城市天然氣管道預(yù)警系統(tǒng)＆SCADA技術(shù)

摘要：隨著我國近年來管道的大力發(fā)展，管道周邊的第三方施工以及惡意破壞對管道安全帶來了極大的危害。尤其是天然氣管道，一旦發(fā)生第三方施工或者破壞導(dǎo)致的管道泄漏，后果很嚴重。如何在管道遭受破壞之前發(fā)現(xiàn)并制止危害事件是管道業(yè)主最為關(guān)心的問題!因此管道光纖預(yù)警技術(shù)的出現(xiàn)對于管道安全具有不可估量的意義。該文重點闡述西寧環(huán)城高壓工程項目燃氣通信光纜安全預(yù)警系統(tǒng)解決方案。
關(guān)鍵詞：預(yù)警監(jiān)測；光纖傳感技術(shù)；定位；通信光纜

    OFSEW管道光纖預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)基于光纖傳感技術(shù)的原理，是一種可定位型分布式光纖振動傳感系統(tǒng)。當傳感光纜周邊有人員活動、機械操作等事件時，事件產(chǎn)生的振動信號會引起光纜發(fā)生應(yīng)變，導(dǎo)致光纜中光的相位以及偏振態(tài)發(fā)生變化，系統(tǒng)根據(jù)變化報警和定位。系統(tǒng)綜合采用了光時域反射技術(shù)(OTDR)和光纖干涉技術(shù)，因此同時具有OTDR技術(shù)定位精度高和光干涉技術(shù)探測靈敏度好的優(yōu)點。系統(tǒng)效用為機械設(shè)備在管道上方左右5 m的施工作業(yè)事件預(yù)警和定位；機械設(shè)備及重型車輛在管道上方的碾壓穿越事件預(yù)警和定位；人為在管道上方左右3m的挖掘、打樁等事件的預(yù)警和定位；非人為(地質(zhì)災(zāi)害、洪水沖刷等)導(dǎo)致的光纜斷裂的報警和定位等。

1 工程總體概況
    西寧環(huán)城高壓工程項目為高壓管道，監(jiān)控管道28．5 km。線路中段及末端設(shè)置調(diào)壓站兩處，線路始端城東門站為本管線項目的調(diào)控中心，調(diào)控中心與相關(guān)站場保持SCADA實時數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)，實現(xiàn)對全線各站場的集中監(jiān)控，調(diào)控中心還通過調(diào)度電話系統(tǒng)隨時向各站發(fā)布調(diào)度指令。
    本工程對整條管道沿線安裝光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)，以對管道線路沿線的第三方破壞事件進行有效防護，保證生產(chǎn)安全。根據(jù)管道沿線的實際情況，本工程將使用與管道同溝敷設(shè)的通信光纜中不同束管中的4根光纖作為分布式光纖傳感器，安裝預(yù)警單元(FU)1套，安裝預(yù)警管理終端(FST)1套，對管道進行安全預(yù)警監(jiān)控。

2 通信安全預(yù)警系統(tǒng)介紹
2．1 系統(tǒng)原理
    光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)利用通信光纜作為分布式土壤振動檢測傳感器，長距離連續(xù)實時監(jiān)測光纜沿線的土壤振動情況，在以光纜為中心的4 m范圍內(nèi)進行定位，定位精確度達200 m形成預(yù)警區(qū)域，對可能危害光纜安全的動土事件進行預(yù)警，并準確定位，其示意圖如圖1所示。

2．2 系統(tǒng)組成
    通信安全預(yù)警系統(tǒng)由預(yù)警單元(FU)、預(yù)警管理終端(FST)光纖傳感系統(tǒng)組成，其管理關(guān)系如圖2所示。
    預(yù)警單元FU(Forewarning Unit)：FU是預(yù)警系統(tǒng)的基本單元，安裝在沿中繼站，采集光纜沿線的土壤振動信號，并上傳到FST。
    預(yù)警管理終端FST(Forewarning Supervision Terminal)：FST是預(yù)警系統(tǒng)的管理終端，接收FU的運行數(shù)據(jù)和預(yù)警信息，分析處理后顯示告警信息，并將數(shù)據(jù)上傳到DMC。
    區(qū)域監(jiān)控中心DMC(District Monitor Centre)：DMC是預(yù)警系統(tǒng)的管理中心，監(jiān)控預(yù)警區(qū)域的安全情況。
    光纖傳感系統(tǒng)就是分布式傳感器，實時感應(yīng)土壤的振動信號并傳輸至FU。
2．3 性能指標
    系統(tǒng)性能指標見表1。

3 預(yù)警系統(tǒng)方案
3．1 系統(tǒng)配置
    根據(jù)沿線的實際情況，本工程管道預(yù)警系統(tǒng)配置為預(yù)警單元(FU)1套，安裝預(yù)警管理終端(FST)1套。
    FU配置見表2：

    FST配置見表3：

3．2 通信設(shè)置
    本工程建設(shè)基于光傳輸系統(tǒng)，沿線設(shè)有3座工藝站場，2個無人值守閥室。需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有：SCADA數(shù)據(jù)、工業(yè)電視業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，各業(yè)務(wù)均通過光通信設(shè)備的以太網(wǎng)板上傳數(shù)據(jù)。各業(yè)務(wù)利用以太網(wǎng)板的透傳、匯聚等功能實現(xiàn)各業(yè)務(wù)的安全傳送。
    SCADA數(shù)據(jù)：各有人站場至調(diào)控中心光傳輸信道帶寬分別不小于2 Mb／s。
    語音數(shù)據(jù)：各輸油工藝站場至調(diào)控中心光傳輸信道帶寬不小于2 Mb／s。
    工業(yè)電視數(shù)據(jù)：各站至調(diào)控中心之間帶寬為8 Mb／s。
    每個工藝站場的以太網(wǎng)接口板數(shù)量應(yīng)能滿足各站業(yè)務(wù)種類的實際需求。各類數(shù)據(jù)共用以太網(wǎng)板卡時，應(yīng)能對以太網(wǎng)板卡各端口進行設(shè)置，劃分VLAN，使各類數(shù)據(jù)能有效隔離。本工程通信組網(wǎng)方案如下：
    (1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

    (2)網(wǎng)絡(luò)同步方案，同步定時可采用以下方式：
    ①外部參考定時模式：傳輸設(shè)備中的內(nèi)部時鐘鎖定于外部參考時鐘。這種模式用于連到BITS的傳輸設(shè)備。
    ②保持與自由運行模式：保持模式：模擬前24 h存儲的定時信息作為工作時鐘；自由運行模式：利用設(shè)備內(nèi)部高精度振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號作為工作時鐘。
3．3 系統(tǒng)方案功能
    天然氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)可以在外界破壞事件發(fā)生之前正確的識別出事件的性質(zhì)，準確地定位出事件發(fā)生地點，并產(chǎn)生多種形式的告警信息，從而幫助管道運行維護人員更有效的阻止管道事故發(fā)生，本工程配置可實現(xiàn)以下功能。
    (1)三級告警
    系統(tǒng)可根據(jù)破壞事件的嚴重程度及緊急狀況分為三個級別告警。
    (2)事件識別
    系統(tǒng)可根據(jù)采集信號的頻率特點，識別出破壞事件的性質(zhì)，如人為挖掘、機械破壞等。
    (3)GIS顯示
    系統(tǒng)配備GIS地理信息系統(tǒng)，將線路信息、預(yù)警系統(tǒng)信息、維護管理信息等匯集到一起，便于管理。在警情發(fā)生時系統(tǒng)能夠自動顯示警情的時間、地點、級別、性質(zhì)、負責人等一系列的信息。
    (4)輔助甄別
    系統(tǒng)自帶人工輔助甄別功能，可利用人耳進一步監(jiān)聽線路周邊的振動情況，以便更好地確認警情。
    (5)聯(lián)網(wǎng)管理
    系統(tǒng)有兩級網(wǎng)絡(luò)管理終端，便于統(tǒng)一管理，可實現(xiàn)超長距離監(jiān)控。
    (6)光纖組網(wǎng)模式
    系統(tǒng)可以利用自身光通信模塊單獨組網(wǎng)運行。
3．4 系統(tǒng)方案特點
    (1)定位精度200 m(典型值)；
    (2)超長的監(jiān)控距離，單端監(jiān)測長度可達±60 km(典型值)；
    (3)超高的檢測靈敏度，可測量納米級的微振動；
    (4)超強的識別能力，產(chǎn)品基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)，配置了專業(yè)的光纜破壞事件數(shù)據(jù)庫；
    (5)超長的使用壽命，壽命可達25年以上；
    (6)先進的報警管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計；
    (7)多種輸入電源選擇(AC／DC)方便產(chǎn)品現(xiàn)場使用。

4 預(yù)警系統(tǒng)運維方案
    通信光纜是各種通信服務(wù)的基礎(chǔ)，是承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的動脈，任何短暫的通信故障都會帶來巨大經(jīng)濟損失，甚至是難以挽回的損失。光纜附近的動土(挖溝、建房、修路、自然災(zāi)害、非法竊聽、蓄意破壞)使光纜時刻處于潛在破壞威脅中。如何做好光纜的防護是近年來光纜運維的一個難題。天然氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)作為一種有效的技防措施，可實現(xiàn)野外光纜線路的實時無縫在線監(jiān)測，與運維人員配合，提升運維管理水平，降低光纜被破壞造成通信中斷的幾率，其運維模式圖如圖4所示。

    通過光纜安全預(yù)警系統(tǒng)在石油行業(yè)內(nèi)近3年的使用情況，總結(jié)出3點人防+技防的新特點：
    (1)提升運維管理水平運維管理
    根據(jù)預(yù)警系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用的情況總結(jié)可見，超過80％的破壞活動都具有很長時間的持續(xù)性，如果提前發(fā)現(xiàn)、及早預(yù)防，均可有效避免破壞事件的進一步發(fā)生。使用預(yù)警系統(tǒng)，可提前發(fā)現(xiàn)光纜沿線的各種危險作業(yè)，在光纜未遭到實質(zhì)性的破壞前，對相關(guān)重點區(qū)域進行有目的的現(xiàn)場監(jiān)控，可有效避免破壞事件的發(fā)生。
    人防(巡線人員)與技防(預(yù)警系統(tǒng))相結(jié)合的管理模式，可依靠預(yù)警信息，進行有效統(tǒng)籌、調(diào)配巡線人員，對線路進行更有目的性的重點監(jiān)控，與傳統(tǒng)的被動維搶修巡線模式相比，是一種更主動、更高效的管理模式。
    (2)主動發(fā)現(xiàn)光纜沿線的潛在危險點
    天然氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)人工巡線過程中易忽略的或者無法接近的一些重點區(qū)域的潛在危險，比如河流穿越點沖蝕導(dǎo)致光纜外漏，山體滑坡導(dǎo)致光纜外漏等等。
    (3)縮短維搶修時間
    天然氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)可對大信號進行即時預(yù)警，可及時在光纜未遭到實質(zhì)性破壞時就通知巡線人員趕往現(xiàn)場，即時現(xiàn)場的破壞動作比較迅速，導(dǎo)致光纜斷開，相對斷后再進行維搶的過程，仍然可以節(jié)省很多時間。同時，也可以提前啟用備用回路，應(yīng)對光纜斷開所造成的損失。

5 結(jié)語
    天然氣光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)是城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的需要，也是完善城市地下燃氣管線安全防范和保障維護的需要，西寧環(huán)城高壓項目28．5 km的管線實施安全監(jiān)控，系統(tǒng)對管道沿線的土壤振動情況實現(xiàn)實時監(jiān)測，在管道沿線形成預(yù)警區(qū)域，成為有效的管道運行技防手段，對城市燃氣運營企業(yè)減少運營成本、安全維護、信息管理有著重要的意義。