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分布式光电复合海底电力电缆安全防护系统

文档作者：谢尚然屠亦军张秀峰邹琪琳屠东升姜兆公张敏廖延彪 ( 文档来源： 1．清华大学电子工程系 2．舟山电力局 3．宁波诺可电子科技发展有限公司，		点击数： 8 1	更新时间： 2025年02月22日
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2010年第1期
No．1 2O10
电线电缆
Electric Wire＆ Cable
20l0年2月
Feb．．2010
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，北京100084；2．舟山电力局，浙江舟山316000；
3．宁波诺可电子科技发展有限公司，浙江宁波315000)
摘要：介绍了一种基于光纤干涉仪结构的分布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100 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；光电复合海底电力电缆；安全防护；光纤干涉仪
中图分类号：TN818；TM247．7 文献标识码：A 文章编号：1672~901(2010)01—0037—06
Distributed Safety System for Com posite Subm arine Power Cables with Optic Fiber
XIE Shang—ran．et al
(Department of Electronic Engineering，Qinghua University，Beijing 100084，China)
Abstract：A distributed safety system based on fiber interferometer for composite submarine power cables with optic
fiber(short as composite submarine cable)is presented．The system collects event signals by the four fibers in the
installed composite submarine cable．The collected signals will be processed by the modern signal processing tech—
nique．As a result，pre—alarm and alarm will be sent for threatening events and their location will be determined．The
system provides an all—around safety solution from collecting threatening events to sending all kinds of alarms． Field
test demonstrated that the error—alarm rate is less than 1％ ．fail—alarm rate is less than 0．1％ ．1ocation accuracy of e—
mergency event is 1 00 meters and response time is less than l second．These data satisfy the requirements of reliabili—
ty and real—time response of the safety system for composite submarine power cables with optic fiber．
Key words：distributed fiber sensing；composite submarine power cables with optic fiber；safety；fiber interferometer
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：2009-07—2O
基金项目：国家科技支撑项目(2007BAE19B04)
作者简介：谢尚然(1985一)，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l1区
303室[100084]．
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

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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Maxim
公司专用光电二级管检测芯片，之后设计RC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。
传感子系统
● ●
进行 确定 判断 信号 发
单报通信元警 I．预．警．Jl 事定位件 事级件别 事有件无 ●一 处预理 ·●—- 采高速集 光单元收 引 导光 境一 "4- _1I报警 ●
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
· 39·
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环境噪声和干扰信号(如雷电等自然因素以及动物
误撞)，系统不给出报警信号。总体来说，事件信号
处理采用的准则为Neyman—Pearson准则 ，即在保
证误报率不超过一定限度的前提下，最小化漏报率，
优先保证紧急事件报警的准确率和定位精度。
对事件有无和事件级别的判断，是基于不同类
事件在各个域内表现特征不同。通过提取有效特征
向量，对事件类型加以区别。事件定位的主要任务
就是进行时延估计 ，根据实际信号的特征(如事
控制子系统
件起始时间、信噪比大小)不同，在时延估计前需要
对原始信号在不同域内进行预处理，以提高时延估
计的精度。
通信报警单元的任务是根据信号处理单元给出
的预警报警信息和事件定位结果迅速启动报警装
置，并在软件用户界面上用电子地图的方式形象地
标识出事件级别及事件发生位置，同时利用网络把
事件信息发送到中央控制室。本单元结构框图如图
6所示。
图6 通信报警单元结构框图
由于各类报警信号需要同时迅速发出，因此设
计通信报警控制模块以同时驱动各类报警装置，包
括警笛、警灯，以及监控摄像头、陆地海事信息系统
等第三方设备。除此之外，还要在软件用户界面上
形象地显示出事件属性，并自动保存事件El志。本
系统所设计的图形化用户界面如图7所示。
图7 图形化用户界面
发啦 出． 各类报警信息的苎光 电复合海缆安全防护竺整 体解 2⋯现场⋯试’验一
决方案，已经是比较成熟的产品，具有很大的工程应 2．1 试验环境
用价值。 系统在浙江省舟山群岛的某两海岛之间的海底
· 40·
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光电复合电力电缆上进行了现场试验，缆全长3450
In，试验时天气晴好。
2．2 试验结果及分析
3．45
3．40
3．35
>
3-3O
3．25
3 20
接收信号信噪比是衡量传感子系统性能的重要
指标。试验中采集到的典型背景噪声和事件信号波
形如图8所示。
3．5
3．O
2．5
>
2．0
1．5
1．O
I 、’
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
数据点数门×10 数据点数／1×10
a)典型背景噪声 b)典型事件波形
图8 典型背景噪声和事件波形
由图中背景噪声和事件信号的峰值可以算得系
统接收信号信噪比约为30 dB，可以满足后续处理
要求。
现场试验中，测试了系统功能及性能指标，并用
各种不同的人造事件来模拟实际可能发生的事件。
根据当地电力部门反映的情况，海底光电复合电力
电缆可能遇到的主要威胁事件是渔船抛锚砸在缆上
或船锚钩住缆，导致海缆损坏甚至折断。当船锚直
接触碰到海缆时为紧急事件，需立即报警并给出事
件位置；当船锚落在缆附近时要给出预警信息，防止
船舶继续移动使锚钩住海缆。试验中令潜水员在海
底用铁管敲击海缆来模拟船锚直接触碰海缆等水下
紧急事件，令铅球落在海缆附近来模拟水下非紧急
事件。当地敷设的光电复合海缆从电力塔引出后，
需经过一段陆地部分后人海，因此还可以利用未入
海复合缆对陆地上可能发生的威胁事件(如切割铠
装、异物落在缆附近)进行模拟。试验中用石块棱
角触碰缆来模拟切割铠装等陆地紧急事件，令铅球
落在缆附近来模拟陆地非紧急事件。
现场每组试验均进行若干组，测试了系统误报
率、漏报率、定位精度以及响应速度等性能指标。各
组试验目的、组数及指标值如表1所示。
表1 现场试验结果
试验项目 试验目的 试验组数 误报率 漏报率 定位精度 响应时间
测试系统抗环境干扰 60组(1_6级
风力对系统影响 能力 风各 o％
lO组)
测试引导光缆对系统
小锤敲击引导光缆 影响 1O o％
测试水下紧急事件报
潜水员用铁管直接敲击海缆 40 0％ 0％ 均为lOO m <1 S
警定位功能
测试陆地紧急事件报 I7组为100 m，
用石块棱角磕碰海缆来入水部分 警定位功能 20 0％ 0％ 3组 为 200 <1 s
m
用5O kg重物坠落于水下离海缆 测试水下非紧急事件
27 0％ 0％ <1 s
300 em处 预警功能
用21 kg重铅球在陆地上从40 cm 测试陆地非紧急事件
60 O％ 0％ <1 S
高处落在离海缆150 cm位置 预警功能
(下转第44页)
· 4l ·
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2．1．3 加强对电缆的监视和管理
健全电缆防火管理、维护、检查等各项规章制
度。坚持定期巡视检查主电缆隧道、各电缆夹层、锅
炉及汽轮机房的电缆。重视对380 V低压动力电缆
的运行管理，认真及时进行电缆预防性试验，及时发
现电缆存在的缺陷、隐患和可能引起电缆着火的外
部情况。
电缆终端头尽量不要放在电缆沟、电缆隧道、电
缆槽盒、电缆夹层内。对那些放在电缆沟、电缆隧
道、电缆槽盒、电缆夹层内的电力电缆终端头、中间
接头必须登记造册，加强监视(最好用远红外线测
温仪定期测温)。若发现电缆头有不正常温升时，
应及早退出运行，以避免运行中的电缆头着火。
2．2 阻燃措施
2．2．1 选用阻燃或耐火电缆
根据《电力工程电缆设计规范》，对电缆可能着
火蔓延导致严重事故的回路及易受外部影响引起火
灾的电缆密集场所，应设置适当的阻火分隔，并应根
据工程重要性、火灾几率及经济合理性等因素选择
阻燃电缆或耐火电缆。
2．2．2 对电缆进行合理地防火封堵
在进行防火封堵时要满足以下几点要求：(1)
要有完整的防止电缆火灾延燃的设计；(2)必须保
证防火材料是合格产品；(3)必须保证防火封堵的
严密性；(4)必须保证防火材料封堵的厚度；(5)必
须保证防火封堵有足够的机械强度。
2．2．3 安装火灾自动报警系统
由于传统防火措施的目的是为了防止电缆火灾
蔓延，往往发现时已烧毁了大量的电缆。而运用火
灾自动报警系统这样现代化的防火措施，可以将电
缆火灾扑灭在萌芽阶段，能更有效地防止电缆火灾
的发生。感温探测器因其报警准确率高，近年来在
电缆隧道中得到广泛应用，尤以缆式线型定温探测
器和空气管线型差温探测器更适合电缆隧道狭长、
电缆分层敷设的特点，报警针对性强。
2．2．4 设置固定式自动灭火系统
电缆隧道内火灾不易人工扑灭，设置固定式自
动灭火系统尤为必要。气体灭火系统(卤代烷、
CO 、N：)、水喷雾灭火系统、高倍泡沫灭火系统等在
电缆隧道中都得到了应用。
3 结束语
电缆防火是一门较新而重要的课题。在考虑电
缆防火时，我们要本着“安全第一，预防为主”的原
则。减少电缆火灾事故必须健全安全管理制度，狠
抓防火措施落实和火灾隐患整改，做到未雨绸缪、防
患于未然，最大限度地减少电缆着火和延燃的可能
性，这样电缆火灾事故才会得到有效控制。
参考文献：
[1] GB 50229-2006 火力发电厂与变电站设计防火规范[s]．
[2] 王功胜．变电站电缆防火措施及技术对策[J]．电线电缆，2006
(6)：39_41．
(上接第41页J
由表1可知，系统有很强的抗环境干扰能力，不
会造成误报；对于紧急事件可以实时报警并准确定
位，定位精度除极少数情况外均可控制在100 m；对
于非紧急事件可以实时预警。
3 结束语
本文讨论了一种基于光纤干涉仪传感结构的分
布式光电复合海底电力电缆安全防护系统。系统利
用已敷设好光电复合海缆中的4根光纤完成事件信
息获取，结合现代信号处理技术，实现了对威胁海缆
安全的紧急事件报警、定位以及非紧急事件预警。
系统利用浙江省舟山群岛间已敷设的海底光电
复合电力电缆进行现场试验。结果表明，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100 11，对事件响应时间小于1 S，满足了
光电复合缆安全防护的可靠性和实时性要求。
． 44 ．
参考文献：
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