)警信號(hào)，并調(diào)用定位算法準(zhǔn)確給出
事件位置，為事件處理爭(zhēng)取時(shí)間；對(duì)于未接觸或輕微
觸碰光纜的非緊急事件(如人在光纜周圍走動(dòng)、船
錨落在光纜附近)，雖然沒(méi)有達(dá)到緊急的程度，但很
有可能會(huì)發(fā)展為緊急事件，因此系統(tǒng)迅速給出預(yù)警
信號(hào)，但為保證定位精度不立刻調(diào)用定位算法；對(duì)于
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環(huán)境噪聲和干擾信號(hào)(如雷電等自然因素以及動(dòng)物
誤撞)，系統(tǒng)不給出報(bào)警信號(hào)?？傮w來(lái)說(shuō)，事件信號(hào)
處理采用的準(zhǔn)則為Neyman—Pearson準(zhǔn)則 ，即在保
證誤報(bào)率不超過(guò)一定限度的前提下，最小化漏報(bào)率，
優(yōu)先保證緊急事件報(bào)警的準(zhǔn)確率和定位精度。
對(duì)事件有無(wú)和事件級(jí)別的判斷，是基于不同類
事件在各個(gè)域內(nèi)表現(xiàn)特征不同。通過(guò)提取有效特征
向量，對(duì)事件類型加以區(qū)別。事件定位的主要任務(wù)
就是進(jìn)行時(shí)延估計(jì) ，根據(jù)實(shí)際信號(hào)的特征(如事
控制子系統(tǒng)
件起始時(shí)間、信噪比大小)不同，在時(shí)延估計(jì)前需要
對(duì)原始信號(hào)在不同域內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理，以提高時(shí)延估
計(jì)的精度。
通信報(bào)警單元的任務(wù)是根據(jù)信號(hào)處理單元給出
的預(yù)警報(bào)警信息和事件定位結(jié)果迅速啟動(dòng)報(bào)警裝
置，并在軟件用戶界面上用電子地圖的方式形象地
標(biāo)識(shí)出事件級(jí)別及事件發(fā)生位置，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)把
事件信息發(fā)送到中央控制室。本單元結(jié)構(gòu)框圖如圖
6所示。
圖6 通信報(bào)警單元結(jié)構(gòu)框圖
由于各類報(bào)警信號(hào)需要同時(shí)迅速發(fā)出，因此設(shè)
計(jì)通信報(bào)警控制模塊以同時(shí)驅(qū)動(dòng)各類報(bào)警裝置，包
括警笛、警燈，以及監(jiān)控?cái)z像頭、陸地海事信息系統(tǒng)
等第三方設(shè)備。除此之外，還要在軟件用戶界面上
形象地顯示出事件屬性，并自動(dòng)保存事件El志。本
系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的圖形化用戶界面如圖7所示。
圖7 圖形化用戶界面
發(fā)啦 出． 各類報(bào)警信息的苧光 電復(fù)合海纜安全防護(hù)竺整 體解 2?現(xiàn)場(chǎng)?試’驗(yàn)一
決方案，已經(jīng)是比較成熟的產(chǎn)品，具有很大的工程應(yīng) 2．1 試驗(yàn)環(huán)境
用價(jià)值。 系統(tǒng)在浙江省舟山群島的某兩海島之間的海底
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光電復(fù)合電力電纜上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，纜全長(zhǎng)3450
In，試驗(yàn)時(shí)天氣晴好。
2．2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3．45
3．40
3．35
>
3-3O
3．25
3 20
接收信號(hào)信噪比是衡量傳感子系統(tǒng)性能的重要
指標(biāo)。試驗(yàn)中采集到的典型背景噪聲和事件信號(hào)波
形如圖8所示。
3．5
3．O
2．5
>
2．0
1．5
1．O
I 、’
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)門×10 數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)／1×10
a)典型背景噪聲 b)典型事件波形
圖8 典型背景噪聲和事件波形
由圖中背景噪聲和事件信號(hào)的峰值可以算得系
統(tǒng)接收信號(hào)信噪比約為30 dB，可以滿足后續(xù)處理
要求。
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，測(cè)試了系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)，并用
各種不同的人造事件來(lái)模擬實(shí)際可能發(fā)生的事件。
根據(jù)當(dāng)?shù)仉娏Σ块T反映的情況，海底光電復(fù)合電力
電纜可能遇到的主要威脅事件是漁船拋錨砸在纜上
或船錨鉤住纜，導(dǎo)致海纜損壞甚至折斷。當(dāng)船錨直
接觸碰到海纜時(shí)為緊急事件，需立即報(bào)警并給出事
件位置；當(dāng)船錨落在纜附近時(shí)要給出預(yù)警信息，防止
船舶繼續(xù)移動(dòng)使錨鉤住海纜。試驗(yàn)中令潛水員在海
底用鐵管敲擊海纜來(lái)模擬船錨直接觸碰海纜等水下
緊急事件，令鉛球落在海纜附近來(lái)模擬水下非緊急
事件。當(dāng)?shù)胤笤O(shè)的光電復(fù)合海纜從電力塔引出后，
需經(jīng)過(guò)一段陸地部分后人海，因此還可以利用未入
海復(fù)合纜對(duì)陸地上可能發(fā)生的威脅事件(如切割鎧
裝、異物落在纜附近)進(jìn)行模擬。試驗(yàn)中用石塊棱
角觸碰纜來(lái)模擬切割鎧裝等陸地緊急事件，令鉛球
落在纜附近來(lái)模擬陸地非緊急事件。
現(xiàn)場(chǎng)每組試驗(yàn)均進(jìn)行若干組，測(cè)試了系統(tǒng)誤報(bào)
率、漏報(bào)率、定位精度以及響應(yīng)速度等性能指標(biāo)。各
組試驗(yàn)?zāi)康?、組數(shù)及指標(biāo)值如表1所示。
表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)項(xiàng)目 試驗(yàn)?zāi)康?試驗(yàn)組數(shù) 誤報(bào)率 漏報(bào)率 定位精度 響應(yīng)時(shí)間
測(cè)試系統(tǒng)抗環(huán)境干擾 60組(1_6級(jí)
風(fēng)力對(duì)系統(tǒng)影響 能力 風(fēng)各 o％
lO組)
測(cè)試引導(dǎo)光纜對(duì)系統(tǒng)
小錘敲擊引導(dǎo)光纜 影響 1O o％
測(cè)試水下緊急事件報(bào)
潛水員用鐵管直接敲擊海纜 40 0％ 0％ 均為lOO m <1 S
警定位功能
測(cè)試陸地緊急事件報(bào) I7組為100 m，
用石塊棱角磕碰海纜來(lái)入水部分 警定位功能 20 0％ 0％ 3組 為 200 <1 s
m
用5O kg重物墜落于水下離海纜 測(cè)試水下非緊急事件
27 0％ 0％ <1 s
300 em處 預(yù)警功能
用21 kg重鉛球在陸地上從40 cm 測(cè)試陸地非緊急事件
60 O％ 0％ <1 S
高處落在離海纜150 cm位置 預(yù)警功能
(下轉(zhuǎn)第44頁(yè))
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2．1．3 加強(qiáng)對(duì)電纜的監(jiān)視和管理
健全電纜防火管理、維護(hù)、檢查等各項(xiàng)規(guī)章制
度。堅(jiān)持定期巡視檢查主電纜隧道、各電纜夾層、鍋
爐及汽輪機(jī)房的電纜。重視對(duì)380 V低壓動(dòng)力電纜
的運(yùn)行管理，認(rèn)真及時(shí)進(jìn)行電纜預(yù)防性試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)
現(xiàn)電纜存在的缺陷、隱患和可能引起電纜著火的外
部情況。
電纜終端頭盡量不要放在電纜溝、電纜隧道、電
纜槽盒、電纜夾層內(nèi)。對(duì)那些放在電纜溝、電纜隧
道、電纜槽盒、電纜夾層內(nèi)的電力電纜終端頭、中間
接頭必須登記造冊(cè)，加強(qiáng)監(jiān)視(最好用遠(yuǎn)紅外線測(cè)
溫儀定期測(cè)溫)。若發(fā)現(xiàn)電纜頭有不正常溫升時(shí)，
應(yīng)及早退出運(yùn)行，以避免運(yùn)行中的電纜頭著火。
2．2 阻燃措施
2．2．1 選用阻燃或耐火電纜
根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)電纜可能著
火蔓延導(dǎo)致嚴(yán)重事故的回路及易受外部影響引起火
災(zāi)的電纜密集場(chǎng)所，應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)淖杌鸱指?，并?yīng)根
據(jù)工程重要性、火災(zāi)幾率及經(jīng)濟(jì)合理性等因素選擇
阻燃電纜或耐火電纜。
2．2．2 對(duì)電纜進(jìn)行合理地防火封堵
在進(jìn)行防火封堵時(shí)要滿足以下幾點(diǎn)要求：(1)
要有完整的防止電纜火災(zāi)延燃的設(shè)計(jì)；(2)必須保
證防火材料是合格產(chǎn)品；(3)必須保證防火封堵的
嚴(yán)密性；(4)必須保證防火材料封堵的厚度；(5)必
須保證防火封堵有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。
2．2．3 安裝火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)
由于傳統(tǒng)防火措施的目的是為了防止電纜火災(zāi)
蔓延，往往發(fā)現(xiàn)時(shí)已燒毀了大量的電纜。而運(yùn)用火
災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)這樣現(xiàn)代化的防火措施，可以將電
纜火災(zāi)撲滅在萌芽階段，能更有效地防止電纜火災(zāi)
的發(fā)生。感溫探測(cè)器因其報(bào)警準(zhǔn)確率高，近年來(lái)在
電纜隧道中得到廣泛應(yīng)用，尤以纜式線型定溫探測(cè)
器和空氣管線型差溫探測(cè)器更適合電纜隧道狹長(zhǎng)、
電纜分層敷設(shè)的特點(diǎn)，報(bào)警針對(duì)性強(qiáng)。
2．2．4 設(shè)置固定式自動(dòng)滅火系統(tǒng)
電纜隧道內(nèi)火災(zāi)不易人工撲滅，設(shè)置固定式自
動(dòng)滅火系統(tǒng)尤為必要。氣體滅火系統(tǒng)(鹵代烷、
CO 、N：)、水噴霧滅火系統(tǒng)、高倍泡沫滅火系統(tǒng)等在
電纜隧道中都得到了應(yīng)用。
3 結(jié)束語(yǔ)
電纜防火是一門較新而重要的課題。在考慮電
纜防火時(shí)，我們要本著“安全第一，預(yù)防為主”的原
則。減少電纜火災(zāi)事故必須健全安全管理制度，狠
抓防火措施落實(shí)和火災(zāi)隱患整改，做到未雨綢繆、防
患于未然，最大限度地減少電纜著火和延燃的可能
性，這樣電纜火災(zāi)事故才會(huì)得到有效控制。
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(6)：39_41．
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由表1可知，系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力，不
會(huì)造成誤報(bào)；對(duì)于緊急事件可以實(shí)時(shí)報(bào)警并準(zhǔn)確定
位，定位精度除極少數(shù)情況外均可控制在100 m；對(duì)
于非緊急事件可以實(shí)時(shí)預(yù)警。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文討論了一種基于光纖干涉儀傳感結(jié)構(gòu)的分
布式光電復(fù)合海底電力電纜安全防護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)利
用已敷設(shè)好光電復(fù)合海纜中的4根光纖完成事件信
息獲取，結(jié)合現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)威脅海纜
安全的緊急事件報(bào)警、定位以及非緊急事件預(yù)警。
系統(tǒng)利用浙江省舟山群島間已敷設(shè)的海底光電
復(fù)合電力電纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)誤報(bào)
率小于1％ ，漏報(bào)率小于0．1％ ，對(duì)緊急事件的定位
精度達(dá)到100 11，對(duì)事件響應(yīng)時(shí)間小于1 S，滿足了
光電復(fù)合纜安全防護(hù)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求。
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