丁昕煒，張亮，牛旻

(中國(guó)石油西南油氣田公司 通信與信息技術(shù)中心，四川 成都 610000)

進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)許多大型油氣田都開啟了數(shù)字化油氣田的建設(shè)[1-2]，從而促進(jìn)了油氣田光通信網(wǎng)的建設(shè)與投用。隨著油氣田光纜服役年限的增加以及光纜經(jīng)過(guò)轄區(qū)的城市擴(kuò)建、道路施工、新農(nóng)村建設(shè)、人為破壞等因素，油氣田光纜的安全運(yùn)行正受到嚴(yán)重威脅。

油氣田光纜故障將直接影響光纜屬地及沿線二級(jí)單位的業(yè)務(wù)，包括辦公電話、辦公網(wǎng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸、生產(chǎn)視頻監(jiān)控等，如果光纜故障處理不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)、安全不可控，勢(shì)必造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文以西南油田為例，探討光纜故障快速檢測(cè)與處理技術(shù)的應(yīng)用。

1 油氣田常見光纜故障類型

目前西南油田已形成了三橫、兩縱雙環(huán)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3]，由于建設(shè)的年限較早，光纜里程長(zhǎng)，加上外界因素，光纜故障時(shí)有發(fā)生，光纜故障原因分為以下四類： 外力因素引發(fā)的故障、自然災(zāi)害引發(fā)的故障、人為故障、光纜自身原因造成的故障。

2 油氣田人工光纜故障檢測(cè)處理方法

油氣田光纜故障原因及主要表現(xiàn)形式見表1所列[4-5]。

油氣田目前發(fā)生光纜故障主要采用人工方式檢測(cè)與處理故障，處理流程步驟： 屬地或運(yùn)維負(fù)責(zé)單位通知線路運(yùn)行維護(hù)人員光纜中斷；光通信運(yùn)行維護(hù)人員前往對(duì)應(yīng)場(chǎng)站利用光時(shí)域反射儀(OTDR)

測(cè)試光纜，分析測(cè)試波形，確定故障點(diǎn)的大概位置；根據(jù)故障點(diǎn)大概位置，沿光纜走向勘查尋找光纜斷點(diǎn)；在光纜斷點(diǎn)處重新布放相同規(guī)格型號(hào)的光纜，用光纜熔接機(jī)接續(xù)光纜。

表1 油氣田光纜故障原因及主要表現(xiàn)形式

2.1 OTDR的工作原理

OTDR光纜故障檢測(cè)主要基于光在光纜中傳輸會(huì)發(fā)生瑞利(Rayleigh)散射和菲涅耳(Fresnel)反射來(lái)進(jìn)行光纜檢測(cè)，再利用OTDR測(cè)試得到的光纜參數(shù)曲線分析確定故障點(diǎn)，OTDR工作原理如圖1所示[6-8]。

圖1 OTDR工作原理示意

圖1中，脈沖發(fā)生器發(fā)生電信號(hào)驅(qū)動(dòng)光耦合器的光發(fā)射器發(fā)射光信號(hào)；光信號(hào)在被測(cè)光纜中傳播，不斷發(fā)生瑞利散射和菲涅耳反射，散射和反射回來(lái)的光被光耦合器的光接收器所接收；接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在對(duì)電信號(hào)放大、采樣、保持、量化時(shí)，將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而得到出現(xiàn)斷點(diǎn)的光纜長(zhǎng)度、光功率等參數(shù)，并在顯示器顯示[9-10]。

1)出現(xiàn)斷點(diǎn)的光纜長(zhǎng)度計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：L——光纜起始點(diǎn)至A點(diǎn)的長(zhǎng)度；t——光信號(hào)從開始檢測(cè)到接收A點(diǎn)的散射光信號(hào)所需的時(shí)間；c——光速，c=3×108m/s；n1——光纜纖芯的折射率。

2)光纜斷點(diǎn)處接收到的光功率計(jì)算如式(2)所示：

PA=sP0e-2aL

(2)

式中：PA——A點(diǎn)處接收的返回光功率，W；P0——光纜入射點(diǎn)處的光功率，W；s——光纜背向散射系數(shù)；a——光纜傳輸衰減系數(shù)，dB/km。

2.2 曲線分析法

曲線分析法是人工查找光纜故障、確定故障點(diǎn)的主要方法，下面以某段光纜實(shí)測(cè)正常曲線與故障曲線比對(duì)結(jié)果，介紹光纜故障判斷的處理方法。

2.2.1 正常曲線

選取一段長(zhǎng)度為82 km的光纜進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，正常運(yùn)行光纜測(cè)得的曲線在起點(diǎn)處會(huì)有個(gè)大的衰減，同時(shí)在光纜末端有很高的反射峰，起點(diǎn)到末端之間的曲線整體呈平滑下降趨勢(shì)，遇到光纜熔接衰耗點(diǎn)、跳接點(diǎn)時(shí)，光纜曲線在熔接點(diǎn)處會(huì)有臺(tái)階，而在跳接點(diǎn)處有很高的反射峰。通常情況下，只要整條線路的光衰減小于26 dB，業(yè)務(wù)通信正常，即可判定為非故障光纜。圖2為1條光纜的正常測(cè)試曲線，該測(cè)試曲線中既有跳接點(diǎn)，又有異常事件點(diǎn)。位置2處發(fā)生了強(qiáng)反射峰，說(shuō)明該位置為跳接點(diǎn)；位置7處有1個(gè)反射峰，若起始點(diǎn)S至位置7的距離約為起始點(diǎn)S至位置2距離的2倍時(shí)，可判定位置7實(shí)際為位置2的幻峰，該點(diǎn)無(wú)損耗。末端E位置處有反射峰，實(shí)測(cè)距離82.18 km，接近實(shí)際光纜長(zhǎng)度值，表明該段光纜正常。

圖2 正常光纜測(cè)試曲線示意

2.2.2 故障曲線

故障曲線與正常曲線相比，最大的特點(diǎn)就是光纜斷點(diǎn)處有很大的衰減。如果故障點(diǎn)處沒(méi)有反射峰或反射峰很小，可初步判定光纜故障及位置；若想進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷光纜是否中斷，可在光纜兩端ODF架上進(jìn)行雙向測(cè)試，兩端測(cè)試的斷點(diǎn)位置長(zhǎng)度累加近似等于該段線路的總長(zhǎng)，即可確定斷點(diǎn)為光纜故障點(diǎn)位置。此外，光纜1芯中斷不代表光纜全斷，要測(cè)試光纜的所有芯，確定是否全斷。圖3為一段82 km光纜中斷后，所有纖芯的測(cè)試曲線，可以發(fā)現(xiàn)所有纖芯都在68 km位置處有個(gè)大衰減，是個(gè)很明顯的光纜中斷現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)得的故障點(diǎn)位置，光纜維護(hù)人員根據(jù)運(yùn)維資料可前往現(xiàn)場(chǎng)找到故障點(diǎn)，并進(jìn)行光纜接續(xù)處理[11-14]。

圖3 故障光纜測(cè)試曲線示意

3 光纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

隨著數(shù)字化油氣田光纜里程數(shù)的增加，光纜故障量也在大幅增加。筆者在人工式光纜故障處理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了油氣田光纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纜運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可省去人為測(cè)試、判斷故障點(diǎn)環(huán)節(jié)，提高了光纜故障處理效率。

光纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三層，最底層是光纜監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)，中間層是后臺(tái)服務(wù)器層，最頂層是客戶端[15-17]。光纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示。

1)光纜監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)。主要功能是進(jìn)行光纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和處理，主要包括光纜監(jiān)測(cè)單元、信號(hào)處理單元、GSM模塊。光纜監(jiān)測(cè)可采取在線監(jiān)測(cè)、備用纖、跨段監(jiān)測(cè)等方式[18-20]。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于跨段監(jiān)測(cè)方式，融合華為光通信網(wǎng)管系統(tǒng)，當(dāng)網(wǎng)管系統(tǒng)提示光纜中斷時(shí)，光纜測(cè)試模塊對(duì)光纜線路進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)處理單元提取和處理測(cè)得的故障光纜信號(hào)的時(shí)間、光衰耗等參數(shù)，從而得出故障點(diǎn)位置信息。GSM模塊可以將光纜故障點(diǎn)信息以短信方式發(fā)送到光纜維護(hù)人員的巡檢儀上。

2)后臺(tái)服務(wù)器層。主要提供GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、后臺(tái)控制程序、其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接四類服務(wù)。

a)GIS可以將光纜的位置、走向等參數(shù)記錄下來(lái)，方便查找各條光纜線路跳接點(diǎn)、大衰點(diǎn)、故障點(diǎn)等位置信息。

b)數(shù)據(jù)庫(kù)可以記錄保存各條光纜的測(cè)試數(shù)據(jù)，跳接點(diǎn)、大衰點(diǎn)、故障點(diǎn)的各類參數(shù)信息，方便數(shù)據(jù)管理。

c)后臺(tái)控制程序，即完成光纜監(jiān)測(cè)任務(wù)。

d)其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接服務(wù)，即通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的向上網(wǎng)絡(luò)級(jí)接口(TCP/IP，XML，CORBA)對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行的光通信巡檢系統(tǒng)的光纜位置、巡檢點(diǎn)位置、光纜路由走向等參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢、參數(shù)提取，從而實(shí)現(xiàn)與光通信巡檢系統(tǒng)的資源共享。

3)客戶端。光纜運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件(Windows客戶端)與光纜故障處理軟件(App軟件)相結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)油氣田光纜的監(jiān)測(cè)與維護(hù)。通常，在調(diào)度室安裝Windows客戶端軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)油氣田的光纜運(yùn)行狀態(tài)，遇到故障時(shí)，光纜運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)顯示故障線路名稱、故障光纜型號(hào)、故障點(diǎn)位置信息。光纜故障處理App軟件安裝在運(yùn)維人員手機(jī)終端上，當(dāng)光纜發(fā)生故障時(shí)，光纜運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)向終端發(fā)送1條短信，包含故障線路名稱、故障光纜型號(hào)、故障點(diǎn)位置信息等。運(yùn)維人員可通過(guò)App自帶GIS，查找、處理光纜故障點(diǎn)。

圖4 光纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)示意

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了油氣田光纜故障快速檢測(cè)與處理技術(shù)，介紹了目前油氣田常見的光纜故障類型，分析了目前人工式光纜故障處理方法，在該基礎(chǔ)上提出了油氣田光纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纜運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)，并針對(duì)光纜突發(fā)故障可實(shí)時(shí)顯示故障點(diǎn)信息，同時(shí)可將故障光纜的線路名稱、光纜類型、位置等信息發(fā)送至光纜維護(hù)人員手機(jī)終端平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)快速處理油氣田光纜故障，大幅提升了故障處理效率，有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值。