油氣田光纜故障快速檢測與處理技術研究

丁昕煒，張亮，牛旻

(中國石油西南油氣田公司 通信與信息技術中心，四川 成都 610000)

進入21世紀，中國許多大型油氣田都開啟了數字化油氣田的建設[1-2]，從而促進了油氣田光通信網的建設與投用。隨著油氣田光纜服役年限的增加以及光纜經過轄區的城市擴建、道路施工、新農村建設、人為破壞等因素，油氣田光纜的安全運行正受到嚴重威脅。

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務，包括辦公電話、辦公網、生產數據傳輸、生產視頻監控等，如果光纜故障處理不及時，會導致生產、安全不可控，勢必造成一定的經濟損失。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的應用。

1 油氣田常見光纜故障類型

目前西南油田已形成了三橫、兩縱雙環的網狀結構[3]，由于建設的年限較早，光纜里程長，加上外界因素，光纜故障時有發生，光纜故障原因分為以下四類： 外力因素引發的故障、自然災害引發的故障、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形式見表1所列[4-5]。

油氣田目前發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： 屬地或運維負責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格型號的光纜，用光纜熔接機接續光纜。

表1 油氣田光纜故障原因及主要表現形式

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，脈沖發生器發生電信號驅動光耦合器的光發射器發射光信號；光信號在被測光纜中傳播，不斷發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，將模擬的電信號轉換成數字信號，并對信號進行處理，進而得到出現斷點的光纜長度、光功率等參數，并在顯示器顯示[9-10]。

1)出現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；a——光纜傳輸衰減系數，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，業務通信正常，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，可以發現所有纖芯都在68 km位置處有個大衰減，是個很明顯的光纜中斷現象，通過測得的故障點位置，光纜維護人員根據運維資料可前往現場找到故障點，并進行光纜接續處理[11-14]。

圖3 故障光纜測試曲線示意

3 光纜實時監測系統研究

隨著數字化油氣田光纜里程數的增加，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上設計了油氣田光纜實時監測系統，該系統可實時監測光纜運行狀態，同時可省去人為測試、判斷故障點環節，提高了光纜故障處理效率。

光纜實時監測系統設計為三層，最底層是光纜監測處理系統，中間層是后臺服務器層，最頂層是客戶端[15-17]。光纜實時監測系統總體架構如圖4所示。

1)光纜監測處理系統。主要功能是進行光纜實時監測和處理，主要包括光纜監測單元、信號處理單元、GSM模塊。光纜監測可采取在線監測、備用纖、跨段監測等方式[18-20]。該項目設計基于跨段監測方式，融合華為光通信網管系統，當網管系統提示光纜中斷時，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，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送到光纜維護人員的巡檢儀上。

2)后臺服務器層。主要提供GIS、數據庫、后臺控制程序、其他系統數據庫對接四類服務。

a)GIS可以將光纜的位置、走向等參數記錄下來，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)數據庫可以記錄保存各條光纜的測試數據，跳接點、大衰點、故障點的各類參數信息，方便數據管理。

c)后臺控制程序，即完成光纜監測任務。

d)其他系統數據庫對接服務，即通過標準化的向上網絡級接口(TCP/IP，XML，CORBA)對現有運行的光通信巡檢系統的光纜位置、巡檢點位置、光纜路由走向等參數，進行實時查詢、參數提取，從而實現與光通信巡檢系統的資源共享。

3)客戶端。光纜運行實時監測軟件(Windows客戶端)與光纜故障處理軟件(App軟件)相結合，共同實現油氣田光纜的監測與維護。通常，在調度室安裝Windows客戶端軟件，可實時監控整個油氣田的光纜運行狀態，遇到故障時，光纜運行實時監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，當光纜發生故障時，光纜運行實時監測系統會向終端發送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 光纜實時監測系統總體架構示意

4 結束語

本文研究了油氣田光纜故障快速檢測與處理技術，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，在該基礎上提出了油氣田光纜實時監測系統。該系統可實時監測光纜運行各項參數，并針對光纜突發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、位置等信息發送至光纜維護人員手機終端平臺，從而實現快速處理油氣田光纜故障，大幅提升了故障處理效率，有一定的研究和應用價值。