DQZHAN技術訊：海底電纜全天候**監(jiān)控技術應用
摘要：海底電纜由于缺乏有效的**監(jiān)控技術，導致船舶錨害肇事等外力破壞事故時有發(fā)生，嚴重影響了跨海電網(wǎng)**穩(wěn)定運行。針對現(xiàn)有海底電纜海域監(jiān)控技術的不足，采用了光電一體化雷達裝置與AIS系統(tǒng)融合聯(lián)動，進行遠近配合優(yōu)勢互補的長距離海底電纜**監(jiān)控技術方案。介紹了光電一體化雷達系統(tǒng)組成和工作原理，并通過實際應用案例闡述光電一體化雷達系統(tǒng)對長距離海底電纜海域全天候、全方位**監(jiān)控流程。技術應用取得顯著效果，支撐了海底電纜持續(xù)穩(wěn)定**運行，推廣應用前景廣闊。
關鍵詞：海底電纜 全天候**監(jiān)控 光電雷達 視頻監(jiān)控 AIS
引言
近年來隨著中國沿海經(jīng)濟快速發(fā)展和海洋資源不斷開發(fā)，跨海電網(wǎng)正不斷以更高電壓等級向沿海及其附近島嶼延伸聯(lián)網(wǎng)。特別是隨著海上風力發(fā)電等清潔能源持續(xù)開發(fā)利用，海底電纜電壓等級越來越高、敷設長度越來越長。由于海底電纜敷設海域相對狹窄、水深浪急海況復雜，受過往船舶錨害肇事和海洋作業(yè)等各種外力破壞，導致海底電纜故障甚至斷裂停電事故時有發(fā)生，嚴重影響了沿海島嶼國防**、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)人民的正常用電。
根據(jù)國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)統(tǒng)計，80%以上海底電纜故障是由于船舶錨害肇事等外力破壞所引發(fā)，是危及海底電纜持續(xù)穩(wěn)定運行的主要**隱患，嚴重威脅了跨海電網(wǎng)**穩(wěn)定運行 [1-2]。
1 現(xiàn)有監(jiān)控技術局限性
2010年起國網(wǎng)福建省電力有限公司利用首條國產(chǎn)化110 kV光電復合海底電纜的光纖資源，率先開展海底電纜綜合監(jiān)測技術研究，對海底電纜溫度、應變運行狀態(tài)實時在線監(jiān)測、海底電纜故障點定位以及事故斷點快速磁探測等進行了研究，取得多項關鍵技術突破。并根據(jù)海底電纜運行中錨害肇事多發(fā)的突出**問題，對長度3.5 km的福建平潭海底電纜海域進行**監(jiān)控技術研究，采用了紅外熱成像儀與長焦大鏡頭可見光攝像機組成海上視頻監(jiān)控裝置，通過船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)接收海底電纜敷設走廊海域附近過往船舶的船號船體、船舶類型、船位(經(jīng)緯度)和艏向、航速等信息，進行識別判斷。當發(fā)現(xiàn)船舶拋錨或有拋錨趨勢時，自動控制攝像機轉(zhuǎn)動跟蹤肇事可疑船舶，實現(xiàn)對海底電纜上方海域過往船舶24 h不間斷監(jiān)控，為后期可能的船舶錨害肇事理賠提供了影像證據(jù)，取得了階段性研究成果[3-7]，如圖1所示。
理論上紅外熱成像儀與長焦大鏡頭組成的海上視頻監(jiān)控裝置的有效監(jiān)控范圍可達3~5 km，但從海底電纜海域視頻監(jiān)控裝置多年來運行情況分析發(fā)現(xiàn)，在海上雨霧異常氣候及夏季臺風等船舶錨害高發(fā)的時間段內(nèi)，其有效監(jiān)測距離卻大大縮短，夜間紅外熱成像儀海面監(jiān)測效果達不到預期效果。由于現(xiàn)有視頻監(jiān)控裝置固有的局限性，無法在異常天氣情況下準確及時地發(fā)現(xiàn)海底電纜海域船舶錨害等外力破壞**隱患，實際監(jiān)控范圍和**防范效果大為降低。
隨著海上風電等清潔能源持續(xù)開發(fā)利用，跨海電能輸送消納的距離越來越長，長度超過10 km的海底電纜應用越來越多，現(xiàn)有視頻監(jiān)控技術已無法滿足對長距離海底電纜海域的**監(jiān)控需求。為此，亟需研發(fā)一種滿足對長距離、大范圍海域的海底電纜進行全天候**監(jiān)控的技術。
2 全天候監(jiān)控技術方案
為了解決現(xiàn)有視頻監(jiān)控距離有限的問題，對長度<10 km、>5 km的海底電纜海域**監(jiān)控，在海底電纜監(jiān)控領域多年采用視頻監(jiān)控技術的成熟應用基礎上，根據(jù)實際情況在登陸點兩側(cè)附近尋找滿足安裝條件的現(xiàn)有建筑物，分別安裝2套由可見光成像、紅外熱成像儀組成的全天候視頻監(jiān)控裝置，通過電力專用通信網(wǎng)絡和海底電纜復合光纖將登陸點兩側(cè)視頻裝置進行聯(lián)網(wǎng)互動，并與海底電纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)中AIS融合聯(lián)動，實現(xiàn)對海底電纜海域全方位監(jiān)控。本方案因地制宜簡捷實用，具有節(jié)約投資費用、縮短建設周期等優(yōu)勢，在正常氣候條件下可滿足對海底電纜海域走廊主航道上過往船舶**監(jiān)控的需求。
對長度>10 km的長距離海底電纜海域的**監(jiān)控，經(jīng)過充分調(diào)研和可行性驗證，引入了不受氣候因素影響的海面雷達探測技術。通過在海面雷達上增加可見光成像、紅外熱成像多波段高分辨率傳感器和長焦鏡頭組成的視頻裝置，構成光電一體化雷達監(jiān)控系統(tǒng)，對海底電纜海域范圍內(nèi)進行船舶探測掃描。
海上雷達和視頻攝像均屬于地平線范圍內(nèi)觀測設備，一般海邊現(xiàn)有建筑物1.7 m高度的地平線距離為4.6 km，10 m、50 m和100 m高度的地平線距離分別為11 km、25 km和32 km。因此，通過綜合考慮地球曲率影響和遠距離海上目標探測的有效性進行分析評估后，結(jié)合海底電纜實際跨海長度，將雷達天線安裝在海底電纜登陸點附近山頭約80 m高度平臺上，并與AIS系統(tǒng)融合聯(lián)動，可基本滿足約30 km海域內(nèi)的海底電纜**監(jiān)控需求，如圖2所示。
從圖2可知，視頻裝置對有效視距范圍內(nèi)過往船舶拍攝的圖像清晰直觀，并可滿足海岸線附近的錨害肇事高發(fā)海域范圍內(nèi)船舶影像監(jiān)控要求，但船舶影像及拍攝圖像效果受氣候因素影響較大，無法滿足全天候監(jiān)控要求;而天線安裝在海底電纜登陸點附近山頭制高點上，海面雷達的有效監(jiān)控距離長、范圍大，特別不受夜晚、大霧等氣候條件的影響，可滿足海底電纜海域全天候、超視距的監(jiān)控需求，但對海岸線附近的過往船舶監(jiān)控存在一定范圍的“死角”和盲區(qū)。
為了實現(xiàn)對大范圍、長距離的海底電纜所在海域的全方位覆蓋和全天候**監(jiān)控，通過同時安裝視頻監(jiān)視和海面雷達2套設備，達到監(jiān)視距離上遠近配合、監(jiān)測功能特性上優(yōu)勢互補，并通過與AIS系統(tǒng)融合聯(lián)動，實現(xiàn)對海底電纜海域內(nèi)過往船舶全天候、全方位的**監(jiān)控
