海底电缆全天候安全监控技术应用

摘要：海底电缆由于缺乏有效的安全监控技术，导致船舶锚害肇事等外力破坏事故时有发生，严重影响了跨海电网安全稳定运行。针对现有海底电缆海域监控技术的不足，采用了光电一体化雷达装置与AIS系统融合联动，进行远近配合优势互补的长距离海底电缆安全监控技术方案。介绍了光电一体化雷达系统组成和工作原理，并通过实际应用案例阐述光电一体化雷达系统对长距离海底电缆海域全天候、全方位安全监控流程。技术应用取得显著效果，支撑了海底电缆持续稳定安全运行，推广应用前景广阔。

关键词：海底电缆 全天候安全监控 光电雷达 视频监控 AIS

引言

近年来随着中国沿海经济快速发展和海洋资源不断开发，跨海电网正不断以更高电压等级向沿海及其附近岛屿延伸联网。特别是随着海上风力发电等清洁能源持续开发利用，海底电缆电压等级越来越高、敷设长度越来越长。由于海底电缆敷设海域相对狭窄、水深浪急海况复杂，受过往船舶锚害肇事和海洋作业等各种外力破坏，导致海底电缆故障甚至断裂停电事故时有发生，严重影响了沿海岛屿国防安全、工农业生产和城乡人民的正常用电。

根据国际大电网会议(CIGRE)统计，80%以上海底电缆故障是由于船舶锚害肇事等外力破坏所引发，是危及海底电缆持续稳定运行的主要安全隐患，严重威胁了跨海电网安全稳定运行 [1-2]。

1 现有监控技术局限性

2010年起国网福建省电力有限公司利用首条国产化110 kV光电复合海底电缆的光纤资源，率先开展海底电缆综合监测技术研究，对海底电缆温度、应变运行状态实时在线监测、海底电缆故障点定位以及事故断点快速磁探测等进行了研究，取得多项关键技术突破。并根据海底电缆运行中锚害肇事多发的突出安全问题，对长度3.5 km的福建平潭海底电缆海域进行安全监控技术研究，采用了红外热成像仪与长焦大镜头可见光摄像机组成海上视频监控装置，通过船舶自动识别系统(automatic identification system，AIS)接收海底电缆敷设走廊海域附近过往船舶的船号船体、船舶类型、船位(经纬度)和艏向、航速等信息，进行识别判断。当发现船舶抛锚或有抛锚趋势时，自动控制摄像机转动跟踪肇事可疑船舶，实现对海底电缆上方海域过往船舶24 h不间断监控，为后期可能的船舶锚害肇事理赔提供了影像证据，取得了阶段性研究成果[3-7]，如图1所示。

理论上红外热成像仪与长焦大镜头组成的海上视频监控装置的有效监控范围可达3~5 km，但从海底电缆海域视频监控装置多年来运行情况分析发现，在海上雨雾异常气候及夏季台风等船舶锚害高发的时间段内，其有效监测距离却大大缩短，夜间红外热成像仪海面监测效果达不到预期效果。由于现有视频监控装置固有的局限性，无法在异常天气情况下准确及时地发现海底电缆海域船舶锚害等外力破坏安全隐患，实际监控范围和安全防范效果大为降低。

随着海上风电等清洁能源持续开发利用，跨海电能输送消纳的距离越来越长，长度超过10 km的海底电缆应用越来越多，现有视频监控技术已无法满足对长距离海底电缆海域的安全监控需求。为此，亟需研发一种满足对长距离、大范围海域的海底电缆进行全天候安全监控的技术。

2 全天候监控技术方案

为了解决现有视频监控距离有限的问题，对长度<10 km、>5 km的海底电缆海域安全监控，在海底电缆监控领域多年采用视频监控技术的成熟应用基础上，根据实际情况在登陆点两侧附近寻找满足安装条件的现有建筑物，分别安装2套由可见光成像、红外热成像仪组成的全天候视频监控装置，通过电力专用通信网络和海底电缆复合光纤将登陆点两侧视频装置进行联网互动，并与海底电缆综合监测系统中AIS融合联动，实现对海底电缆海域全方位监控。本方案因地制宜简捷实用，具有节约投资费用、缩短建设周期等优势，在正常气候条件下可满足对海底电缆海域走廊主航道上过往船舶安全监控的需求。

对长度>10 km的长距离海底电缆海域的安全监控，经过充分调研和可行性验证，引入了不受气候因素影响的海面雷达探测技术。通过在海面雷达上增加可见光成像、红外热成像多波段高分辨率传感器和长焦镜头组成的视频装置，构成光电一体化雷达监控系统，对海底电缆海域范围内进行船舶探测扫描。

海上雷达和视频摄像均属于地平线范围内观测设备，一般海边现有建筑物1.7 m高度的地平线距离为4.6 km，10 m、50 m和100 m高度的地平线距离分别为11 km、25 km和32 km。因此，通过综合考虑地球曲率影响和远距离海上目标探测的有效性进行分析评估后，结合海底电缆实际跨海长度，将雷达天线安装在海底电缆登陆点附近山头约80 m高度平台上，并与AIS系统融合联动，可基本满足约30 km海域内的海底电缆安全监控需求，如图2所示。

从图2可知，视频装置对有效视距范围内过往船舶拍摄的图像清晰直观，并可满足海岸线附近的锚害肇事高发海域范围内船舶影像监控要求，但船舶影像及拍摄图像效果受气候因素影响较大，无法满足全天候监控要求;而天线安装在海底电缆登陆点附近山头制高点上，海面雷达的有效监控距离长、范围大，特别不受夜晚、大雾等气候条件的影响，可满足海底电缆海域全天候、超视距的监控需求，但对海岸线附近的过往船舶监控存在一定范围的“死角”和盲区。

为了实现对大范围、长距离的海底电缆所在海域的全方位覆盖和全天候安全监控，通过同时安装视频监视和海面雷达2套设备，达到监视距离上远近配合、监测功能特性上优势互补，并通过与AIS系统融合联动，实现对海底电缆海域内过往船舶全天候、全方位的安全监控[8-10]。