海上平台采用卫星通信时通信中断引起关停的时间间隔设置分析

杨春兵 杨季平 梁海波

（湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 524057）

·地球与环境科学·

海上平台采用卫星通信时通信中断引起关停的时间间隔设置分析

杨春兵 杨季平 梁海波

（湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 524057）

受限于与陆地的距离及投资，很多海上平台与陆地采用卫星通信。受“日凌”现象的影响，卫星通信中断的时长可以达到10min之久甚至更多。当海上平台与陆地之间的卫星通信链路中断达到一定时长时，为安全起见，需要自动触发平台的关停。通过分析引起关停的原因，为今后类似项目提供参考。

海上平台；卫星通信；通信中断；关停；日凌

受限于与陆地的距离及投资，很多海上平台与陆地采用卫星通信，例如中国海洋石油（中国）有限公司旗下的平湖DPP平台与上海终端、平湖DPP平台与岱山终端、春晓CEP平台与宁波终端，等等。受“日凌”现象的影响，每年春分和秋分前后，由卫星传送的无线电通信链路严重恶化甚至被迫中断，其时长可以达到10min之久甚至更多［1］。当海上平台与陆地之间的卫星通信链路中断达到一定时长时，为安全起见，需要按照预设逻辑自动触发平台的关停。

1　项目背景

春晓气田群产出的天然气从春晓CEP平台经海底管道输送至宁波终端，凝析油从春晓CEP平台经海底管道输送至平湖DPP平台；平湖DPP平台产出的天然气经海底管道输送至上海终端，原油/凝析油与来自春晓CEP平台的凝析油汇合后经海底管道输送至岱山终端。

在目前的关停逻辑中，台风模式下，平湖DPP平台与上海终端间的卫星通信中断1分钟后，平湖DPP平台即触发生产关停；春晓CEP平台与宁波终端间的卫星通信中断20分钟后，春晓气田群才触发生产关停。春晓CEP平台与平湖DPP平台之间并没有直接的通信链路，须通过上海终端进行中转。

在正常生产时，平湖DPP平台与上海终端之间为单向通信，由平湖DPP平台向上海终端传送生产信息数据，上海终端的控制系统只能接受信息，不能向平湖平台发送控制信号。在台风期间，人员撤离平台后，上海终端与平湖DPP平台之间才建立双向通信，上海终端的控制系统可向平湖DPP平台发出远程控制信息，如平台关停信号。在平湖DPP平台与上海终端间的卫星通信中断一定时间后，平湖DPP平台的控制系统会自动发出关停信号，关停平湖DPP平台的生产。春晓CEP平台与宁波终端之间的情况与此类似。

图1　油气走向图

2　平湖DPP平台与春晓气田群控制系统概况

平湖DPP平台和春晓气田群都具有完善的控制系统，它一方面连续检测和控制平台上各种生产、公用设备的正常运行，另一方面又对各种事故进行实时监测，一旦出现意外问题，第一时间进行报警并经过系统逻辑自动地处理控制，以避免事故的扩大化或灾难性事故的发生，将不安全的因素控制在最小的范围内，从而保障平台的生产安全，确保平台人员和设施的安全，防止环境污染，将事故的损失限制到最小。

平湖DPP平台控制系统关停等级划分为5级：

ESD-1为弃平台关停。该级关停级别最高，只能由平台经理或指定专人手动启动。启动后，引发所有低级别关停，平台上设备除应急支持系统延时关停外全部关停，同时平台状态灯弃平台蓝灯亮，启动弃平台广播。ESD-1级手动按钮安装陆上终端及平台的中控室、救生艇登船处和直升机坪等人员较集中的场所，并且有明显的标志或警告牌。

ESD-2为火气关停。该级关停由同一火区两个火焰探测器表决、两个可燃气体探测器达到50%爆炸浓度下限后表决、两个可燃气体探测器一个达到20%另一个达到50%爆炸浓度下限后表决、主电源故障等引起，也可以由操作员观察到火情后手动启动，同时广播系统发布着火警报。该级关停除执行本级关停的特殊功能外，还引起ESD-3、4（包括4A和4B）、5级关停，即引发：生产关停，关停所有的井上安全阀、井下安全阀，但消防设施、通讯设备、障碍灯、雾笛、应急照明及供电设备保持工作状态。

ESD-3为生产关停。该级关停由生产系统的重要环节故障、仪表风压力低低、台风模式下通信中断达到控制系统预设时间、同一火区两个可燃气体探测器达到20%爆炸浓度下限后表决等引起，可手动或自动启动。该级关停除执行本级关停的特殊功能外，还将引起ESD-4（包括4A和4B）、5级关停。

ESD-4A为气处理系统关停，ESD-4B为油处理系统关停。该级关停由气处理系统或油处理系统的重要环节故障引起。ESD-4A、4B级关停可手动或自动启动，分别关闭气处理系统或油处理系统。该级关停除执行本级关停的特殊功能外，还将引起ESD-5级关停。

ESD-5为单元关停，由单个设备故障引起的关停。此关停只关停故障设备，而不影响其它设备的正常操作。ESD-5级关停通常为自动启动。

平湖DPP平台控制系统关停等级的优先顺序为：1＞2＞3＞4A=4B＞5。

某一级别的关停不能引起较高级别的关停，只能启动所有较低级别的关停。关停发生后，操作人员排除故障、手动复位后才能恢复生产。

春晓气田群控制系统关停等级划分与平湖DPP平台基本相同，区别在于春晓气田群控制系统关停等级划分为4级，不像平湖DPP平台有ESD-4A气处理系统关停和ESD-4B油处理系统关停，且春晓气田群的主电源故障引起ESD-3生产关停，而不像平湖DPP平台会引起ESD-2火气关停。

由以上分析可以看出：在正常情况下，平湖DPP平台和春晓气田群是受控的，安全的；在台风期间，当人员撤离平台后，如果通信链路保持畅通，可以在上海终端对平湖DPP平台、宁波终端对春晓气田群进行远程监控，获取所有的信息，但如果通信链路中断，则上海终端对平湖DPP平台、宁波终端对春晓气田群无法进行远程监控，对其失去了控制。

目前，平湖DPP平台与上海终端之间在台风期间的卫星通信中断1min后，平湖DPP平台即会生产关停。而春晓CEP平台与宁波终端之间在台风期间的卫星通信中断20min后，春晓气田群才会生产关停。这样，在台风模式下，平湖DPP平台相比春晓气田群更容易出现生产关停的问题。由于春晓的凝析油是经平湖DPP平台输送回陆地，平湖DPP平台停产后，春晓气田群也可能会因油路中断而被迫停产，导致更大的停产损失。因此，当前平湖DPP平台与春晓气田群之间的关停关联关系矛盾焦点主要集中在台风期间卫星通信中断时间设置的合理性上。

3　通信中断引起关停的时间间隔设置原则

在查阅大量国内外规范、标准后，并没有发现对海上油/气生产/储存装置与相关的终端之间通信中断多久后应触发生产关停进行限定的内容。

正因如此，尽管都采用卫星进行通信，不同平台通信中断引起生产关停的时间间隔设置却不尽相同（如表1）。

与其它触发平台高级别关停的条件（如手动弃平台、火气探头触发等）相比，通过卫星通信中断来判断平台出现事故，产生关停，其实是一种间接的、不可靠的手段，因为导致平台与终端之间卫星通信中断的原因有很多：

①受卫星通信技术固有特点的影响，卫星通信具有一定时延，从一个地面站发送信号至另一个地面站时延通常约有0.6s，两端的地面站要建立确定的应答通信连接，通常都需要1～2s的时间。另外，受“日凌”现象的影响，卫星通信中断的时间甚至可以达到10min之久（当“日凌”消失后，卫星通信自动复位也需要几分钟）。这些因素也是导致卫星通信中断的主要原因，但这些导致通信中断的因素都是正常的通信中断，非平台的原因所致。

②平台发生火灾，毁坏了卫星天线；或者是生活楼通信房内发生火灾，导致通信设备损毁引起通信中断。出现这种情况时，由于平台配置有高灵敏度的火灾探测设备，如果平台出现火灾，平台火气探测系统自身会迅速触发火灾关停（火灾关停的级别高于生产关停），比通过通信中断来确定关停更加可靠也更加及时有效。

③由于受到台风的吹击，卫星天线偏离位置甚至受到损坏，无法对准卫星，导致通信中断。由于卫星天线的受风面积较大，结构相对脆弱，如果台风破坏力足够大时，其受到损坏的可能性更大。但这种情况可能仅仅是卫星天线受损，平台结构及设备并未受到影响。

④由于受到台风的吹击，超过了平台结构能够承受的极限而导致平台出现倾斜，使卫星天线偏离，无法对准卫星，产生通信中断。出现这种情况，平台已经受到不可抗力的影响，安全已无保障，超出可控制的范围。由于平台结构比卫星天线结构更加牢固，在平台结构出现问题前，卫星天线会先被破坏掉，此时根据通信中断的时间触发生产关停，可以在台风造成更大破坏之前，尽可能减少损失，如减少对海洋的污染等。但即使这种情况下，卫星通信的中断与平台出现事故也并无直接的等同关系。卫星天线被台风破坏后，可能台风对平台不会造成影响，也可能台风会继续加强对平台产生破坏力，但这将是一个渐进的过程，不会在短时间内发生。同时也应当看到出现结构被破坏的情况概率极低，目前中国海洋石油在役的海洋平台尚未出现这样的问题。

从以上分析可见，出现概率最大的导致卫星通信中断的原因是台风期间出现“日凌”和卫星天线被台风破坏，而“日凌”是正常现象，我们必须避开“日凌”持续的时间，减少误关停。如果是由于卫星天线被台风破坏导致通信中断，说明此时台风风力较大，而且陆地人员无法对平台进行监控，从安全角度出发，应当在排除“日凌”的影响后，再确定关停平台的生产。因此在通信中断引起关停的时间间隔设置上，要有一定“忍耐度”，尽可能排除其他干扰条件。

卫星通信是靠电磁波传递信息的，地面站的接收天线总是对着通信卫星，将卫星传来的信号会聚于抛物面天线的焦点上，经检波电路检波后进行放大处理。

图2　“日凌”时太阳、卫星及卫星地面站的几何关系

目前我们普遍使用的通信卫星都是在地球的赤道平面内距地面约36000km的轨道上受地球万有引力作用绕地球转动的同步卫星（以下简称“卫星”）。其转动方向和周期与地球的自转方向和周期相同，相对地面静止，转一周为一昼夜；而地球又绕太阳在黄道平面内作近似正圆的椭圆运动，转一周为一年。

每年春分和秋分前后，在卫星地球站所在地的每天中午时分，卫星将处在太阳与地球之间的直线上。这时卫星地球站天线在对准卫星的同时也对准太阳，太阳辐射的强大电磁波干扰信号与卫星发出的正常信号处于同一方向，地面站的接收天线将干扰信号和正常信号均会聚于焦点，使检波系统无法把淹没在太阳强大干扰信号中的卫星信号区分出来，由卫星传送的无线电通信链路严重恶化甚至被迫中断，这种现象即称为卫星通信的“日凌”现象。

由此可见，“日凌”现象是卫星通信系统遇到的一种无法避免的自然现象。但“日凌”只影响卫星地球站的下行链路，不影响其上行链路。它每年均会集中发生二次，即春分和秋分期间，每次约延续6天左右。每次发生时，卫星地球站会连续数天在同一时段内出现接收信号质量下降或通信中断现象。

目前，世界各国减小“日凌”影响的措施有两种：一是通过另一颗通信卫星工作；二是算出“日凌”时间，做好应对措施，即根据卫星所处的位置、地面站所处的经纬度数、天线的直径、工作波段、频率等数值，预先计算出地面站出现“日凌”中断通信的具体日期和时间，提前预报，使重要通信业务尽量避开“日凌”中断通信的时间。

表1　

由于费用昂贵等关系，到目前为止，中国海洋石油采用卫星通信的海上油气平台还没有同时租用两个卫星频道或者是在某一时间段内为了避开“日凌”影响而临时转租另一个卫星频道的先例。因此，最现实的措施就是避开。

查找相关资料，确认近几年上海地区“日凌”持续时间未超过10min，结合生产实际及对比其它平台通信中断引起生产关停的时间间隔设置，目前台风期间平湖DPP平台通信中断1分钟触发生产关停的设置，极容易受“日凌”影响产生误关停，不太合理；而春晓CEP平台通信中断触发生产关停的时间间隔设置为20min，目前未出现过类似问题，说明20min的设置是合理的，不需要对其进行更改。从油/气田群关联关系的角度考虑，最终将平湖DPP平台关于台风期间通信中断引起生产关停的时间设置成和春晓CEP平台一样，即20min。

4　平湖DPP平台与春晓CEP平台关联关系分析

在正常生产模式下，平湖DPP平台和春晓CEP平台均有人值守，可以随时对整个平台的生产状况进行监控，对异常情况做出及时有效的处理，平湖DPP平台和春晓CEP平台所涉及的各条海底管道均不会出现因憋压而导致平台关停的情况发生。

在台风模式下，平湖DPP平台和春晓CEP平台上的人员都会撤离，分别由上海终端和宁波终端进行远程监控。

①当上海终端←→平湖DPP平台、宁波终端←→春晓CEP平台的卫星通信链路畅通时，如果平湖DPP平台往上海终端输送天然气的海底管道出现异常，终端监控人员可以相互联系，对平台实施远程控制，避免事故的进一步扩大。

②当上海终端←→平湖DPP平台的卫星通信链路畅通，但宁波终端←→春晓CEP平台的卫星通信链路中断时，如果中断间隔达到预设时间（目前为20min），春晓CEP平台的控制系统自动发出关停信号，关停春晓气田群的生产，对平湖DPP平台没有任何影响。

③当宁波终端←→春晓CEP平台的卫星通信链路畅通，但上海终端←→平湖DPP平台的卫星通信链路中断时，如果中断间隔达到预设时间，平湖DPP平台的控制系统自动发出关停信号，关停平湖DPP平台的生产。当平湖DPP平台生产关停后，上海终端的监控人员可以通过电话告知宁波终端的监控人员，由宁波终端的监控人员通过宁波终端对春晓气田群实施远程控制，避免春晓气田群的被动关停。

④当上海终端←→平湖DPP平台、宁波终端←→春晓CEP平台的卫星通信链路都中断时（两个油田位置接近，存在同时出现日凌的可能），根据哪一条通信链路中断间隔先达到预设时间（参考②、③），平湖DPP平台、春晓CEP平台各自的控制系统可以分别自动发出关停信号，避免被动关停。

5　结语

平湖DPP平台与上海终端之间在台风期间的卫星通信链路中断引起平湖DPP平台的生产关停的时间间隔自2010年由原来的1min改为20min后，未发生由“日凌”影响产生误关停的情况。这说明海上平台采用卫星通信时，通信中断引起关停的时间间隔设置为20min是可行的。

［1］《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程电气、仪控、通信设计［M］.北京：石油工业出版社，2006.

Timeoff Interval Setting AnalysisCaused by Communication Interruptionin SatelliteCommunication of OffshorePlatform

Yang Chunbing Yang Jiping Liang Haibo
（Zhanjiang South China Sea Petroleum Exploration&Design Co.，Ltd.，Zhanjiang Guangdong 524057）

A lot of offshore platforms use satellite to communicate with the land due to the limitation of the distance from land and investment.Affected by the“satellite eclipse"phenomenon，the time of satellite communication interruption can reach 10min or more.When the satellite communication link between the offshore platform and the land is interrupted for a certain period of time，for security reasons，it needs to automatically trigger the shutdown of the platform.The analysis on the reasons of shutting down，will provide reference for similar projects in the future.

offshore platform；satellite communication；communication interruption；shut down；satellite eclipse

P415.12

A

1003-5168（2015）12-0153-4

2015-12-8

杨春兵（1981.1-），男，本科，工程师，研究方向：海洋石油工程电气、仪表、通信及自动化系统设计。