油氣田光纜故障快速檢測與處理技術(shù)研究

丁昕煒，張亮，牛旻

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

進入21世紀(jì)，中國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)過轄區(qū)的城市擴建、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，會導(dǎo)致生產(chǎn)、安全不可控，勢必造成一定的經(jīng)濟損失。因此，本文以西南油田為例，探討光纜故障快速檢測與處理技術(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，加上外界因素，光纜故障時有發(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與處理故障，處理流程步驟： 屬地或運維負(fù)責(zé)單位通知線路運行維護人員光纜中斷；光通信運行維護人員前往對應(yīng)場站利用光時域反射儀(OTDR)

測試光纜，分析測試波形，確定故障點的大概位置；根據(jù)故障點大概位置，沿光纜走向勘查尋找光纜斷點；在光纜斷點處重新布放相同規(guī)格型號的光纜，用光纜熔接機接續(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光纜故障檢測主要基于光在光纜中傳輸會發(fā)生瑞利(Rayleigh)散射和菲涅耳(Fresnel)反射來進行光纜檢測，再利用OTDR測試得到的光纜參數(shù)曲線分析確定故障點，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)生電信號驅(qū)動光耦合器的光發(fā)射器發(fā)射光信號；光信號在被測光纜中傳播，不斷發(fā)生瑞利散射和菲涅耳反射，散射和反射回來的光被光耦合器的光接收器所接收；接收器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，在對電信號放大、采樣、保持、量化時，將模擬的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并對信號進行處理，進而得到出現(xiàn)斷點的光纜長度、光功率等參數(shù)，并在顯示器顯示[9-10]。

1)出現(xiàn)斷點的光纜長度計算如式(1)所示：

(1)

式中：L——光纜起始點至A點的長度；t——光信號從開始檢測到接收A點的散射光信號所需的時間；c——光速，c=3×108m/s；n1——光纜纖芯的折射率。

2)光纜斷點處接收到的光功率計算如式(2)所示：

PA=sP0e-2aL

(2)

式中：PA——A點處接收的返回光功率，W；P0——光纜入射點處的光功率，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、確定故障點的主要方法，下面以某段光纜實測正常曲線與故障曲線比對結(jié)果，介紹光纜故障判斷的處理方法。

2.2.1 正常曲線

選取一段長度為82 km的光纜進行實測分析，正常運行光纜測得的曲線在起點處會有個大的衰減，同時在光纜末端有很高的反射峰，起點到末端之間的曲線整體呈平滑下降趨勢，遇到光纜熔接衰耗點、跳接點時，光纜曲線在熔接點處會有臺階，而在跳接點處有很高的反射峰。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條光纜的正常測試曲線，該測試曲線中既有跳接點，又有異常事件點。位置2處發(fā)生了強反射峰，說明該位置為跳接點；位置7處有1個反射峰，若起始點S至位置7的距離約為起始點S至位置2距離的2倍時，可判定位置7實際為位置2的幻峰，該點無損耗。末端E位置處有反射峰，實測距離82.18 km，接近實際光纜長度值，表明該段光纜正常。

圖2 正常光纜測試曲線示意

2.2.2 故障曲線

故障曲線與正常曲線相比，最大的特點就是光纜斷點處有很大的衰減。如果故障點處沒有反射峰或反射峰很小，可初步判定光纜故障及位置；若想進一步準(zhǔn)確判斷光纜是否中斷，可在光纜兩端ODF架上進行雙向測試，兩端測試的斷點位置長度累加近似等于該段線路的總長，即可確定斷點為光纜故障點位置。此外，光纜1芯中斷不代表光纜全斷，要測試光纜的所有芯，確定是否全斷。圖3為一段82 km光纜中斷后，所有纖芯的測試曲線，可以發(fā)現(xiàn)所有纖芯都在68 km位置處有個大衰減，是個很明顯的光纜中斷現(xiàn)象，通過測得的故障點位置，光纜維護人員根據(jù)運維資料可前往現(xiàn)場找到故障點，并進行光纜接續(xù)處理[11-14]。

圖3 故障光纜測試曲線示意

3 光纜實時監(jiān)測系統(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)計了油氣田光纜實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時監(jiān)測光纜運行狀態(tài)，同時可省去人為測試、判斷故障點環(huán)節(jié)，提高了光纜故障處理效率。

光纜實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計為三層，最底層是光纜監(jiān)測處理系統(tǒng)，中間層是后臺服務(wù)器層，最頂層是客戶端[15-17]。光纜實時監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示。

1)光纜監(jiān)測處理系統(tǒng)。主要功能是進行光纜實時監(jiān)測和處理，主要包括光纜監(jiān)測單元、信號處理單元、GSM模塊。光纜監(jiān)測可采取在線監(jiān)測、備用纖、跨段監(jiān)測等方式[18-20]。該項目設(shè)計基于跨段監(jiān)測方式，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，光纜測試模塊對光纜線路進行測試，信號處理單元提取和處理測得的故障光纜信號的時間、光衰耗等參數(shù)，從而得出故障點位置信息。GSM模塊可以將光纜故障點信息以短信方式發(fā)送到光纜維護人員的巡檢儀上。

2)后臺服務(wù)器層。主要提供GIS、數(shù)據(jù)庫、后臺控制程序、其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對接四類服務(wù)。

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

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

c)后臺控制程序，即完成光纜監(jiān)測任務(wù)。

d)其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對接服務(wù)，即通過標(biāo)準(zhǔn)化的向上網(wǎng)絡(luò)級接口(TCP/IP，XML，CORBA)對現(xiàn)有運行的光通信巡檢系統(tǒng)的光纜位置、巡檢點位置、光纜路由走向等參數(shù)，進行實時查詢、參數(shù)提取，從而實現(xiàn)與光通信巡檢系統(tǒng)的資源共享。

3)客戶端。光纜運行實時監(jiān)測軟件(Windows客戶端)與光纜故障處理軟件(App軟件)相結(jié)合，共同實現(xiàn)油氣田光纜的監(jiān)測與維護。通常，在調(diào)度室安裝Windows客戶端軟件，可實時監(jiān)控整個油氣田的光纜運行狀態(tài)，遇到故障時，光纜運行實時監(jiān)測軟件實時顯示故障線路名稱、故障光纜型號、故障點位置信息。光纜故障處理App軟件安裝在運維人員手機終端上，當(dāng)光纜發(fā)生故障時，光纜運行實時監(jiān)測系統(tǒng)會向終端發(fā)送1條短信，包含故障線路名稱、故障光纜型號、故障點位置信息等。運維人員可通過App自帶GIS，查找、處理光纜故障點。

圖4 光纜實時監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)示意

4 結(jié)束語

本文研究了油氣田光纜故障快速檢測與處理技術(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時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測光纜運行各項參數(shù)，并針對光纜突發(fā)故障可實時顯示故障點信息，同時可將故障光纜的線路名稱、光纜類型、位置等信息發(fā)送至光纜維護人員手機終端平臺，從而實現(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)用價值。