1、第 43卷 第 1期2023年 3月光 电 子 技 术OPTOELECTRONIC TECHNOLOGYVol.43 No.1Mar.2023基于 OTDR的海风机与海底电缆在线状态监测方法陈勇1，张驰2，丁哲文2，冯磊1，贾星杰1，赵世松3，王健2，张益昕2（1.中广核（北京）新能源科技有限公司，北京 100822；2.南京大学 现代工程与应用科学学院，南京 210033；3.南京法艾博光电科技有限公司，南京 211135）摘 要：利用自研的 OTDR 系统，在福建省某海上风电场开展了演示验证，实现了对海风机机组的启动运行停机等不同工况下的状态分析与诊断，总结了不同工况下的振动特征及诊断依据
2、；以及针对海底电缆的水流冲击、锚害拖拽、抵近船只航行等监测预警功能，总结了不同海缆状态下及周边环境感知目标事件特征。实测结果证明该方案能够在线监测海风机与海底电缆状态，并有效感知周围环境，为提升海上风电场运维水平提供了可靠的技术途径。关键词：相位敏感光时域反射；海底电缆；海风机；锚害；水流冲击；工况分析中图分类号:TN919.12；TH744.3 文献标志码:A 文章编号:1005488X(2023)01005309Online Monitoring of Offshore Wind Turbines and Submarine Cables Based on OTDRCHEN Yong，ZH
3、ANG Chi，DING Zhewen，FENG Lei，JIA Xingjie，ZHAO Shisong，WANG Jian，ZHANG Yixin(1.CGN(Beijing)New Energy Technology Co.,Ltd,Beijing 100822,CHN；2.College of Engineering and Applied Sciences,Nanjing University,Nanjing 210033，CHN；3.Nanjing Fiber Photonics Technology Co.,Ltd,Nanjing 211135,CHN)Abstract：.The
4、 self-developed-OTDR system was used to demonstrate and verify in an offshore wind farm in Fujian Province.The state analysis and diagnosis of Marine blower unit under different working conditions such as start-up，operation and shutdown were realized，and the vibration characteristics and diagnosis b
5、asis under different working conditions were summarized.In addition，according to the monitoring and warning functions of submarine cable，such as current impact，anchor damage towing，sailing of approaching ships，etc.，the characteristics of target event perception under DOI：10.19453/ki.1005488x.2023.01
6、.009收稿日期：2022-12-13基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（U2001601,62175100,61975076）;内 蒙 古 自 治 区 关 键 技 术 攻 关 计 划 项 目（2019GG374）;中央高校基本科研业务费（0213-14380202）作者简介：陈 勇（1979），男,工程师，研究方向为新能源场站综合平台搭建；张 驰（1996），男,博士研究生，研究方向为分布式光纤海缆监测；丁哲文（1989），男,博士研究生，研究方向为分布式光纤输电线路监测；张益昕（1984），男,副教授，研究方向为微弱信号检测、高速数据采集、数字信号处理等。（E-mail
7、:zyxfib-）通讯作者技术与测试光 电 子 技 术第 43卷different state of submarine cable and surrounding environment were summarized.The measured results showed that the scheme could monitor the status of sea blower and submarine cable online，and effectively perceive the surrounding environment，which could provide a reli
8、able technical way to improve the operation and maintenance level of offshore wind farms.Key words：phase sensitive optical time-domain reflectometer（-OTDR）；submarine cable；offshore wind turbine；anchor damage；water flow impact；working condition analysis引 言随着我国 2030 年“碳达峰”与 2060 年“碳中和”目标的明确提出，风电在全国电力供
9、应中的占比不断提升。我国拥有着丰富且优质的海上风力资源，总海岸线长度超过 3.2 万公里，可利用海域面积超过 300万平方公里。其中，水深 550米的海域其水上 70 米高度的空中具备 5 亿千瓦的风电开发潜力1。近年来，在一系列产业政策支持下2，中国海上风电行业快速发展，装机容量持续增长。截止2021 年，海上风电累计装机 2639 万千瓦，新增装机1690万千瓦，使得中国海上风电总装机容量达到全球的 45%，成为世界上最大的海上风电生产国。然而，受海洋恶劣运行环境的影响，海上风电机组各部件尤其是塔筒和叶片故障率相较于陆上设备有明显的增高。风电系统中承担电力回输功能的海底电缆会受到海水长期侵
10、蚀、冲刷、微生物腐蚀等自然因素影响而老化、损坏。同时，随着我国海洋开发活动的不断增加，海底电缆的运行被捕捞作业、货船抛锚等破坏的情况也经常发生3。近年来，国内外多起海风机及海底电缆事故引发严重社会问题，严重影响了海上风电场的安全稳定运行4。如福建平潭海底电缆锚害导致的全岛停电5，舟山浯屿岛海底电缆磨损导致的缆体损坏，台湾海域发生地震造成的电缆体断裂，丹麦 Anholt电场海风机三个叶片的转子从风电机组分离脱落等。海上风电系统一旦发生故障，其维护作业往往依赖于特种船舶与装备6，且作业时间经常受制于天气条件，维护成本高昂。因此，对风电系统进行健康监测，提前预警可能发生的故障，降低运维成本、提高运维
11、能力，已成为海上风电发展面临的重大课题。2019 年，张雄雄等人7提出一种植入式柔性复合蒙皮形状光纤传感方法。将光纤光栅传感器植入硅胶薄层，与聚氯乙烯薄片组成复合蒙皮。建立柔性蒙皮形状传感系统，通过测得不同翼型下柔性蒙皮中光纤光栅反射谱特征及其变化规律，计算出了柔性蒙皮弯曲曲率，并重建出柔性蒙皮变形三维形状。2020 年，赵春溢等人8通过给风机叶片施加的激励来模拟叶片运行过程中产生的振动，利用马赫泽德尔干涉光纤传感系统对振动信号进行监测，得到了叶片振动的振幅和频率信息，并根据此评估叶片损伤情况。2020年，徐志钮等人将单谐波法引入布里渊光时域反射计（BOTDR）用于海缆的温度、应变测量，大大减
12、少了测量时间9。然而，上述方法通常适用于静态或准静态物理量如应变、温度、压力，不适用于对振动类动态信号的测量，从而难以实现海风机工况的在线分析及海缆扰动事件的准确判别。相位敏感光时域反射计（Phasesensitive optical timedomain reflectometer,OTDR）具 有 响 应 快（毫秒乃至亚毫秒量级）、抗电磁干扰和灵敏度高（纳应变）的优点，是在线监测海风机状态及海底电缆动态扰动事件的理想技术。2018年，南安普顿大学 Masoudi A 等人为评估海底电缆机械应力监测的可行性10，研制了一种便携式分布式振动传感器，能够监测到 10 km 海底电缆上频率低至 0
13、.1 Hz的动态扰动事件，空间分辨率为 1 m。这项研究表明，在安装阶段监测海底电缆状况时，可以使用 OTDR 传感技术来防止电缆过度弯曲和过度张力。2019年，Williams11等人利用 OTDR 监测比利时周边的海底 光 缆，观 测 到 了 万 里 之 外 发 生 的 斐 济 地 震 在0.010.1 Hz 频段的地震波相位，并观察到了相对的海表面重力波组如何产生双频地震波，取得了珍贵的研究成果。同年，加利福尼亚大学的 Lindsey12等人基于既有海缆，利用 OTDR 在蒙特雷海湾实现了地震预警监测。2021 年，南京大学张旭苹13等人提出了一种基于 OTDR 的增强型海缆损耗与扰动同
14、步监测系统，该系统是第一个能够兼容水下线缆级联中继的测振系统，实现了单跨监测距离121 km、多跨1 000 km的海缆损耗与振动同步监测。54第 1期陈勇，等：基于-OTDR的海风机与海底电缆在线状态监测方法文中利用外差相干探测 OTDR 系统，结合光纤光缆布线方法对风机塔筒和叶片进行工况监测试验，并对海底电缆进行在线状态监测及周围环境感知监测实验，为未来以 OTDR 为代表的海风机及海底电缆在线监测系统提供技术手段。1 OTDR测量原理光纤纤芯的折射率存在均匀的起伏，这些起伏的位置可以被认为是光纤中一个个离散的“散射点”。OTDR 向传感光纤发送探测光脉冲，光脉冲沿光纤传输时遇到散射点生成
15、随机的瑞利散射光信号，其中满足全反射并与探测光传输方向相反的瑞利散射光被称为瑞利背向散射信号（RBS）14。在外部声场的作用下，光纤的长度、折射率、芯径会随之发生变化，从而影响该位置 RBS 相位，如图 1所示。选择外部声场扰动区前后的两部分光纤作为参考区 R1和 R2。则这两个参考区域产生的 RBS电场表示为：|ER1=E1cos(t+o)ER2=E2cos t+o+4n(L+L)（1）其中，E1和 E2为两个区域内的 RBS 信号电场强度，是入射光的角频率，o是初始相位，为入射光的波长，L 是两参考区域内之间的光程差，L 是声场引起的光程变化，n 为光纤芯的折射率。两个参考区域的相位差可以
16、表示为:=4nL（2）由式（2）可知，L与两参考区域的相位差呈线性关系。而式（1）、（2）的光信号需要转换成电信号才能进行解调。在进行外差相干探测时，由于载波的频率 远超过平衡光电探测器（Balanced Photodetector，BPD）的响应带宽，因而式（1）会变成中频信号形式：Iout(t)EAEBsin(t+(t)-0)（3）其中，是声光调制器（Acoustooptic Modulator，AOM）引入的频移，EA是与光纤位置相关的 RBS信号光场强；EB是本振光的场强表示；(t)是散射点的相位。此中频信号是载波加载的调相信号。因此，对载波上的相位变化进行解调可以获得，从而定量地对声场进行测量15。光纤纤芯的折射率存在均匀的起伏，这些起伏的位置可以被认为是光纤中一个个离散的“散射点”。OTDR 向传感光纤发送探测光脉冲，光脉冲沿光纤传输时遇到散射点生成随机的瑞利散射光信号，其中满足全反射并与探测光传输方向相反的瑞利散射光被称为 RBS 信号。RBS 信号在叠加过程中发生干涉，接收端接收到 RBS信号曲线强度表现出随机起伏，这种与光纤中随机分布的散射点相关的随机起伏被称为相干衰