分布式光电复合海底电力电缆安全防护系统.pdf
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1、2 0 1 0年第 1 期 No 1 2 O1 0 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 l 0年 2月 Fe b 2 01 0 分布式光电复合海底 电力 电缆安全 防护系统 谢 尚然 , 屠 亦军 , 张秀峰 , 邹琪琳 , 屠 东升。 , 姜 兆公 , 张敏 , 廖延彪 ( 1 清华 大学 电子工程系 , 北 京 1 0 0 0 8 4 ; 2 舟 山电力 局 , 浙江 舟 山 3 1 6 0 0 0 ; 3 宁波诺 可电子科 技发展有 限公 司, 浙江 宁波 3 1 5 0 0 0 ) 摘要 : 介 绍 了一种基于光纤干涉仪结构 的分布
2、式光电复合海底 电力 电缆 ( 简称 光 电复 合海缆 ) 安全 防护 系统 。 系统利 用已敷设好 的光电复合 海缆 中4根光纤 实现事件 信号采 集, 结合现代 信号 处理技 术, 可对 有威胁事 件 进行预警 、 报 警及 定位。 系统提 供 了从获取威胁事件信 号到发 出各类报警信息的安全 防护整体解决方案。现 场试验证 明系统误报 率小于 1 , 漏报 率 小于 0 1 , 对 紧急事件 的定位精 度达 到 1 0 0 m, 对 事件响应 时 间小 于 1 S , 可以满足光 电复合海缆安全 防护 的可靠性和 实时性要求。 关 键 词 : 分 布 式 光 纤 传 感 ; 光 电 复合
3、 海 底 电力 电缆 ; 安 全 防 护 ; 光 纤 干 涉仪 中图分类号 : T N 8 1 8 ; T M 2 4 7 7 文献标识 码 : A 文章编 号 : 1 6 7 2 9 0 1 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 3 7 0 6 Di s t r i bu t e d S a f e t y S ys t e m f o r Co m po s i t e S ub m a r i ne Po we r Ca bl e s wi t h Opt i c Fi be r XI E S ha ng r a ne t a l ( De p a r t me n t o f El
4、e c t r o n i c En g i n e e r i n g,Qi n g h u a Un i v e r s i t y ,B e ij i n g 1 0 0 0 8 4,Ch i n a ) Abs t r a c t:A d i s t r i b ut e d s a f e t y s y s t e m b a s e d o n fibe r i n t e r f e r o me t e r f o r c o mpo s i t e s u bma r i n e p o we r ca bl e s wi t h o p t i c fi b e r( s
5、 h o r t a s c o mp o s i t e s u b ma r i n e c a b l e )i s p r e s e n t e d Th e s y s t e m c o l l e c t s e v e n t s i g n a l s b y t h e f o u r fi b e r s i n t h e i ns t a l l e d c o mp o s i t e s u bma r i n e c a bl eThe c o l l e c t e d s i g n a l s wi l l b e p r o c e s s e d b
6、 y t h e mo de r n s i g n a l p r o c e s s i ng t e c h n i q u eAs a r e s u l t ,p r e a l a r m a n d a l a r m wi l l b e s e n t f o r t h r e a t e ni n g e v e n t s a n d t h e i r l o ca t i o n wi l l b e d e t e r mi n e dTh e s y s t e m pr o v i d e s an a l l a r o u n d s a f e t y
7、s o l u t i o n f r o m c o l l e c t i n g t hr e a t e n i n g e v e n t s t o s e n d i n g a l l k i n ds o f a l a r ms Fi e l d t e s t de mo n s t r a t e d t ha t t he e r r o r a l a r m r a t e i s l e s s t h a n 1 f a i l a l a r m r a t e i s l e s s t h a n 0 1 1 o c a t i o n a c c ur
8、 a c y o f e me r g e n c y e v e n t i s 1 00 me t e r s an d r e s p on s e t i me i s l e s s t h a n l s e c o nd Th e s e da t a s a t i s f y t h e r eq u i r eme n t s o f r e l i a bi l i t y a n d r e a l t i me r e s p o ns e o f t h e s a f e t y s y s t e m for c o mp o s i t e s ub ma r
9、 i ne p o we r c a bl e s wi t h o pt i c fib e r Ke y wor ds:d i s t r i b ut e d fibe r s e n s i n g;c o mpo s i t e s ub ma r i n e p o we r c a b l e s wi t h o p t i c fib e r ;s a f e t y;fibe r i n t e r f e r o me t e r 0 引 言 近年来 , 光 电复 合 海 底 电力 电 缆 ( 简 称 光 电复 合海缆 ) 在电力传输及数据通信领域逐渐普及。这 种 新 型
10、海缆 把 电缆 和 光 缆 复合 在 一 起 , 同 时输 送 电 能 和传 输数 据 , 既 节约 成本 , 又 降低 敷 缆 施 工 次 数 , 在诸如浅海 岛屿间跨海输 电和通信应用 中备 受青 睐 。随着光 电复合 海 缆 扮 演 的角 色 日益 重 要 , 对 复 合 海缆 的安 全 防护 问题就 凸现 出来 。每 年报 道 的地 埋复合缆被盗 、 海底复合缆被船锚 钩断或损坏等事 件屡见不鲜 , 严重影响正常电力供应和数据传输 , 经 收稿 日期 : 2 0 0 9 -0 7 2 O 基 金项 目: 国家科技支撑项 目( 2 0 0 7 B A E 1 9 B 0 4 ) 作者简
11、介 : 谢 尚然 ( 1 9 8 5一) , 男 , 在读硕 士研 究生 作 者地 址 : 北京市海淀 区清华 园清华 大 学东 主楼 l 1区 3 0 3室 1 0 0 0 8 4 济损失上亿元 , 因此亟需对 已敷设复合海缆进行全 程安 全 防护 的系统 。 目前 国外 已有成 熟 的此类 产 品 出现 , 可对 海 缆沿 线有 威胁 事 件 进 行 实 时 报警 和 定 位 , 但 这类 产 品大 多价 格 昂贵 , 且 关键 技术 对我 国保 密 。近年来 , 国 内也 逐 渐 在加 强 复 合 海 缆 安全 防护 领域 的研 究 和开发 , 但 目前还 没 有 能 够 满 足 工程
12、要 求 的产 品出现 , 只 能依 赖进 口。 光纤 传感 技术 的 发展 为光 电复合 海缆 的安 全 防 护提供了简单有效的解决方案。利用光电复合海缆 中光纤作为传感单元 , 结合先进 的分布式光纤传感 技术 , 可以在不重新施 工的情况下完成对海缆 的安 全防护 , 这对于在实际工程中确保海缆的安全有重 要意义。基于光纤干涉仪结构的分布式光纤传感器 适用于大跨度 、 长距离 、 环境复杂的传感环境 , 具有 事件 检测 灵敏 度高 、 响 应速 度快 等特 点 , 而且可 以实 时对有威胁事件进行定位 。 , 十分适合长距离光电 复合海缆的安全防护。本系统即利用这种光纤传感 2 0 1
13、0年第 1 期 No 1 2 Ol 0 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca bl e 2 0 1 0年 2月 Fe b, 2 01 0 相应 接 口焊接 在一起 , 对 缆本 身不 用做 任何 改 动 , 大 大降低 了施工难度 , 保证 了系统的工程可用性 和可 靠性。 采用 双 光 纤 干 涉 仪 结 构 不 仅 可 以 进 行 事 件 检 测 , 而 且可 以进 行 事 件 定位 。利 用 探 测 到 的 两路 干 涉信号间的时延信息 , 借助现代信号处理手段 , 就可 以准 确估计 事 件发 生 的 位 置 , 试 验 证 明 定 位 精 度 能 够 满
14、足要求 。 1 3控 制 子 系统 控 制子 系统 的任 务 是对 传感 子系 统采 集 到的信 号进行分析处理 , 给出报警 信号。传感子系统输 出 控制子 系统 的两路干涉光信号 , 首先需要进行光电转换 , 经放大 和 滤波 去除 部分 噪 声 , 利 用 高 速 采集 卡 把 模 拟信 号 转化为数字信号 ; 之后再利用信号处理单元 中设计 好 的事 件类 型识 别 和 事 件定 位 算 法 , 对 两 路 数 字 干 涉信号进行分析处 理 , 给出事件属性 , 包括事件有 无 、 事件 级别 以及 事件 位 置 ; 最 后在 有威胁 事 件发生 的情 况 下 由通信 报 警 单元 发
15、 出报 警 信 号 , 并 通 过 网 络将事件信息传输到 中央控制室。由 以上流程 可 知 , 在控制子系统 中, 光发光 收单元是基 础, 信号处 理单 元 是核 心 , 通 信报 警 单 元 是 扩 展 。光 发 光 收单 元 的结 构框 图如 图 4所 示 。 图 4 光发光 收单元 结构框图 光发 光 收单元 是 整 个 系统 正 常 工 作 的 基 础 , 需 要确保光发( 激光器线宽 、 输出功率等参数 ) 的稳定 性和光收( 光 电转换 、 放大 、 滤波 等环节) 的低信噪 比。为保 证光 源 的线 宽 稳 定 性 , 激 光 器 采 用 窄 线 宽 蝶形激光器 , 由专用驱
16、动芯片驱动其输入 电流; 同时 设计 温度 控制 反馈 回路 确 保 激 光 器 输 出 功 率 稳定 。 为提高接收信号信噪 比, 光电转换 部分采用 Ma x i m 公司专用光电二级管检测芯片 , 之后设计 R C回路 控制子系统 滤除高频噪声。整个单元中的所有元器件均集成在 单块 电路 板上 , 由统 一稳 压 电源供 电。 信号处理单元是在软件算法层 面对两路干涉信 号进行分析处理。根据光发光收单元提供的信号, 通过调用算法控制通信报警单元发出信息。现有系 统 的信号处理算法通过工控机实现 , 下一代 系统会 将全部算法移植到嵌入式芯片。信号处理单元的结 构 框 图如 图 5所 示
17、。 传 感子系统 进行 确 定 判断 信 号 光发 境一 通信 I_J 高速 报警 事件 事件 事件 _一 预 - 采集 光收 单元 I预警 l 定位 级别 有 无 处理 单元 引 导光 4 - _ 1 报 警 I 信息 I I I J 信号处理单元 图 5 信 号处 理单元结构框 图 输入信号首先 以一定采样率进行 A D转换 , 之 后进行软件滤波等信号预处理 , 为后续分析做准备。 事件信号处理过程分为三个层次 : 判断事件有无 、 确 定事件级别 、 进 行事件定位 。不同级别 的事件在信 号处 理 的流程 上有 所 不 同。对 于直 接作 用在 光缆 上 的 紧急事 件 ( 如 切
18、割 铠 装 、 船 舶 抛 锚 砸 在 光 缆 上 ) , 系统迅速给出报警信 号, 并调用定位算法准确给 出 事件位置 , 为事件处理争取时间 ; 对于未接触或轻微 触碰光缆的非紧急事件 ( 如人在光缆周 围走 动、 船 锚落在光缆附近) , 虽然没有达到紧急 的程度 , 但很 有 可 能会 发展 为 紧急 事 件 , 因此 系 统 迅速 给 出预 警 信 号 , 但 为保证 定位 精度 不立 刻调 用定位 算 法 ; 对 于 3 9 2 0 1 0年第 1期 No 1 2 Ol O 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca bl e 2 0 1 0年 2月 Fe
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