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分布式光電復合海底電力電纜安全防護系統(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 ( 文檔來源： 1．清華大學電子工程系 2．舟山電力局 3．寧波諾可電子科技發(fā)展有限公司，		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年02月22日
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上一篇：風電集電升壓設備的主要設計問題

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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
分布式光電復合海底電力電纜安全防護系統(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)的分布式光電復合海底電力電纜(簡稱光電復合海纜)安全防護系統(tǒng)。
系統(tǒng)利用已敷設好的光電復合海纜中4根光纖實現(xiàn)事件信號采集，結(jié)合現(xiàn)代信號處理技術，可對有威脅事件
進行預警、報警及定位。系統(tǒng)提供了從獲取威脅事件信號到發(fā)出各類報警信息的安全防護整體解決方案?，F(xiàn)
場試驗證明系統(tǒng)誤報率小于1％ ，漏報率小于0．1％ ，對緊急事件的定位精度達到100 m，對事件響應時間小
于1 S，可以滿足光電復合海纜安全防護的可靠性和實時性要求。
關鍵詞：分布式光纖傳感；光電復合海底電力電纜；安全防護；光纖干涉儀
中圖分類號：TN818；TM247．7 文獻標識碼：A 文章編號：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，光電復合海底電力電纜(簡稱光電復
合海纜)在電力傳輸及數(shù)據(jù)通信領域逐漸普及。這
種新型海纜把電纜和光纜復合在一起，同時輸送電
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用中備受青
睞。隨著光電復合海纜扮演的角色日益重要，對復
合海纜的安全防護問題就凸現(xiàn)出來。每年報道的地
埋復合纜被盜、海底復合纜被船錨鉤斷或損壞等事
件屢見不鮮，嚴重影響正常電力供應和數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)
收稿日期：2009-07—2O
基金項目：國家科技支撐項目(2007BAE19B04)
作者簡介：謝尚然(1985一)，男，在讀碩士研究生．
作者地址：北京市海淀區(qū)清華園清華大學東主樓l1區(qū)
303室[100084]．
濟損失上億元，因此亟需對已敷設復合海纜進行全
程安全防護的系統(tǒng)。目前國外已有成熟的此類產(chǎn)品
出現(xiàn)，可對海纜沿線有威脅事件進行實時報警和定
位，但這類產(chǎn)品大多價格昂貴，且關鍵技術對我國保
密。近年來，國內(nèi)也逐漸在加強復合海纜安全防護
領域的研究和開發(fā)，但目前還沒有能夠滿足工程要
求的產(chǎn)品出現(xiàn)，只能依賴進口。
光纖傳感技術的發(fā)展為光電復合海纜的安全防
護提供了簡單有效的解決方案。利用光電復合海纜
中光纖作為傳感單元，結(jié)合先進的分布式光纖傳感
技術，可以在不重新施工的情況下完成對海纜的安
全防護，這對于在實際工程中確保海纜的安全有重
要意義?；诠饫w干涉儀結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感器
適用于大跨度、長距離、環(huán)境復雜的傳感環(huán)境，具有
事件檢測靈敏度高、響應速度快等特點，而且可以實
時對有威脅事件進行定位 。 ，十分適合長距離光電
復合海纜的安全防護。本系統(tǒng)即利用這種光纖傳感

2010年第1期
No．1 2Ol0
電線電纜
Electric Wire ＆ Cable
2010年2月
Feb．，2010
相應接口焊接在一起，對纜本身不用做任何改動，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)不僅可以進行事件檢
測，而且可以進行事件定位。利用探測到的兩路干
涉信號間的時延信息，借助現(xiàn)代信號處理手段，就可
以準確估計事件發(fā)生的位置，試驗證明定位精度能
夠滿足要求。
1．3 控制子系統(tǒng)
控制子系統(tǒng)的任務是對傳感子系統(tǒng)采集到的信
號進行分析處理，給出報警信號。傳感子系統(tǒng)輸出
控制子系統(tǒng)
的兩路干涉光信號，首先需要進行光電轉(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
轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；之后再利用信號處理單元中設計
好的事件類型識別和事件定位算法，對兩路數(shù)字干
涉信號進行分析處理，給出事件屬性，包括事件有
無、事件級別以及事件位置；最后在有威脅事件發(fā)生
的情況下由通信報警單元發(fā)出報警信號，并通過網(wǎng)
絡將事件信息傳輸?shù)街醒肟刂剖摇Ｓ梢陨狭鞒炭?
知，在控制子系統(tǒng)中，光發(fā)光收單元是基礎，信號處
理單元是核心，通信報警單元是擴展。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)光收單元是整個系統(tǒng)正常工作的基礎，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)動芯片驅(qū)動其輸入電流；同時
設計溫度控制反饋回路確保激光器輸出功率穩(wěn)定。
為提高接收信號信噪比，光電轉(zhuǎn)換部分采用Maxim
公司專用光電二級管檢測芯片，之后設計RC回路
控制子系統(tǒng)
濾除高頻噪聲。整個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。
信號處理單元是在軟件算法層面對兩路干涉信
號進行分析處理。根據(jù)光發(fā)光收單元提供的信號，
通過調(diào)用算法控制通信報警單元發(fā)出信息?，F(xiàn)有系
統(tǒng)的信號處理算法通過工控機實現(xiàn)，下一代系統(tǒng)會
將全部算法移植到嵌入式芯片。信號處理單元的結(jié)
構(gòu)框圖如圖5所示。
傳感子系統(tǒng)
● ●
進行 確定 判斷 信號 發(fā)
單報通信元警 I．預．警．Jl 事定位件 事級件別 事有件無 ●一 處預理 ·●—- 采高速集 光單元收 引 導光 境一 "4- _1I報警 ●
信息I
I I
J
信號處理單元
圖5 信號處理單元結(jié)構(gòu)框圖
輸入信號首先以一定采樣率進行A．D轉(zhuǎn)換，之
后進行軟件濾波等信號預處理，為后續(xù)分析做準備。
事件信號處理過程分為三個層次：判斷事件有無、確
定事件級別、進行事件定位。不同級別的事件在信
號處理的流程上有所不同。對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)迅速給出報警信號，并調(diào)用定位算法準確給出
事件位置，為事件處理爭取時間；對于未接觸或輕微
觸碰光纜的非緊急事件(如人在光纜周圍走動、船
錨落在光纜附近)，雖然沒有達到緊急的程度，但很
有可能會發(fā)展為緊急事件，因此系統(tǒng)迅速給出預警
信號，但為保證定位精度不立刻調(diào)用定位算法；對于
· 39·
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Electric W ire＆ Cable
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環(huán)境噪聲和干擾信號(如雷電等自然因素以及動物
誤撞)，系統(tǒng)不給出報警信號?？傮w來說，事件信號
處理采用的準則為Neyman—Pearson準則 ，即在保
證誤報率不超過一定限度的前提下，最小化漏報率，
優(yōu)先保證緊急事件報警的準確率和定位精度。
對事件有無和事件級別的判斷，是基于不同類
事件在各個域內(nèi)表現(xiàn)特征不同。通過提取有效特征
向量，對事件類型加以區(qū)別。事件定位的主要任務
就是進行時延估計 ，根據(jù)實際信號的特征(如事
控制子系統(tǒng)
件起始時間、信噪比大小)不同，在時延估計前需要
對原始信號在不同域內(nèi)進行預處理，以提高時延估
計的精度。
通信報警單元的任務是根據(jù)信號處理單元給出
的預警報警信息和事件定位結(jié)果迅速啟動報警裝
置，并在軟件用戶界面上用電子地圖的方式形象地
標識出事件級別及事件發(fā)生位置，同時利用網(wǎng)絡把
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 通信報警單元結(jié)構(gòu)框圖
由于各類報警信號需要同時迅速發(fā)出，因此設
計通信報警控制模塊以同時驅(qū)動各類報警裝置，包
括警笛、警燈，以及監(jiān)控攝像頭、陸地海事信息系統(tǒng)
等第三方設備。除此之外，還要在軟件用戶界面上
形象地顯示出事件屬性，并自動保存事件El志。本
系統(tǒng)所設計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． 各類報警信息的苧光 電復合海纜安全防護竺整 體解 2?現(xiàn)場?試’驗一
決方案，已經(jīng)是比較成熟的產(chǎn)品，具有很大的工程應 2．1 試驗環(huán)境
用價值。 系統(tǒng)在浙江省舟山群島的某兩海島之間的海底
· 40·
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電線電纜
Electric Wire＆ Cable
20lO年2月
Feb．，2010
光電復合電力電纜上進行了現(xiàn)場試驗，纜全長3450
In，試驗時天氣晴好。
2．2 試驗結(jié)果及分析
3．45
3．40
3．35
>
3-3O
3．25
3 20
接收信號信噪比是衡量傳感子系統(tǒng)性能的重要
指標。試驗中采集到的典型背景噪聲和事件信號波
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)點數(shù)門×10 數(shù)據(jù)點數(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的峰值可以算得系
統(tǒng)接收信號信噪比約為30 dB，可以滿足后續(xù)處理
要求。
現(xiàn)場試驗中，測試了系統(tǒng)功能及性能指標，并用
各種不同的人造事件來模擬實際可能發(fā)生的事件。
根據(jù)當?shù)仉娏Σ块T反映的情況，海底光電復合電力
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，導致海纜損壞甚至折斷。當船錨直
接觸碰到海纜時為緊急事件，需立即報警并給出事
件位置；當船錨落在纜附近時要給出預警信息，防止
船舶繼續(xù)移動使錨鉤住海纜。試驗中令潛水員在海
底用鐵管敲擊海纜來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模擬水下非緊急
事件。當?shù)胤笤O的光電復合海纜從電力塔引出后，
需經(jīng)過一段陸地部分后人海，因此還可以利用未入
海復合纜對陸地上可能發(fā)生的威脅事件(如切割鎧
裝、異物落在纜附近)進行模擬。試驗中用石塊棱
角觸碰纜來模擬切割鎧裝等陸地緊急事件，令鉛球
落在纜附近來模擬陸地非緊急事件。
現(xiàn)場每組試驗均進行若干組，測試了系統(tǒng)誤報
率、漏報率、定位精度以及響應速度等性能指標。各
組試驗目的、組數(shù)及指標值如表1所示。
表1 現(xiàn)場試驗結(jié)果
試驗項目 試驗目的 試驗組數(shù) 誤報率 漏報率 定位精度 響應時間
測試系統(tǒng)抗環(huán)境干擾 60組(1_6級
風力對系統(tǒng)影響 能力 風各 o％
lO組)
測試引導光纜對系統(tǒng)
小錘敲擊引導光纜 影響 1O o％
測試水下緊急事件報
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
測試陸地緊急事件報 I7組為100 m，
用石塊棱角磕碰海纜來入水部分 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 測試水下非緊急事件
27 0％ 0％ <1 s
300 em處 預警功能
用21 kg重鉛球在陸地上從40 cm 測試陸地非緊急事件
60 O％ 0％ <1 S
高處落在離海纜150 cm位置 預警功能
(下轉(zhuǎn)第44頁)
· 4l ·
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No．1 2O10
電線電纜
Electric Wire＆ Cable
2010年2月
Feb．，2010
2．1．3 加強對電纜的監(jiān)視和管理
健全電纜防火管理、維護、檢查等各項規(guī)章制
度。堅持定期巡視檢查主電纜隧道、各電纜夾層、鍋
爐及汽輪機房的電纜。重視對380 V低壓動力電纜
的運行管理，認真及時進行電纜預防性試驗，及時發(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，加強監(jiān)視(最好用遠紅外線測
溫儀定期測溫)。若發(fā)現(xiàn)電纜頭有不正常溫升時，
應及早退出運行，以避免運行中的電纜頭著火。
2．2 阻燃措施
2．2．1 選用阻燃或耐火電纜
根據(jù)《電力工程電纜設計規(guī)范》，對電纜可能著
火蔓延導致嚴重事故的回路及易受外部影響引起火
災的電纜密集場所，應設置適當?shù)淖杌鸱指?，并應?
據(jù)工程重要性、火災幾率及經(jīng)濟合理性等因素選擇
阻燃電纜或耐火電纜。
2．2．2 對電纜進行合理地防火封堵
在進行防火封堵時要滿足以下幾點要求：(1)
要有完整的防止電纜火災延燃的設計；(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械強度。
2．2．3 安裝火災自動報警系統(tǒng)
由于傳統(tǒng)防火措施的目的是為了防止電纜火災
蔓延，往往發(fā)現(xiàn)時已燒毀了大量的電纜。而運用火
災自動報警系統(tǒng)這樣現(xiàn)代化的防火措施，可以將電
纜火災撲滅在萌芽階段，能更有效地防止電纜火災
的發(fā)生。感溫探測器因其報警準確率高，近年來在
電纜隧道中得到廣泛應用，尤以纜式線型定溫探測
器和空氣管線型差溫探測器更適合電纜隧道狹長、
電纜分層敷設的特點，報警針對性強。
2．2．4 設置固定式自動滅火系統(tǒng)
電纜隧道內(nèi)火災不易人工撲滅，設置固定式自
動滅火系統(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用。
3 結(jié)束語
電纜防火是一門較新而重要的課題。在考慮電
纜防火時，我們要本著“安全第一，預防為主”的原
則。減少電纜火災事故必須健全安全管理制度，狠
抓防火措施落實和火災隱患整改，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，這樣電纜火災事故才會得到有效控制。
參考文獻：
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[2] 王功勝．變電站電纜防火措施及技術對策[J]．電線電纜，2006
(6)：39_41．
(上接第41頁J
由表1可知，系統(tǒng)有很強的抗環(huán)境干擾能力，不
會造成誤報；對于緊急事件可以實時報警并準確定
位，定位精度除極少數(shù)情況外均可控制在100 m；對
于非緊急事件可以實時預警。
3 結(jié)束語
本文討論了一種基于光纖干涉儀傳感結(jié)構(gòu)的分
布式光電復合海底電力電纜安全防護系統(tǒng)。系統(tǒng)利
用已敷設好光電復合海纜中的4根光纖完成事件信
息獲取，結(jié)合現(xiàn)代信號處理技術，實現(xiàn)了對威脅海纜
安全的緊急事件報警、定位以及非緊急事件預警。
系統(tǒng)利用浙江省舟山群島間已敷設的海底光電
復合電力電纜進行現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明，系統(tǒng)誤報
率小于1％ ，漏報率小于0．1％ ，對緊急事件的定位
精度達到100 11，對事件響應時間小于1 S，滿足了
光電復合纜安全防護的可靠性和實時性要求。
． 44 ．
參考文獻：
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