油氣管道SDH光傳輸網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

張皓若，劉曉峰，鄭海鵬，趙雅琴

1中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

隨著光傳輸技術(shù)的發(fā)展，光纖通信已經(jīng)成為油氣管道數(shù)據(jù)通信最主要的傳輸手段。目前，管道光傳輸網(wǎng)已經(jīng)建成以“光通信為主，衛(wèi)星通信為輔，租用公網(wǎng)為補(bǔ)”的覆蓋全國(guó)大部分省市的通信網(wǎng)絡(luò)。SDH技術(shù)通過定義全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的光接口規(guī)范、同步復(fù)用映射和強(qiáng)大的網(wǎng)管能力，已成為傳輸網(wǎng)的主流技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在油氣管道光傳輸網(wǎng)中。

2. SDH 概念及基本原理

2.1. SDH 概念

根據(jù)ITU-T 的定義，SDH (同步數(shù)字體系)是為不同速率的數(shù)字信號(hào)的傳輸提供相應(yīng)等級(jí)的信息結(jié)構(gòu)，包括復(fù)用方法和映射方法，以及相關(guān)的同步方法組成的一個(gè)技術(shù)體制。SDH 是一整套可進(jìn)行同步數(shù)字傳輸、復(fù)用和交叉連接的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字信號(hào)的等級(jí)結(jié)構(gòu)。

其中基于分布式光纖傳感技術(shù)、負(fù)壓波技術(shù)和實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型技術(shù)的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)是在長(zhǎng)輸油氣管道中常用且效果比較好的技術(shù)手段[1]。

2.2. 基本原理

SDH 有一套標(biāo)準(zhǔn)的信息結(jié)構(gòu)等級(jí)稱為同步傳送模塊STM-N (N = 1, 4, 16, 64)，其幀結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

Figure 1. STM-N frame structure diagram圖1. STM-N 幀結(jié)構(gòu)示意圖

幀結(jié)構(gòu)中最小單元為字節(jié)(每字節(jié)為8 bit)，每幀由2430 字節(jié)組成，幀頻為8000 幀/s，周期為125 μs，包含段開銷、管理單元指針、信息凈負(fù)荷。STM-N 由基本模塊信號(hào)的N 倍組成，STM-N 的幀結(jié)構(gòu)由270× N 列 × 9 行組成，周期不變，仍然為125 μs，比特率為STM-1 的N 倍。

SDH 采用字節(jié)間插同步復(fù)用的方式將低速的支路信號(hào)復(fù)用成STM-N 高速信號(hào)，其基本的復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3. 油氣管道SDH 光傳輸網(wǎng)設(shè)計(jì)

油氣管道通信傳輸網(wǎng)絡(luò)是油氣管道集中調(diào)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ黄脚_(tái)，是國(guó)家管網(wǎng)相關(guān)企事業(yè)單位生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、管理信息傳輸?shù)闹匾ǖ?，合理的設(shè)計(jì)才能保障網(wǎng)絡(luò)有效性、可靠性。本文從以下幾個(gè)方面對(duì)油氣管道SDH 光傳輸網(wǎng)設(shè)計(jì)提出設(shè)計(jì)思路。

3.1. 業(yè)務(wù)類型及數(shù)據(jù)流向

SDH 網(wǎng)絡(luò)承載最重要的業(yè)務(wù)是生產(chǎn)型業(yè)務(wù)，主要有SCADA 業(yè)務(wù)、工業(yè)電視、辦公網(wǎng)絡(luò)、視頻會(huì)議、話音等業(yè)務(wù)，其中SCADA 業(yè)務(wù)是SDH 光傳輸網(wǎng)絡(luò)承載的核心業(yè)務(wù)。

SCADA 業(yè)務(wù)依據(jù)油氣管道的調(diào)控模式，數(shù)據(jù)流向如圖3 所示。

Figure 2. Reuse structure diagram圖2. 基本復(fù)用結(jié)構(gòu)圖

Figure 3. SCADA data flow diagram圖3. SCADA 數(shù)據(jù)流向圖

一級(jí)調(diào)控管道的站場(chǎng)/閥室SCADA 業(yè)務(wù)傳輸至主備調(diào)控中心，二級(jí)管道的站場(chǎng)/閥室SCADA 業(yè)務(wù)傳輸至調(diào)控分中心，由調(diào)控分中心傳輸至主備控制中心。

卵巢癌是常見的婦科惡性腫瘤，其發(fā)病率位于婦科惡性腫瘤的第3位，致死率居首位［1-2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)2015年卵巢癌的新發(fā)病例數(shù)為5.21萬，死亡病例數(shù)為2.25萬［3］。75%的卵巢癌患者發(fā)現(xiàn)時(shí)已為晚期，因此發(fā)掘能用于判斷預(yù)后的卵巢癌分子標(biāo)志物是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

其它生產(chǎn)型業(yè)務(wù)主要傳輸至分公司，由分公司傳輸至地區(qū)公司總部，部分業(yè)務(wù)不經(jīng)過分公司直接流向地區(qū)公司總部其數(shù)據(jù)流向如圖4 所示。

3.2. 系統(tǒng)容量

SDH 光傳輸網(wǎng)絡(luò)以及系統(tǒng)容量需依據(jù)根據(jù)業(yè)務(wù)種類，業(yè)務(wù)傳輸帶寬確定。SDH 網(wǎng)絡(luò)早期主要承載小顆粒的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)帶寬較小，如SCADA 數(shù)據(jù)帶寬為128 k/路，話音數(shù)據(jù)為64 k/路。近年來，隨著信息化技術(shù)、視頻圖像技術(shù)高速發(fā)展及“智能管道、智慧管網(wǎng)”建設(shè)理念的提出，SDH 網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)類型由數(shù)據(jù)、語音向高清圖像、信息化數(shù)據(jù)、智能化數(shù)據(jù)逐步演變，業(yè)務(wù)帶寬需求跳躍式增加，如高清視頻圖像帶寬4～8 M/路，信息化業(yè)務(wù)100 M/路。

Figure 4. Production data flow diagram圖4. 生產(chǎn)數(shù)據(jù)流向圖

一般來講，管道站場(chǎng)管理本站站場(chǎng)、閥室、高后果區(qū)的攝像機(jī)數(shù)量約為30 個(gè)，按照4 M/路計(jì)算，工業(yè)電視及信息化業(yè)務(wù)單站帶寬約為220 M/站。由于油氣管道業(yè)務(wù)流向?yàn)榧行?，若某長(zhǎng)輸管道設(shè)置10座站場(chǎng)，則線路帶寬約為2200 M 因此，干線SDH 光傳輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量多設(shè)計(jì)為2.5 G 或10 G。

3.3. 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方式

SDH 光傳輸網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用線形、星形、樹形、環(huán)形等基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，油氣管道的SDH光傳輸網(wǎng)絡(luò)多采用線性及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

Figure 5. Linear structure diagram圖5. 線形結(jié)構(gòu)圖

圖5 為典型的油氣管道SDH 線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于光纜資源有限，不具備與其它管道SDH 設(shè)備組網(wǎng)成環(huán)的條件，所以多根據(jù)工程建設(shè)情況利用光纜中的4 芯光纖采用1 + 1MSP 線性復(fù)用段保護(hù)方式，如蒙西煤制天然氣外輸管道一期工程采用此種保護(hù)方式。

隨著油氣管道的建設(shè)增多，管道光傳輸系統(tǒng)之間的組件環(huán)形網(wǎng)絡(luò)越來越方便，典型的結(jié)構(gòu)如圖6 所示[3]。

此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用子網(wǎng)鏈接保護(hù)(SNCP)與1 + 1MSP 線性復(fù)用段保護(hù)相結(jié)合的方式。SNCP 環(huán)采用1 + 1 保護(hù)方式，是基于業(yè)務(wù)的保護(hù)，無站間協(xié)議，具有雙發(fā)選收的特點(diǎn)，油氣管道之間的SDH 設(shè)備組網(wǎng)多采用此種網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方式。如圖6 所示，B 站、C 站、D 站與其它管道SDH 設(shè)備之間組件SNCP 保護(hù)環(huán)，A 站與B 站之間，D 站與E 站之間采用1 + 1MSP 線性復(fù)用段保護(hù)保護(hù)方式。

3.4. SDH 網(wǎng)絡(luò)鏈路計(jì)算

SDH 光傳輸系統(tǒng)中繼段設(shè)計(jì)采用最壞值計(jì)算方法，應(yīng)同時(shí)滿足系統(tǒng)所允許的衰減和色散要求。衰減受限系統(tǒng)的再生中繼距離可按照式1 估算，色散受限系統(tǒng)的再生中繼距離可按照式2 進(jìn)行估算[4]。

式中L1：衰減受限再生中繼段長(zhǎng)度，km；

L2：色散受限再生中繼段長(zhǎng)度，km；

PS：S 點(diǎn)壽命終了時(shí)的光發(fā)送功率，dBm；

Pr：R 點(diǎn)壽命終了時(shí)的光接收靈明度，dBm；

Pp：最大光通道代價(jià)，dB；

∑Ac：S、R 間活動(dòng)連接器損耗之和，dB；

Mc：光纜富裕度，dB；

Af：光纖平均衰減系數(shù)，dB/km；

As：光纖固定熔接接頭平均損耗，dB/km；

D：光纖色散系數(shù)，ps/(nm?km)；

Dmax：S、R 點(diǎn)間通道允許的最大總色散值，ps/nm。

以某管道新建10 G S DH 光通信系統(tǒng)為例，采用圖5 線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，A 站與B 站之間的站間距約為60 km，隨管道建設(shè)G.652D 管道光纜，工作波長(zhǎng)按照1550 nm 考慮。Af取值為0.22 dB/km，sA取值為0.043 dB/km，Mc取值為3 dB，∑Ac取值為1 dB，根據(jù)STM-64 光接口參數(shù)規(guī)范，選用L64.2 光接口，PS取值為-2 dB，Pr取值為-26 dB，Pp取值2 dB，經(jīng)過計(jì)算可知，衰減受限再生中繼距離約為68.44 km。

G.652 光纖在1550 nm 窗口的色散系數(shù)為18 ps/(nm?km)，Dmax取值1600 ps/(nm?km)，色散受限再生中繼段長(zhǎng)度約為88.88 km。

結(jié)合上述計(jì)算，對(duì)于站間距60 km，配置L64.2 光接口是合適的，當(dāng)然光接口選擇V64.2 也是適用的，此時(shí)應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)需求，充分考慮SDH 建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，選擇合適的光接口。

4. 結(jié)束語

SDH 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在油氣管道通信網(wǎng)中，但在油氣管網(wǎng)SDH 光傳輸網(wǎng)建設(shè)中，應(yīng)結(jié)合全網(wǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，合理利用資源，從而提高SDH 管道光傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，為油氣管道安全運(yùn)行提供有力保障。