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]。
3 光电一体化海面雷达监控技术
3.1 海面雷达探测原理及作用
海面雷达探测系统是一套固态有源相互控制的雷达系统，主要实现大范围海面船舶目标的超视距搜索。雷达天线在工作时，通过周期性地向周围发射超高频电磁波信号，同时实时接收反射回来的电磁波，当发现进入海底电缆海域范围内目标船舶，通过锁定目标船舶进行同步跟踪，建立目标船舶的航行轨迹，并具有对目标船舶航向、航速等运动属性的测量功能。通过一套计算模型来判断所遮挡物体船舶的大小、距离等信息，从而起到探测海底电缆海域内船舶的作用。
海面雷达装置探到船舶等所测物体发回反射波，提取接收反射信号提供方位信息，经A/D转换模块转换成数据信息，再进行极坐标转换，后经图像处理后与海图坐标匹配，最后通过叠加技术形成可用雷达海图。海面雷达探测技术原理如图3所示。
海面雷达可实时不间断地搜索探测海底电缆海域范围内的船舶情况，及时发现并确认可疑目标船舶的位置。特别在夜间、浓雾等能见度低的情况下，能够全天候地监视可疑的锚害肇事船舶目标。在海岸线附近船舶锚害高发海域内，通过增强型光电成像高分辨率设备可精准识别船舶目标;配合功能完备的软件管控平台，形成雷达光电一体化海面监控系统，对海底电缆监控海域进行全方位覆盖和监控。结合AIS系统自动筛选过滤功能，实现对可疑锚害肇事船舶快速发现、远程预警和实时跟踪，对进入警戒海域可能造成锚害肇事船舶及时驱逐，确保海底电缆安全稳定运行[11-17]。
光电一体化海面雷达监控系统与现有视频监控装置比较，主要优势有：(1)点多、线长、面广、技术特征突出，可长距离、大范围、多目标地探测识别海底电缆海域过往可疑锚害肇事船舶，并有预警防范能力;(2)海面雷达和视频光电有机结合联动，实现全天候、多环境下锚害肇事船舶的远程发现、实时跟踪、隐患报警、智能处置;(3)系统可方便对雷达、光电等监测数据进行存储、外传、回放、查询，能实时查看海底电缆海域现场报警出现时的情况。
3.2 光电一体化雷达监控系统组成
光电一体化雷达监控系统主要由安装在海底电缆登陆点附近的前端雷达/视频监测装置和海底电缆远程监控中心2部分组成。
前端雷达/视频监测完成光电信号采集接收以及基础数据处理，实现视频数据、雷达数据、卫星AIS数据的识别、整合、判断处理，并将信息数据通过电力专用通信网传输至海底电缆远程监控中心，从而实现对海底电缆所在海域过往船舶的远程监控。
光电一体化雷达监控系统组成如图4所示。
(1)前端监测装置。前端监测装置包括视频采集模块、雷达模块、卫星AIS模块、远程控制模块、数据传输模块等。
视频采集模块：由远距离红外热成像仪和双目长焦可见光摄像机、云台等组成。与雷达模块、卫星AIS模块通信联动，拍摄海底电缆登陆点海域附近过往船舶影像信息。
雷达模块：由雷达信号天线、收发机、数据处理器等组成，实现长距离海底电缆大范围海域内船舶情况搜索功能，在夜间、浓雾等能见度低的情况下及时发现并确定可疑船舶目标的位置，并通过AIS与视频采集模块联动。
卫星AIS模块：配合雷达模块自动获取所探测到的海底电缆海域内船舶目标并形成航迹信息接入AIS网络，并与视频模块联动。
远程控制模块：对前端监测设备进行远程控制管理，包括设备状态转换、开关重启、云台移动等控制功能。
数据传输模块：将前端监控装置采集的数据通过电力专用通信网络与远程的输变电设备在线监测诊断系统(OMDS)的海底电缆监控中心联网，实现对海底电缆海域远程监控管理。
(2)海底电缆监控中心。海底电缆监控中心主要包括数据传输存储模块、监控中心模块、管理工作模块、远程访问模块等。将收集雷达前端装置报送的全部数据(包括雷达回波信号、雷达目标、光电视频、雷达工作状态等数据)，进行融合处理和实时记录，在监控中心实时显示海底电缆海域的实时状态，并按海底电缆管理权限分发给相关地市供电公司及分支机构显示终端。
数据存储模块：负责前端监控装置数据的接收，并对有效数据进行存储分析和维护管理。
监控中心模块：将视频数据、雷达数据、卫星AIS三者数据融合后，形成的大范围广域监控态势图，显示在海底电缆监控远程中心大屏幕上，并自动保存目标运动轨迹和光电图像，支持回放功能[18-21]。
管理工作模块：人机交互界面，完成数据结果统计显示、和设备控制操作。
远程访问模块：利用VPN隧道实现远端电脑、手机设备的访问。
可见光成像传感器和长焦镜头视频装置在现有海底电缆安全监控中已成熟应用多年，相关技术不再介绍。
4 全天候安全监控技术应用
福建中部沿海某海岛风力发电场送出消纳的海底电缆长度约14 km，采用单一的视频监控技术显然无法满足对海底电缆走廊海域的实时监控需求，根据实际情况采用光电一体化海面雷达监控技术，结合AIS系统获取海底电缆海域过往船舶实时信息。
光电一体化雷达视频监控系统运用远程光电视频设备完成长距离海底电缆大范围海域监控，减少系统安装调试时光缆、电缆的布线;360度全方位重载转台采用球形结构，降低风的阻力，具备较高的抗风能力和稳定性，最大程度降低图像抖动;转台轴系进行密封设计，防淋雨、防盐酸，满足海上恶劣的使用环境要求，大大降低系统建设难度和运行中故障率，减轻后期维护成本和工作量。
当船舶进入海底电缆轴线两侧2 km警戒范围内，设置海面雷达设备自动进入动态工作模式;当船舶进入距离海岸线5 km视频监控范围内，设置视频装置自动进入对可疑目标跟踪拍摄状态。通过近端视频监控装置和远程光电雷达系统融合联动，实现对长距离海底电缆大范围警戒海域内可能锚害肇事船舶的全天候、全方位安全监控，确保了海上风力发电持续稳定地输送消纳。安全监控工作流程如图5所示。
光电一体化雷达监控系统可以不依赖其他系统独立运行，也可以与输变电设备在线监测诊断系统(online monitoring and diagnostic system，OMDS)远程联网，通过探测海底电缆警戒区海域内所有的船舶目标，无论过往船舶是否安装有AIS设备或AIS开启与否，都能形成对海底电缆海域全覆盖态势，实现对长距离海底电缆海域的过往船舶无空隙的安全监控，保障跨海电网安全稳定运行。
由于海底电缆所在海域过往船舶等目标较多，根据国际海事组织规定，所有300 t及以上的国际航行船舶，和500 t及以上的非国际航行船舶，必须强制安装船舶自动识别系统。大量小于500 t的小型船舶对海底电缆运行威胁不大，可通过AIS系统自动滤除，让有限的海上监控资源重点关注对海底电缆安全运行危害较大的关键目标。
光电一体化雷达系统通过自动获取海底电缆警戒区域内船舶，对所有探测到可能危及海底电缆安全船舶目标形成航迹信息，接入AIS识别系统，并通过远程海底电缆监控中心的大屏幕进行实时显示。
海面过往船舶对海底电缆运行主要影响可分为3类：(1)安装并开启了AIS系统的500 t及以上民用船、公务船、渔船，这类船舶锚害可能对海底电缆安全造成影响，应予关注;(2)未安装(或未开启)AIS系统的300 t以上非法渔船、采沙船等，这类船舶是海底电缆稳定运行的最大安全隐患，应予重点关注;(3)未安装AIS系统且特征明显的其他未知目标包含军用舰船、固定目标以及300 t以下的小型船舶等，这类目标是对海底电缆运行危害不大，可通过监控系统自动筛选过滤。
对光电一体化雷达系统探测有轨迹信息的，而在AIS系统上又无实时信息显示的大中型移动目标，可能是对海底电缆危害最大的非法沙船等大中型船舶，这是重点关注监控的目标。图6显示无AIS信息300 t以上疑似非法渔船、采沙船等雷达画面。
当AIS系统和光电一体化雷达装置采集的信息数据比对出现异常时，可自动通过AIS实时接收过往船舶的航速、艏向和船号船体、船舶类型等信息自动对比分析。当识别判断为可疑船舶并可能危害海底电缆安全运行时，海底电缆监控系统自动通过海事部门AIS通知或海事执法部门强制驱逐，直至可疑船舶离开海底电缆警戒区。在海底电缆海岸线视频装置监控范围内，通过自动控制视频装置摄像机的云台转动，对附近海域可疑肇事船舶进行跟踪拍摄录像，为事后可能的海底电缆中断事故肇事逃逸理赔提供有力证据，如图7所示。
5 结语
采用光电一体化海面雷达及视频装置与AIS系统融合联动技术，克服了现有海上视频监控装置受气候条件影响大、监视距离有限等固有的局限性，实现对长距离的海底电缆大范围海域内过往船舶的全天候、全方位、不间断的安全监控，大大降低船舶锚害肇事对海底电缆运行的安全隐患，减少了因外力破坏造成海底电缆中断停电事故发生，从技术上保障了跨海电网持续稳定安全运行。研究成果先后在沿海岛屿电力跨海联网和海上风电送出消纳的多条海底电缆安全监控上推广应用，取得显著成果。随着中国“一带一路”和构建全球能源互联网倡议不断实施，技术成果在全球能源跨海互联、海上风力发电场、海上作业平台以及海洋国防安全等领域推广应用前景广阔。
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