基于布里渊散射原理的在线海缆监测系统
左名久
摘 要： 针对海缆重量与长度大、造价高和周期长、工程风险高、维修难度大的缺点，提出了基于布里渊散射原理的在线海缆监测系统。该系统包括数据采集硬件和信息处理软件两部分，数据采集部分用于采集与传输海缆电源谐波信息、温度信息和应变信息；信息处理软件部分用于实现信息的接收、显示和分析等数据处理功能。实验与测试结果表明，该系统能实时获取海缆的温度及应力形变信息，及时定位海缆的故障位置，达到实时监测与预警的目的。
关键词： 海缆； 数据采集； 监测系统； 布里渊散射
中图分类号： TN913.33?34； TP319 文献标识码： A 文章编号： 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
随着海洋资源开采技术的日益成熟和海上采油平台数量的逐渐增加，海缆的数量也在不断增加。然而，一旦海缆出现故障，需要上百万的维修费用和停工减产导致的间接经济损失[1?3]。因此，有效地监测海缆的状态至关重要。
海缆存在着重量与长度大、造价高和周期长、工程风险高、维修难度大的缺点。目前海缆监测方法主要分为关键位置点监测和分布式监测[4]两种方法。其中，关键位置点监测方法主要检测海缆的局部放电情况，但这种方法只能获取海缆是否存在故障而无法了解故障的具体位置；分布式监测方法可根据所选取的物理量的不同分为拉曼散射分布式监测方法和布里渊散射分布式监测方法[5?6]。基于拉曼散射原理的方法存在精度低和散射信号弱的问题，布里渊散射方法能获取海缆的温度与应力变化信息。
海缆生产厂家通常会保留一到两根冗余光纤，本文将使用这些冗余的光纤和布里渊散射原理检测海缆的应力变化及温度变化[4，7]。这种测量方法不需要增加额外的传感器和改变海缆的结构，并能实现海缆应力与温度的实时监测。同时，本文提出了基于布里渊散射原理的在线海缆监测系统，该系统包括数据采集硬件和信息处理软件两部分。数据采集部分用于采集和传输海缆电源谐波信息、温度信息以及应变信息；信息处理软件部分用于实现信息的接收、显示和分析等数据处理功能。
1 系统总体方案
基于布里渊散射原理的在线海缆监测系统总体框架如图1所示。该系统由用于采集和传输海缆电源谐波信息、温度信息和应变信息的数据采集硬件以及用于实现信息的接收、显示和分析等数据处理功能的信息处理软件两部分组成。
系统硬件部分使用光纤布里渊频移采集设备（BOTDA）和谐波测试仪两部分组成。BOTDA通过连接海缆中冗余的光纤，实时采集应变和温度信息，并生成预定义格式的光纤数据；谐波测试仪实时检测电缆电源的谐波参数，以提供故障分析的辅助参考。
软件部分包括在线监控上位机主程序、电子海图和应力场/温度数据库。其中，上位机主程序是本监测系统的核心；电子海图用于实现可视化显示海缆信息；应力场/温度数据库用于建立光纤温度到海缆温度之间的映射。
本系统使用C/S架构实现，将数据采集与上位机软件分开设计，只要不涉及数据格式和通信违约，两部分不会互相影响。该设计有利于二次开发、加快开发进度和提高开发效率。
2 海缆在线监测系统
2.1 硬件系统
本文选用宁波诺驰光电提供的BOTDA设备采集应变和温度信息[8]。该设备的传感器采用常规的通信单模光纤，并可实现5～100 km光纤的温度与应变。
谐波会使电缆产生集肤效应，增加电缆的损耗。本文采用美国EIG生产的Nexus1500进行谐波测量，该设备具有精度高和实时分析的特点[9]。
2.2 软件系统
本监测系统的软件部分主要是实现对海缆的分布式、实时检测。软件系统主要功能划分如图2所示。
系统软件部分包括系统管理、显示、通信、数据存储、数据查询、数据操作和报警处理等功能模块。具体介绍如下：
系统管理模块：包括日志服务、用户管理和系统配置3个功能。其中，日志服务用于检测系统的运行参数和操作；用户管理用于管理用户登录名及密码；系统配置用于设置系统各类参数。
显示模块：该模块主要用于显示电网电能质量和电缆温度信息，用户可通过显示界面观测不同位置的海缆实时温度和电流、电压、谐波等电能质量信息。
通信模块：该模块用于实现BOTDA设备、电子海图和谐波测试仪与上位机的信息交互。同时，该模块也进行数据接收、网络连接与断开以及释放清理资源等功能。
数据存储模块：本系统以40 s的采样周期保存光纤和海缆的温度数据，以供日后查询；同时，保存海缆的异常信息以供分析。
数据查询模块：用户可以使用各种筛选机制查询所需的信息。
数据操作模块：该模块实现数据的处理与分析，即将上位机接收到的光纤温度信息转换为电缆温度信息，并供电子海图进行可视化显示。数据分析即根据预设的报警阈值分析比对电源谐波参数和光纤原始数据，以诊断海缆的使用状态。
报警处理模块：该模块用于发送和处理报警信息，本系统使用文字与声光等方式报警。
3 实验与结果分析
本系统基于LabWindows/CVI技术和C语言实现，系统监测主界面如图3所示。该界面显示的菜单功能包括监测显示、报警控制、谐波、电压和电流以及海缆状态等信息。
如图4所示为某区域海缆分段温度显示界面。其中，A段位于甲板下方长10 m；B段位于甲板下方到海面，长15 m；C段为从海面到海底的区域，长30 m；D段为海底盘旋的海缆，长250 m；E段为埋在海底的电缆，长2 110 m；F段长250 m为海底到平台的海缆；G段为平台到光纤盒的海缆，长20 m。通过获取海缆的温度和应力来检测海缆的使用状态，如图5所示为海缆的异常显示界面。在海缆出现异常状况时，用于文字或声光报警。从图5中可以看出，本系统能准确地定位海缆的异常温度。
4 结 语
针对海缆重量与长度大、造价高和周期长、工程风险高、维修难度大的特点，提出了基于布里渊散射原理的在线海缆监测系统。该系统包括数据采集硬件和信息处理软件两部分，数据采集部分使用光纤布里渊频移采集设备（BOTDA）和谐波测试仪采集与传输海缆电源谐波信息、温度信息以及应变信息；信息处理软件包括在线监控上位机主程序、电子海图和应力场/温度数据库，用于实现信息的接收、显示、分析等数据处理功能。实验及测试结果表明，该系统能实时获取海缆的温度和应力形变信息，及时定位海缆的故障位置，达到实时监测与预警的目的。
参考文献
[1] 李高健，王晓峰.基于GIS的复合海缆监测系统设计与实现[J].计算机应用与软件，2012，29（9）：185?187.
[2] 高红武，安博文.复合海缆在线监测研究[J].船海工程，2014，43（5）：87?89.
[3] 王海云，李璇.海缆在线监测系统在油气平台上的应用[J].电气时代，2016（3）：84?86.
[4] YI Z， SUN L， XIE D. Strong wind effects on a sea?crossing cable?stayed bridge based on monitoring data [J]. China civil engineering journal， 2014， 47（2）： 93?102.
[5] 陈晓忠，向魁.温度在线监测技术在35 kV海缆管理中的应用[J].农村电工，2016，24（2）：28?29.
[6] 杨志，柳小花，鞠森.利用有限元法分析单芯光纤复合海缆扭转与光纤应变的关系[J].电测与仪表，2016，53（23）：72?77.
[7] 李毅.复合海底电缆在线状态监测系统应用研究[D].北京：华北电力大学，2015.
[8] LI Y， ZHAO L， ZHI Y， et al. Design and realization of the submarine cable three?dimensional monitoring system based on BOTDR [J].Chinese journal of scientific instrument， 2014， 35（5）： 1029?1036.
[9] 刘征.光纤复合海底电缆故障诊断方法研究[D].北京：华北电力大学，2016.
摘 要： 针对海缆重量与长度大、造价高和周期长、工程风险高、维修难度大的缺点，提出了基于布里渊散射原理的在线海缆监测系统。该系统包括数据采集硬件和信息处理软件两部分，数据采集部分用于采集与传输海缆电源谐波信息、温度信息和应变信息；信息处理软件部分用于实现信息的接收、显示和分析等数据处理功能。实验与测试结果表明，该系统能实时获取海缆的温度及应力形变信息，及时定位海缆的故障位置，达到实时监测与预警的目的。
关键词： 海缆； 数据采集； 监测系统； 布里渊散射
中图分类号： TN913.33?34； TP319 文献标识码： A 文章编号： 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
随着海洋资源开采技术的日益成熟和海上采油平台数量的逐渐增加，海缆的数量也在不断增加。然而，一旦海缆出现故障，需要上百万的维修费用和停工减产导致的间接经济损失[1?3]。因此，有效地监测海缆的状态至关重要。
海缆存在着重量与长度大、造价高和周期长、工程风险高、维修难度大的缺点。目前海缆监测方法主要分为关键位置点监测和分布式监测[4]两种方法。其中，关键位置点监测方法主要检测海缆的局部放电情况，但这种方法只能获取海缆是否存在故障而无法了解故障的具体位置；分布式监测方法可根据所选取的物理量的不同分为拉曼散射分布式监测方法和布里渊散射分布式监测方法[5?6]。基于拉曼散射原理的方法存在精度低和散射信号弱的问题，布里渊散射方法能获取海缆的温度与应力变化信息。
海缆生产厂家通常会保留一到两根冗余光纤，本文将使用这些冗余的光纤和布里渊散射原理检测海缆的应力变化及温度变化[4，7]。这种测量方法不需要增加额外的传感器和改变海缆的结构，并能实现海缆应力与温度的实时监测。同时，本文提出了基于布里渊散射原理的在线海缆监测系统，该系统包括数据采集硬件和信息处理软件两部分。数据采集部分用于采集和传输海缆电源谐波信息、温度信息以及应变信息；信息处理软件部分用于实现信息的接收、显示和分析等数据处理功能。
1 系统总体方案
基于布里渊散射原理的在线海缆监测系统总体框架如图1所示。该系统由用于采集和传输海缆电源谐波信息、温度信息和应变信息的数据采集硬件以及用于实现信息的接收、显示和分析等数据处理功能的信息处理软件两部分组成。
系统硬件部分使用光纤布里渊频移采集设备（BOTDA）和谐波测试仪两部分组成。BOTDA通过连接海缆中冗余的光纤，实时采集应变和温度信息，并生成预定义格式的光纤数据；谐波测试仪实时检测电缆电源的谐波参数，以提供故障分析的辅助参考。
软件部分包括在线监控上位机主程序、电子海图和应力场/温度数据库。其中，上位机主程序是本监测系统的核心；电子海图用于实现可视化显示海缆信息；应力场/温度数据库用于建立光纤温度到海缆温度之间的映射。
本系统使用C/S架构实现，将数据采集与上位机软件分开设计，只要不涉及数据格式和通信违约，两部分不会互相影响。该设计有利于二次开发、加快开发进度和提高开发效率。
2 海缆在线监测系统
2.1 硬件系统
本文选用宁波诺驰光电提供的BOTDA设备采集应变和温度信息[8]。该设备的传感器采用常规的通信单模光纤，并可实现5～100 km光纤的温度与应变。
谐波会使电缆产生集肤效应，增加电缆的损耗。本文采用美国EIG生产的Nexus1500进行谐波测量，该设备具有精度高和实时分析的特点[9]。
2.2 软件系统
本监测系统的软件部分主要是实现对海缆的分布式、实时检测。软件系统主要功能划分如图2所示。
系统软件部分包括系统管理、显示、通信、数据存储、数据查询、数据操作和报警处理等功能模块。具体介绍如下：
系统管理模块：包括日志服务、用户管理和系统配置3个功能。其中，日志服务用于检测系统的运行参数和操作；用户管理用于管理用户登录名及密码；系统配置用于设置系统各类参数。
显示模块：该模块主要用于显示电网电能质量和电缆温度信息，用户可通过显示界面观测不同位置的海缆实时温度和电流、电压、谐波等电能质量信息。
通信模块：该模块用于实现BOTDA设备、电子海图和谐波测试仪与上位机的信息交互。同时，该模块也进行数据接收、网络连接与断开以及释放清理资源等功能。
数据存储模块：本系统以40 s的采样周期保存光纤和海缆的温度数据，以供日后查询；同时，保存海缆的异常信息以供分析。
数据查询模块：用户可以使用各种筛选机制查询所需的信息。
数据操作模块：该模块实现数据的处理与分析，即将上位机接收到的光纤温度信息转换为电缆温度信息，并供电子海图进行可视化显示。数据分析即根据预设的报警阈值分析比对电源谐波参数和光纤原始数据，以诊断海缆的使用状态。
报警处理模块：该模块用于发送和处理报警信息，本系统使用文字与声光等方式报警。
3 实验与结果分析
本系统基于LabWindows/CVI技术和C语言实现，系统监测主界面如图3所示。该界面显示的菜单功能包括监测显示、报警控制、谐波、电压和电流以及海缆状态等信息。
如图4所示为某区域海缆分段温度显示界面。其中，A段位于甲板下方长10 m；B段位于甲板下方到海面，长15 m；C段为从海面到海底的区域，长30 m；D段为海底盘旋的海缆，长250 m；E段为埋在海底的电缆，长2 110 m；F段长250 m为海底到平台的海缆；G段为平台到光纤盒的海缆，长20 m。通过获取海缆的温度和应力来检测海缆的使用状态，如图5所示为海缆的异常显示界面。在海缆出现异常状况时，用于文字或声光报警。从图5中可以看出，本系统能准确地定位海缆的异常温度。
4 结 语
针对海缆重量与长度大、造价高和周期长、工程风险高、维修难度大的特点，提出了基于布里渊散射原理的在线海缆监测系统。该系统包括数据采集硬件和信息处理软件两部分，数据采集部分使用光纤布里渊频移采集设备（BOTDA）和谐波测试仪采集与传输海缆电源谐波信息、温度信息以及应变信息；信息处理软件包括在线监控上位机主程序、电子海图和应力场/温度数据库，用于实现信息的接收、显示、分析等数据处理功能。实验及测试结果表明，该系统能实时获取海缆的温度和应力形变信息，及时定位海缆的故障位置，达到实时监测与预警的目的。
参考文献
[1] 李高健，王晓峰.基于GIS的复合海缆监测系统设计与实现[J].计算机应用与软件，2012，29（9）：185?187.
[2] 高红武，安博文.复合海缆在线监测研究[J].船海工程，2014，43（5）：87?89.
[3] 王海云，李璇.海缆在线监测系统在油气平台上的应用[J].电气时代，2016（3）：84?86.
[4] YI Z， SUN L， XIE D. Strong wind effects on a sea?crossing cable?stayed bridge based on monitoring data [J]. China civil engineering journal， 2014， 47（2）： 93?102.
[5] 陈晓忠，向魁.温度在线监测技术在35 kV海缆管理中的应用[J].农村电工，2016，24（2）：28?29.
[6] 杨志，柳小花，鞠森.利用有限元法分析单芯光纤复合海缆扭转与光纤应变的关系[J].电测与仪表，2016，53（23）：72?77.
[7] 李毅.复合海底电缆在线状态监测系统应用研究[D].北京：华北电力大学，2015.
[8] LI Y， ZHAO L， ZHI Y， et al. Design and realization of the submarine cable three?dimensional monitoring system based on BOTDR [J].Chinese journal of scientific instrument， 2014， 35（5）： 1029?1036.
[9] 刘征.光纤复合海底电缆故障诊断方法研究[D].北京：华北电力大学，2016.
