海缆综合监测系统设计与实现

张长明

摘 要： 海缆运行环境处于深海地带，受到海水腐蚀或是海水流动影响下很容易出现海缆运行故障问题。因此，以海缆工程项目为例开展分析，提出海缆综合监测系统设计方法，并且详细分析海缆综合监测系统实现方法。通过分析海缆运行需要，重点关注系统运行监控温度、扰动等多种因素，构建出了完善海缆综合监测系统，为海缆监测工作提供全面技术保障。

关键词： 海缆 监测系统 系统设计 系统运用

中图分类号： TM75文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）06-0031-04

Design and Implementation of the Comprehensive Monitoring System for Submarine Cables

ZHANG Changming

Panyu Operating Company， Shenzhen Branch， China Offshore Oil （China） Co.， Ltd.， Shenzhen ， Guangdong Province， 518000 China

Abstract： The operating environment of submarine cables is in the deep sea， and it is easy to appear the faults of submarine cable operation under the inflence of seawater corrosion or seawater flow. Therefore， this paper carries out analysis with a submarine cable project as an example， proposes the design method of an integrated monitoring system of submarine cables， and analyzes its implementation method in detail. The design analyzes the need of sub‐marine cable operation， focuses on various factors such as the temperature and disturbance of system operation monitoring， builds the perfect integrated monitoring system of submarine cables， which provides comprehensive technical support for submarine cable monitoring.

Key Words： Submarine cable； Monitoring system； System design； System application

海缆是当前重要的基础设施，特别是在沿海岛屿、风电场等有着极为重要的作用，为电力、通信等重要的传输措施，保障能源稳定的传输，满足人们日常工作以及生活的需要。但是在海缆投入使用之后，其面临的运行环境比较复杂，多方面的因素影响其正常的使用，如海上渔船、采砂船作业、恶劣的海底环境等，尤其在船舶的抛锚、起锚等环节，因为外部产生比较大的冲击力而导致海缆的损坏，无法满足使用要求，也会导致严重的事故发生。此外，海缆的运行的环节本身也会发生老化的反应，绝缘击穿的事故发生率较高，无法满足应用的需要。因此，建设海缆综合监测系统，进行系统的设计以及优化，各项功能达到要求，为海缆稳定的运行提供基础，也会为系统正常工作提供支持。

1 工程概况

1.1 工程需求

某A和B平台是当地的重要设施，其主开关需要安装一套海底光电复合缆综合监测系统，具体如下：

（1）系统运行监控温度、扰动等因素；

（2）监测距离在30 km以上，系统具备多通道结构；

（3）对海缆运行情况监测以及预警，防止发生绝缘击穿、产量损失等，降低维修的费用；

（4）监测海缆长度，设施配置见表1。

1.2 系统概述

在本次项目运行的环节安装一套C平台海缆在线监控系统，准确掌握温度参数，了解外部产生的扰动因素，并且集成多方面的功能。该项目中包含2根监测海缆，用光纤传感技术作为基础运行，包含多个功能性系统，掌握多条海缆的运行系统，并利用系统化平台随时获取海缆的运行情况。在系统内分布着多个子系统，整合各项技术措施，运行更具稳定性，更加完整、可靠，安全防范性能比较好，达到海缆运行的标准，系统工作质量提升。

1.3 系统组成

在该项目的海缆综合监测系统中，获取温度参数，建设扰动监测系统，以光纤传感器作为核心实现数据传输，并利用多个传感器及时获取现场运行的温度、扰动等信息，如果在海缆工作环节发生异常问题，发出警报信息，掌握运行状态，为后续的调整和管控提供基础。

2 海缆综合监测系统方案设计

在该系统设计的环节，主要的目的是对海缆温度、扰动方面实施监测，包含多个子系统共同组成整体结构，并对系统实施全面性的监控以及管理，实现成本有效控制，资源整合效果得到全面的提升，具体应用下述技术措施。

2.1 海缆温度监测系统

对于该系统在设计的环节，系统组成如下：2台温度监测主机；A平台、B平台各放置1台；应用单模光纤实施温度监测。根据系统控制的要求设置有一套分析软件，随时根据掌握的海缆温度进行分析，并且掌握过载流量，实现数据应用价值的提升。

2.2 海缆扰动监测系统

该系统包含如下内容：2台扰动监测主机；A平台、B平台各放置1台；应用单模光纤实施扰动监测。

2.3 海缆综合监控平台

该系统平台中包含两套监测系统平台，A平台、B平台各放置1台，辅助运行的部分较多，如交换机、服务器、机柜、监控软件、显示器等，通过各开关进行系统控制。

2.3.1 A平台现场情况

海缆监测系统运行中采用前后开门方式，尺寸：高2 260 cm×宽800 cm×深600 cm，正面侧部开门，背部双开门。结合上述尺寸的设计要求，在系统二次设备的运行中寻找符合要求的安装场地，确保各项功能达到要求。按照系统检修的要求，预留检修通道，为后续系统的正常工作提供基础。

2.3.2 B平台现场调研情况

该平台应用前后开门的形式，尺寸：高2 260 cm×宽800 cm×深600 cm，正面左侧开门，背部双开门，其他和B相同。

根据监测装置的外形尺寸，在二次设备间内找到一处适合并可施工安装此柜的空地。

3 海缆综合监测系统实现

3.1 海缆扰动监测系统

海缆扰动监测系统在运行中以C-OTDR技术作为原理，通过纤维振动传感系统掌握现场的各项数据信息，提高监控效果。光纤系统在投入使用之后，光脉冲的运行更加稳定。由于瑞利散射会造成能源的损耗，所以应重视散射强度的控制，掌握系统能耗的数据信息，了解到分布式光纤运行环节发生的衰减情况。在检测系统的运行中，瑞利散射光的信息获取之后，在系统链路内产生一定的扰动变化，从而出现折射率的改变，该部位的光相位发生改变，散射光的强度也会有所变化。根据系统检测的光强，实时获取各项信息，并且对比前后信号的变化，在光强变化较为明显的情况下，经过计算信号变动的具体情况，掌握反射时间因素，以确定具体的扰动部位。根据C-OTDR的工作原理，在进行光纤系统检测确定中，沿着传感光纤进行信号传输，准确地掌握各个点位的具体情况，从而了解损耗强度以及外部扰动所存在的变化，实现数据的采集以及应用，定位精度提升，也能实时报警[1]。

以C-OTDR原理作为基础研发应用海缆扰动监测系统，以分布式光纤振动监测的方式作为原理，掌握散射光更加精度，模块分析数据比较精准，掌握海缆振动的基本信息，快速识别非法入侵，使结构定位精度得到提升，且快速识别相关信息，一旦存在问题立即发出警报，避免持续发生损坏。在该系统内主机为OFSS8000，具体组成可见图1。

3.2 海缆温度监测系统

海缆的温度监测系统工作原理是拉曼散射，也就是分布式光纤监测系统，应用规定频率区间之内的光脉冲照射光纤内部。在光纤玻璃芯在系统内发生移动之后，在系统内会形成种类比较多的辐射散射，而拉曼散射对于温度具备较高的敏感性，数据掌握精度较高。在光纤信号传输的环节利用拉曼散射的方法掌握温度变化参数，了解分布范围，数据精度提升。

在光纤通信传输的环节，因为分子振动以及光子之间的能量变化而引发拉曼散射，也就是说现在光能振动后形成热振动，这就会出现光源较长的波，称为斯托克斯光（Stokes光），如果一部分振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光（Anti-Stokes光），该光强度极易受到温度波动的变化影响，但是影响很小，无法获取测量，所以不计算，而Anti-Stokes光的温度变化具备较高敏感性。AntiStokes光与Stokes光强度与温度呈现出函数变化规律。在光纤传输作业的过程中会形成部分拉曼散射光，通过通路传输，并且经过探测系统掌握数据。在系统内安装测温机，掌握温度变化的情况，从而获取AntiStokes光强度变化，得出温度参数。将OTDR技术应用到时域中，结合光纤传输速度与入射光和拉曼散射光的时间差，结合温度变化情况以实现精准定位，获取温度变化的部位。监测获取的温度变化情况，利用时域技术快速掌握光强与温度的关系，根据系统运行的要求获取数据信息，进而得出精准温度参数[2]。

3.3 海缆载流量评估软件

海缆载流量评估系统基于动态载流量模型（Dy？ namic Cable Rating，DCR）和分布式光纤测温技术（Dis？ tributed Temperature Sensor，DTS），根据系统掌握的光缆运行具体情况，获取电流数据信息，掌握温度参数，进一步确定载流信息，并对各部分运行情况模拟分析。在模型分析的环节，以多态环境作为依据，应用到复杂条件下，随时掌握温度以及负荷量变化的情况，一旦系统存在风险及时发出警报信号。根据系统监控的要求掌握负荷变化的情况，及时展开电力调度，掌握数据信息，决策信息也会更加的准确。在载流量的数据监测中，掌握的数据信息在标准条件下，且温度不超过最高温度，还要确定具体的时间跨度，界定系统温度数据变化的情况。

根据电缆运行的环境建设光缆模型，也就是DCR模型，以确定初始条件下的流量以及时间，载流量数据掌握更加的精准，并根据实际情况模拟仿真，只需要确定负荷电流曲线，就能快速掌握温度场变化的情况，了解演变的过程。在DTS出现前，DCR在计算的环节以暂态、周期性计算方式为主；选择稳态电流计量相同方式，DCR计算容易发生偏差问题。在模型处于远处模型边界的条件下，电缆结构表面以及相邻部位数据基本确定，但是边界没有明显，需要假设工作状态以得出数据。将测温光缆安装到保护层结构内，随时掌握表面温度、护层温度等数据，应用DCR模型掌握电缆周边变动情况，在敷设后即可获取信息。

3.4 海缆综合监控平台

在该平台建设完成之后，系统运行环境的复杂性比较高，需要多个条件下共同运行，监控系统运行的状态，达到适应性的要求，以NET架构和B/S架构为基础进行设计，采取4层分布式设计的方式，按照设备层、数据层、平台层、应用层布置。根据监测平台的功能性要求，在系统内布置软件、存储层、显示层、报警层等[2]。

3.4.1 数据接口设计

监测平台在设计的环节，数据接口设置极为重要，目前主要分为内部接口、对外接口的部分，具体设置如下。

（1）通过数据库接口掌握各项数据信息，达到共享和应用效果。

（2）根据要求选择合适的接口组件，完成系统内数据的交换和使用。在系统同步运行中，利用RPC远程调节的方式，异步信息利用监听机制的message方法。对外接口在设计的环节，以目前国际上应用比较多的B/S集成接口方式为主，执行网络连接技术标准，使接口运行更加顺畅，满足服务器的运行要求。

3.4.2 数据整合

该监控系统平台运行的环节，构建高质量的管控系统平台，利用监控设备采集系统运行的各项数据信息，并且实现系统的统一化、智能化的分析，最终可以构建形成完善的信息系统，随时掌握系统各个部件的运行实际情况，运行状态获取更加完善，也能提供系统各项功能服务。而在前端监控系统的设计中，通过网络连接各个部分，系统运行的功能性得到提升，还能满足数据调试、接口设计等功能，数据分享和应用效果提升[3]。为了避免在投入使用之后影响系统的运行效果，结合系统的工作要求实现升级与改善，并且统一设置系统内各个部分，达到系统监测功能性的要求[4]。前置子系统是必不可少的部分，建设监控子站部分，快速完成监测系统的运行，在数据汇总、存储、交换等方面都有明显优势，并且根据需要将其传输到监控平台内，达到在线监控运行的效果，具备互联、互通的作用[5]。

4 结语

海缆运行监测作为一项非常重要的工作，如何全面对海缆运行监控保证系统运行稳定是当前关注重点。基于海缆运行监测要求，本文结合具体需要设计出一套海缆综合监测系统设并且重点对海缆综合监测系统运用方法分析。现有研究从实际运用上分析已经得到良好效果，但是从长远考虑，还需对海缆综合监测系统进行深入研究，结合不同环境、使用条件方面做好设计方案优化，确保海缆综合监测系统功能有效发挥。

参考文献

[1]胡森.光电复合海缆在线监测系统数据发布系统设计[J].现代计算机，2019（30）：78-82.

[2]时倩玉，安博文，陈元林.基于104规约的海缆在线监测数据发布系统设计[J].现代电子技术，2021，44（3）：6-10.

[3]吴浩.基于计算机技术的海缆温度场建模及应用研究[J].粘接，2021，48（10）：76-80.

[4]张旭苹，陈晓红，梁蕾，等.长距离海缆在线监测改进型C-OTDR系统[J].光学学报，2021，41（13）：9-20.

[5]张秀峰.海缆运行监控一体化系统运用实例分析[J].机电信息，2020（36）：21-22.