左名久

摘 要： 針對海纜重量與長度大、造價高和周期長、工程風(fēng)險高、維修難度大的缺點(diǎn)，提出了基于布里淵散射原理的在線海纜監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集硬件和信息處理軟件兩部分，數(shù)據(jù)采集部分用于采集與傳輸海纜電源諧波信息、溫度信息和應(yīng)變信息；信息處理軟件部分用于實(shí)現(xiàn)信息的接收、顯示和分析等數(shù)據(jù)處理功能。實(shí)驗(yàn)與測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)時獲取海纜的溫度及應(yīng)力形變信息，及時定位海纜的故障位置，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警的目的。

關(guān)鍵詞： 海纜； 數(shù)據(jù)采集； 監(jiān)測系統(tǒng)； 布里淵散射

中圖分類號： TN913.33?34； TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0159?03

Abstract： Aiming at the characteristics of long cable length， high cost， long cycle， high engineering risk and difficult maintenance of undersea cable， an online undersea cable monitoring system based on Brillouin scattering principle is proposed. The system is composed of two parts： data acquisition hardware and information processing software. The data acquisition part is used for collecting and transmitting the harmonic information， temperature information and strain information of the submarine cable power supply. The information processing software part is used to realize the data processing functions of data reception， display and analysis. The test results show that the system can obtain the temperature and stress deformation information of the submarine cable in real time， and locate the fault location of the submarine cable in time to achieve the purpose of real?time monitoring and early warning.

Keywords： undersea cable； data acquisition； detection system； Brillouin scattering principle

0 引 言

隨著海洋資源開采技術(shù)的日益成熟和海上采油平臺數(shù)量的逐漸增加，海纜的數(shù)量也在不斷增加。然而，一旦海纜出現(xiàn)故障，需要上百萬的維修費(fèi)用和停工減產(chǎn)導(dǎo)致的間接經(jīng)濟(jì)損失[1?3]。因此，有效地監(jiān)測海纜的狀態(tài)至關(guān)重要。

海纜存在著重量與長度大、造價高和周期長、工程風(fēng)險高、維修難度大的缺點(diǎn)。目前海纜監(jiān)測方法主要分為關(guān)鍵位置點(diǎn)監(jiān)測和分布式監(jiān)測[4]兩種方法。其中，關(guān)鍵位置點(diǎn)監(jiān)測方法主要檢測海纜的局部放電情況，但這種方法只能獲取海纜是否存在故障而無法了解故障的具體位置；分布式監(jiān)測方法可根據(jù)所選取的物理量的不同分為拉曼散射分布式監(jiān)測方法和布里淵散射分布式監(jiān)測方法[5?6]。基于拉曼散射原理的方法存在精度低和散射信號弱的問題，布里淵散射方法能獲取海纜的溫度與應(yīng)力變化信息。

海纜生產(chǎn)廠家通常會保留一到兩根冗余光纖，本文將使用這些冗余的光纖和布里淵散射原理檢測海纜的應(yīng)力變化及溫度變化[4，7]。這種測量方法不需要增加額外的傳感器和改變海纜的結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)海纜應(yīng)力與溫度的實(shí)時監(jiān)測。同時，本文提出了基于布里淵散射原理的在線海纜監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集硬件和信息處理軟件兩部分。數(shù)據(jù)采集部分用于采集和傳輸海纜電源諧波信息、溫度信息以及應(yīng)變信息；信息處理軟件部分用于實(shí)現(xiàn)信息的接收、顯示和分析等數(shù)據(jù)處理功能。

1 系統(tǒng)總體方案

基于布里淵散射原理的在線海纜監(jiān)測系統(tǒng)總體框架如圖1所示。該系統(tǒng)由用于采集和傳輸海纜電源諧波信息、溫度信息和應(yīng)變信息的數(shù)據(jù)采集硬件以及用于實(shí)現(xiàn)信息的接收、顯示和分析等數(shù)據(jù)處理功能的信息處理軟件兩部分組成。

系統(tǒng)硬件部分使用光纖布里淵頻移采集設(shè)備（BOTDA）和諧波測試儀兩部分組成。BOTDA通過連接海纜中冗余的光纖，實(shí)時采集應(yīng)變和溫度信息，并生成預(yù)定義格式的光纖數(shù)據(jù)；諧波測試儀實(shí)時檢測電纜電源的諧波參數(shù)，以提供故障分析的輔助參考。

軟件部分包括在線監(jiān)控上位機(jī)主程序、電子海圖和應(yīng)力場/溫度數(shù)據(jù)庫。其中，上位機(jī)主程序是本監(jiān)測系統(tǒng)的核心；電子海圖用于實(shí)現(xiàn)可視化顯示海纜信息；應(yīng)力場/溫度數(shù)據(jù)庫用于建立光纖溫度到海纜溫度之間的映射。

本系統(tǒng)使用C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)采集與上位機(jī)軟件分開設(shè)計(jì)，只要不涉及數(shù)據(jù)格式和通信違約，兩部分不會互相影響。該設(shè)計(jì)有利于二次開發(fā)、加快開發(fā)進(jìn)度和提高開發(fā)效率。

2 海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)

本文選用寧波諾馳光電提供的BOTDA設(shè)備采集應(yīng)變和溫度信息[8]。該設(shè)備的傳感器采用常規(guī)的通信單模光纖，并可實(shí)現(xiàn)5～100 km光纖的溫度與應(yīng)變。

諧波會使電纜產(chǎn)生集膚效應(yīng)，增加電纜的損耗。本文采用美國EIG生產(chǎn)的Nexus1500進(jìn)行諧波測量，該設(shè)備具有精度高和實(shí)時分析的特點(diǎn)[9]。

2.2 軟件系統(tǒng)

本監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分主要是實(shí)現(xiàn)對海纜的分布式、實(shí)時檢測。軟件系統(tǒng)主要功能劃分如圖2所示。

系統(tǒng)軟件部分包括系統(tǒng)管理、顯示、通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)操作和報警處理等功能模塊。具體介紹如下：

系統(tǒng)管理模塊：包括日志服務(wù)、用戶管理和系統(tǒng)配置3個功能。其中，日志服務(wù)用于檢測系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和操作；用戶管理用于管理用戶登錄名及密碼；系統(tǒng)配置用于設(shè)置系統(tǒng)各類參數(shù)。

顯示模塊：該模塊主要用于顯示電網(wǎng)電能質(zhì)量和電纜溫度信息，用戶可通過顯示界面觀測不同位置的海纜實(shí)時溫度和電流、電壓、諧波等電能質(zhì)量信息。

通信模塊：該模塊用于實(shí)現(xiàn)BOTDA設(shè)備、電子海圖和諧波測試儀與上位機(jī)的信息交互。同時，該模塊也進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、網(wǎng)絡(luò)連接與斷開以及釋放清理資源等功能。

數(shù)據(jù)存儲模塊：本系統(tǒng)以40 s的采樣周期保存光纖和海纜的溫度數(shù)據(jù)，以供日后查詢；同時，保存海纜的異常信息以供分析。

數(shù)據(jù)查詢模塊：用戶可以使用各種篩選機(jī)制查詢所需的信息。

數(shù)據(jù)操作模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與分析，即將上位機(jī)接收到的光纖溫度信息轉(zhuǎn)換為電纜溫度信息，并供電子海圖進(jìn)行可視化顯示。數(shù)據(jù)分析即根據(jù)預(yù)設(shè)的報警閾值分析比對電源諧波參數(shù)和光纖原始數(shù)據(jù)，以診斷海纜的使用狀態(tài)。

報警處理模塊：該模塊用于發(fā)送和處理報警信息，本系統(tǒng)使用文字與聲光等方式報警。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本系統(tǒng)基于LabWindows/CVI技術(shù)和C語言實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)監(jiān)測主界面如圖3所示。該界面顯示的菜單功能包括監(jiān)測顯示、報警控制、諧波、電壓和電流以及海纜狀態(tài)等信息。

如圖4所示為某區(qū)域海纜分段溫度顯示界面。其中，A段位于甲板下方長10 m；B段位于甲板下方到海面，長15 m；C段為從海面到海底的區(qū)域，長30 m；D段為海底盤旋的海纜，長250 m；E段為埋在海底的電纜，長2 110 m；F段長250 m為海底到平臺的海纜；G段為平臺到光纖盒的海纜，長20 m。通過獲取海纜的溫度和應(yīng)力來檢測海纜的使用狀態(tài)，如圖5所示為海纜的異常顯示界面。在海纜出現(xiàn)異常狀況時，用于文字或聲光報警。從圖5中可以看出，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確地定位海纜的異常溫度。

4 結(jié) 語

針對海纜重量與長度大、造價高和周期長、工程風(fēng)險高、維修難度大的特點(diǎn)，提出了基于布里淵散射原理的在線海纜監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集硬件和信息處理軟件兩部分，數(shù)據(jù)采集部分使用光纖布里淵頻移采集設(shè)備（BOTDA）和諧波測試儀采集與傳輸海纜電源諧波信息、溫度信息以及應(yīng)變信息；信息處理軟件包括在線監(jiān)控上位機(jī)主程序、電子海圖和應(yīng)力場/溫度數(shù)據(jù)庫，用于實(shí)現(xiàn)信息的接收、顯示、分析等數(shù)據(jù)處理功能。實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)時獲取海纜的溫度和應(yīng)力形變信息，及時定位海纜的故障位置，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警的目的。

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