一种海上风电场海缆监测与保护系统和方法
阅读说明：本技术 一种海上风电场海缆监测与保护系统和方法 (Offshore wind farm submarine cable monitoring and protecting system and method ) 是由 赵鹏程 齐革军 陈晓路 杭兆峰 刘溟江 姚中原 杨立华 孙正标 刁新忠 周峰峰 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海上风电场海缆监测与保护系统和方法,方法包括以下过程,对海缆的温度、应变和扰动状态进行实时监测,通过船舶自动识别系统获取船舶信息,并在海缆外部设置电子围栏,依据船舶信息中的船舶航速对进入电子围栏的船舶发出警报；依据船舶自动识别系统获取的数据预测船舶的轨迹方向,通过雷达对船舶进行跟踪,对船舶进行视屏拍摄,并对船舶进行驱离,对海缆故障点进行定位分析。本发明实现集海缆状态监测、AIS船舶信息监测与雷达扫描、轨迹预测、视频存证于一体的海缆全方位监测与保护,从而保障了海缆的运行安全。能够从海缆运行状态及船舶危害预警等各方便对海缆实行保护。(The invention discloses a system and a method for monitoring and protecting an offshore wind farm submarine cable, wherein the method comprises the following processes of monitoring the temperature, strain and disturbance state of the submarine cable in real time, acquiring ship information through an automatic ship identification system, arranging an electronic fence outside the submarine cable, and giving an alarm to a ship entering the electronic fence according to the ship speed in the ship information; the track direction of the ship is predicted according to data acquired by the automatic ship identification system, the ship is tracked through a radar, the ship is shot in a view screen mode, the ship is driven away, and a submarine cable fault point is located and analyzed. The invention realizes the comprehensive monitoring and protection of the submarine cable by integrating the state monitoring of the submarine cable, the AIS ship information monitoring and radar scanning, the track prediction and the video evidence storage, thereby ensuring the operation safety of the submarine cable. The submarine cable can be conveniently protected from the operation state of the submarine cable, the early warning of ship damage and the like.)
技术领域
本发明属于海缆监测与保护技术领域，具体属于一种海上风电场海缆监测与保护系统和方法。
背景技术
海缆在电压等级和绝缘技术上不断提高，以及高压光电复合海缆在线监测是未来发展的趋势。日本学者Toshio Nishimoto等利用光时域反射技术(optical time domainreflectometer，ΦOTDR)在线监测20km66 kV交联聚乙烯海缆外界损伤情况。日本学者HirohumiTayama与Toshiaka Hara分别利用分布式光纤拉曼温度传感器(Raman opticaltime domain reflectometer，ROT-DR)对6.6kV和500kV交联聚乙烯海缆温度进行了监测。国内针对电缆在线监测技术研究开展的要晚一些，且主要针对陆上电缆，海底电缆监测研究较少。陈军、杨耿杰、张振鹏等人分别采用RΦOTDR技术实现了陆上高压电缆的温度在线监测。虽然以上研究显著地推动了海底电缆监测技术的进步，但是仍然无法满足海底电缆实时在线监测的实际要求。RΦOTDR技术只能测量海缆沿线的温度分布情况，且测量距离短；ΦOTDR技术只能在海缆已经被侵害事件破坏产生断裂后进行检测，无法实现侵害事件的实时在线监测和提前预警。2009年，蒋奇、杨黎鹏等人提出将布里渊光时域反射(rillouin optical time domain reflectometer，ΦOTDR)技术应用于海底电缆监测，并以三芯高压海缆为研究对象，在实验室中搭建了电缆模型，初步验证了其有效性，但并未研究三相单芯高压海缆，且未在真实海底环境下对海缆进行测试，更未实现基于ΦOTDR的海缆在线监测系统。
综上所述，目前针对海底电缆在线监测技术的研究采用的ΦOTDR、RΦOTDR技术已无法满足海底电缆实时在线监测的需求，不能对海底电缆进行准确的监测和诊断，不能准确识别海底电缆存在的故障。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种海上风电场海缆监测与保护系统和方法，能够从海缆运行状态及船舶危害预警等各方便对海缆实行保护。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种海上风电场海缆监测与保护方法，包括以下过程，对海缆的温度、应变和扰动状态进行实时监测，通过船舶自动识别系统获取船舶信息，并在海缆外部设置电子围栏，依据船舶信息中的船舶航速对进入电子围栏的船舶发出警报；依据船舶自动识别系统获取的数据预测船舶的轨迹方向，通过雷达对船舶进行跟踪，对船舶进行视屏拍摄，并对船舶进行驱离，对海缆故障点进行定位分析。
优选的，具体包括以下步骤，
步骤1，对海缆温度、应变和扰动的状态进行实时监测；
步骤2，建立海上船舶自动识别系统，当船舶经过海上风电场时，获取船舶信息；
步骤3，在海缆外设立分级分区域电子围栏，当船舶进入电子围栏区域时进行警告；
步骤4，获取船舶自动识别系统中的数据，预测船舶轨迹方向，进行锚害预警；
步骤5，采用雷达扫描对船舶进行跟踪；
步骤6，通过摄像装置对船舶进行监控，并实时上传至计算机；
步骤7，当船舶威胁到海缆安全时，对船舶进行喊话驱离；
步骤8，采用Φ-OTDR技术对受损部位进行定位。
进一步的，步骤1中，海缆温度、应变和扰动的状态通过海缆监测传感器进行实时监测，监测精度为1m。
进一步的，步骤2中，所述船舶信息包括动态信息和静态信息，动态信息为船舶的即时速度、航向、改变航向率、航迹和告警信息；
所述静态信息包括船名、呼号、吨位、吃水、船厂船宽、装在货物和目的港。
进一步的，步骤3中，依据船舶和海缆距离以及船舶航速，分别在距离海缆500米、300米和100米处建立三级电子围栏。
进一步的，步骤4中，获取船舶自动识别系统中的经纬度坐标数据，将经纬度坐标转换成墨卡托坐标，通过对墨卡托坐标进行聚类分析，进而预测船舶轨迹方向，进行锚害预警。
进一步的，步骤4中的转换公式为
式中，地理坐标为墨卡托直角坐标为(x,y)，地球椭圆长为a，地球第一偏心率为e。
进一步的，步骤5中，具体包括以下过程，
步骤5.1，雷达扫描到第一帧数据中，选取一个测量值记为航迹头，依据航迹头建立航迹档案；
步骤5.2，根据雷达扫描到目标船舶的速度和加速度及雷达扫描周期确定初始波门，雷达进行第二次扫描数据中选取落入初始波门内的所有点迹信息，与步骤5.1中的航迹头分别建立暂态航迹，每对量测值相关联的速度计算公式为；
v(2)＝(r(2)-r(1))/ts
步骤5.3，根据目标运动方程对每个暂态轨迹进行外推，外推点位置计算公式为：
r(3)＝r(2)+v(2)·ts
步骤5.4，建立以外推点为中心、半径为r的接收门，在第三次扫描中如果没有测量值位于接收门门限值内，则暂态轨迹终止，则没有正确起始；如果有多个测量值位于接收门门限内，暂态航迹会裂变为多支，与前面暂态航迹进行关联，求得加速度为：
a(3)＝(v(3)-v(2))/ts
预测第四次相关波门的中心位置为：
步骤5.5，重复步骤5.2至步骤5.4，直到形成一条稳定的航迹，对船舶进行跟踪。
进一步的，步骤7中，通过甚高频或定向喇叭对船舶进行喊话驱离。
一种海上风电场海缆监测与保护系统，包括监测模块、船舶自动识别系统、电子围栏模块、预测模块、视屏拍摄模块和定位模块；
所述监测模块用于对海缆温度、应变和扰动状态进行实时监测；
所述船舶自动识别系统用于获取船舶信息；
所述电子围栏模块用于对海缆进行分区预警；
所述预测模块用于预测船舶运动轨迹；
所述视屏拍摄模块用于对船舶进行监控；
所述定位模块用于对海缆的受损部位进行定位。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出一种海上风电场海缆监测与保护方法，基于海缆温度、应变和扰动的监测与报警，报警阈值根据海缆历史数据进行动态调整；基于AIS的船舶信息监测，根据船舶与海缆位置与船舶航速实现分级分区域电子围栏；AIS船舶数据挖掘与轨迹预测，实现船舶危害的预警；雷达扫描与船舶跟踪；红外与可见光视频拍摄存证，通过与AIS船舶坐标联动，实现跟踪拍摄；船舶驱离采用甚高频技术和定向高音喇叭；海缆故障点定位可缩小海缆故障排查范围，精准采取措施。本发明实现集海缆状态监测、AIS船舶信息监测与雷达扫描、轨迹预测、视频存证于一体的海缆全方位监测与保护，从而保障了海缆的运行安全。
附图说明
图1为本发明一种海上风电场海缆监测与保护系统结构示意图；
图2为本发明基于数据挖掘的轨迹分析过程。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种海上风电场海缆监测与保护方法，具体包括以下步骤，
步骤1：基于海缆温度、应变及扰动实现海缆状态的实时监测；
步骤2：基于AIS主站获取海缆区域实时船舶信息，包括各船舶的即时速度、航向、改变航向率、航迹、告警信息等动态信息，以及船名、呼号、吨位、吃水、船厂船宽、装在货物、目的港等静态信息。
步骤3：基于海缆电子围栏技术的船舶及锚害分级分区域报警；
步骤4：基于AIS船舶轨迹数据挖掘的船舶预警；
步骤5：针对某些船舶未安装AIS装备或AIS停止运行的情况，采用雷达扫描技术与AIS基站作为互补方案；
步骤6：利用可见光、红外视频拍摄技术实现危害船舶的存证；
步骤7：利用甚高频电台和定向喇叭对进入警戒区域的船舶进行驱离；
步骤8：利用海缆监测数据分析实现异常点定位。
步骤1中的温度应力和扰动数据来自于海缆监测传感器，传至数据采集工控机，由工控机处理后转发至计算服务器；
步骤2中的AIS船只数据来自于自建的海上AIS基站，由AIS接收器接收处理后转发至计算服务器；
步骤5中的雷达数据来自于海上升压站上建立的岸基雷达，收据由雷达处理器终端接收后转发至计算服务器。
实施例
如图1和图2所示，本实施例中一种海上风电场海缆监测与保护系统，包括监测模块、船舶自动识别系统、电子围栏模块、预测模块、视屏拍摄模块和定位模块；
监测模块用于对海缆温度、应变和扰动状态进行实时监测；船舶自动识别系统用于获取船舶信息；电子围栏模块用于对海缆进行分区预警；预测模块用于预测船舶运动轨迹；视屏拍摄模块用于对船舶进行监控；定位模块用于对海缆的受损部位进行定位。
本实施例一种海上风电场海缆监测与保护方法，具体包括以下步骤，
步骤1：基于海缆的温度、应变和扰动数据实现海缆状态的实时监测及报警，监测精度为1m，海缆的温度及应变越限报警。
基于海缆实际运行数据进行挖掘，获得海缆温度、应变基准值，通过计算海缆的实时温度、应变与基准值获得相对变化量，变化量过大时海缆状态报警。
步骤2：建立海上船舶自动识别系统(AIS)，在海上甚高频频段内采用自组织时分多址技术(SOTDMA)船舶播发船舶信息，系统可接受到各船舶的即时速度、航向、改变航向率、航迹、告警信息等动态信息，以及船名、呼号、吨位、吃水、船厂船宽、装在货物、目的港等静态信息。
步骤3：结合船舶和海缆距离以及船舶航速，实现海缆分级分区域电子围栏，在距离海缆500米、300米和100米共建立三级电子围栏，船舶以航速大于5节进入三级警戒区后分别进行3级闯入预警、2级闯入报警和1级闯入报警；船舶以航速小于5节进入500米警戒区、300米警戒区和100米警戒区，进行3级锚泊预警、2级锚泊预警和1级锚泊预警；船舶以航速小于1.2节进入100米警戒区且停留持续时间超过30分钟，进行驱离警告；
步骤4：轨迹分析实现对海量数据的空间挖掘分析，AIS中的位置点坐标是以经纬度形式存储的，要满足轨迹相似性度量及可视化现实的需求，要把地理坐标转成墨卡托坐标。通过对AIS数据转换而成的地理空间数据指定空间相似性度量标准，运用数据挖掘理论中的聚类分析，根据轨迹数据特征选择迭代自组织的数据分析算法(ISODATA)，将划定保护区域内大量无序轨迹信息变为有规律信息，发现该区域内船舶运动规律与特征模式，提取并生成轨迹特征模式库，预测该区域内船舶轨迹方向，提前进行锚害预警。
设地理坐标为墨卡托直角坐标为(x,y)，地球椭圆长为a，地球第一偏心率为e，转换公式为：
步骤5：基于雷达扫描结果实现船舶跟踪，首先是计算航迹起始，根据雷达多次的扫描数据获取监控区域内潜在的目标，采用逻辑法建立航迹起始，进行目标船舶的轨迹甄 别，具体包括以下步骤：
步骤5.1，雷达扫描到第一帧数据中，选取一个测量值记为航迹头，同时以此航迹头建立航迹档案；
步骤5.2，根据扫描到目标船舶的速度和加速度，以及雷达扫描周期等参数确定初始波门，雷达进行第二次扫描数据中选取落入该初始波门内的所有点迹信息，与(1)中的航迹头分别建立暂态航迹，每对量测值相关联是速度计算公式为；
v(2)＝(r(2)-r(1))/ts
步骤5.3，根据目标运动方程对每个暂态轨迹进行外推，外推点位置计算公式为：
r(3)＝r(2)+v(2)·ts
步骤5.4，建立以该外推点为中心、半径为r的接收门，在第三次扫描中如果没有测量值位于该没门限值内，则暂态轨迹终止，认为没有正确起始；如果有多个测量值位于该门限内，暂态航迹会裂变为多支，与前面暂态航迹进行关联，求得加速度为：
a(3)＝(v(3)-v(2))/ts
预测第四次相关波门的中心位置为：
步骤5.5，重复以上步骤5.2，直到形成一条稳定的航迹。
步骤6：根据AIS信息中的经纬度数据计算云台所需要旋转的角度，自动给云台发送控制命令，将摄像机旋转到船只所在角度，并进行录像。为海缆事故理赔提供有力证据，从而全方位地保障了海底电缆安全运行。
读取AIS系统的数据库，提取该时间段内的AIS数据，查看所有船舶的详细航行轨迹以及轨迹线上每一个关键点的历史时间和经纬度信息，依据船舶历史轨迹分析调查肇事船舶，实现轨迹回放，为锚挂事故的调查分析提供真实有力的证据。同时，利用AIS所提供的经纬度信息调取视频监控系统中保存的相关视频，为确定肇事船舶提供视频图像。
步骤7：对违规进入保护区域的船舶威胁到海缆安全时，通过甚高频对船舶进行喊话驱离；同时对无法接收甚高频信号的船只，采用定向喇叭喊话驱离，保障海缆附近区域的安全。
步骤8：首先使用基于Φ-OTDR技术的振动传感器，测量海缆内部光纤受外界扰动时产生的振动信号，对海缆进行了不同位置、类型和距离的扰动试验，将测得的瀑布图进行对比研究，发现振动监测系统定位扰动距离在10m范围内；不同类型的扰动产生的振动信号，其频率、持续时间不同，反映的瀑布图不同；能够测量距离海缆4m及4m以内的扰动信号。结果表明该监测系统的定位精度为5m，扰动点定位范围缩小，可节省时间和精力；可以根据信号的频率和持续时间区分扰动类型，便于更有针对性地排除扰动；不仅能够探测到海缆自身受到的扰动，还能对周边扰动预警，其灵敏度高，增强了海缆的安全性。Φ-OTDR技术能够在海缆受到可能的外力前发出预警，降低海缆被破坏的几率。
本发明中通过将ΦOTDR技术应用到真实海底电缆在线监测，并结合船舶自动识别系统(auto-matic identification system，AIS)和视频监控系统(videomonitoringsystem，VMS)，实现了110kV三相单芯高压光电复合海缆三维立体在线监测系统，且针对该系统设计与实现进行了深入系统地分析。ΦOTDR技术可实现单模光纤的实时在线监测，获取光纤每一点的应变/温度信息，从而获取海缆运行状态信息。AIS可实时记录海底电缆禁锚区过往船舶的船号、位置、航速等信息，提取报警点周围的可能肇事船只的信息并与VMS联动，实现对海缆故障隐患监测定位和视频记录，为海缆事故理赔提供有力证据，从而全方位地保障了海底电缆安全运行。同时系统的实现和长期稳定投运也验证了ΦOTDR技术在海缆在线监测应用中的有效性。
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