油气田光缆故障快速检测与处理技术研究

丁昕炜，张亮，牛旻

(中国石油西南油气田公司 通信与信息技术中心，四川 成都 610000)

进入21世纪，中国许多大型油气田都开启了数字化油气田的建设[1-2]，从而促进了油气田光通信网的建设与投用。随着油气田光缆服役年限的增加以及光缆经过辖区的城市扩建、道路施工、新农村建设、人为破坏等因素，油气田光缆的安全运行正受到严重威胁。

油气田光缆故障将直接影响光缆属地及沿线二级单位的业务，包括办公电话、办公网、生产数据传输、生产视频监控等，如果光缆故障处理不及时，会导致生产、安全不可控，势必造成一定的经济损失。因此，本文以西南油田为例，探讨光缆故障快速检测与处理技术的应用。

1 油气田常见光缆故障类型

目前西南油田已形成了三横、两纵双环的网状结构[3]，由于建设的年限较早，光缆里程长，加上外界因素，光缆故障时有发生，光缆故障原因分为以下四类： 外力因素引发的故障、自然灾害引发的故障、人为故障、光缆自身原因造成的故障。

2 油气田人工光缆故障检测处理方法

油气田光缆故障原因及主要表现形式见表1所列[4-5]。

油气田目前发生光缆故障主要采用人工方式检测与处理故障，处理流程步骤： 属地或运维负责单位通知线路运行维护人员光缆中断；光通信运行维护人员前往对应场站利用光时域反射仪(OTDR)

测试光缆，分析测试波形，确定故障点的大概位置；根据故障点大概位置，沿光缆走向勘查寻找光缆断点；在光缆断点处重新布放相同规格型号的光缆，用光缆熔接机接续光缆。

表1 油气田光缆故障原因及主要表现形式

2.1 OTDR的工作原理

OTDR光缆故障检测主要基于光在光缆中传输会发生瑞利(Rayleigh)散射和菲涅耳(Fresnel)反射来进行光缆检测，再利用OTDR测试得到的光缆参数曲线分析确定故障点，OTDR工作原理如图1所示[6-8]。

图1 OTDR工作原理示意

图1中，脉冲发生器发生电信号驱动光耦合器的光发射器发射光信号；光信号在被测光缆中传播，不断发生瑞利散射和菲涅耳反射，散射和反射回来的光被光耦合器的光接收器所接收；接收器将光信号转换为电信号，在对电信号放大、采样、保持、量化时，将模拟的电信号转换成数字信号，并对信号进行处理，进而得到出现断点的光缆长度、光功率等参数，并在显示器显示[9-10]。

1)出现断点的光缆长度计算如式(1)所示：

(1)

式中：L——光缆起始点至A点的长度；t——光信号从开始检测到接收A点的散射光信号所需的时间；c——光速，c=3×108m/s；n1——光缆纤芯的折射率。

2)光缆断点处接收到的光功率计算如式(2)所示：

PA=sP0e-2aL

(2)

式中：PA——A点处接收的返回光功率，W；P0——光缆入射点处的光功率，W；s——光缆背向散射系数；a——光缆传输衰减系数，dB/km。

2.2 曲线分析法

曲线分析法是人工查找光缆故障、确定故障点的主要方法，下面以某段光缆实测正常曲线与故障曲线比对结果，介绍光缆故障判断的处理方法。

2.2.1 正常曲线

选取一段长度为82 km的光缆进行实测分析，正常运行光缆测得的曲线在起点处会有个大的衰减，同时在光缆末端有很高的反射峰，起点到末端之间的曲线整体呈平滑下降趋势，遇到光缆熔接衰耗点、跳接点时，光缆曲线在熔接点处会有台阶，而在跳接点处有很高的反射峰。通常情况下，只要整条线路的光衰减小于26 dB，业务通信正常，即可判定为非故障光缆。图2为1条光缆的正常测试曲线，该测试曲线中既有跳接点，又有异常事件点。位置2处发生了强反射峰，说明该位置为跳接点；位置7处有1个反射峰，若起始点S至位置7的距离约为起始点S至位置2距离的2倍时，可判定位置7实际为位置2的幻峰，该点无损耗。末端E位置处有反射峰，实测距离82.18 km，接近实际光缆长度值，表明该段光缆正常。

图2 正常光缆测试曲线示意

2.2.2 故障曲线

故障曲线与正常曲线相比，最大的特点就是光缆断点处有很大的衰减。如果故障点处没有反射峰或反射峰很小，可初步判定光缆故障及位置；若想进一步准确判断光缆是否中断，可在光缆两端ODF架上进行双向测试，两端测试的断点位置长度累加近似等于该段线路的总长，即可确定断点为光缆故障点位置。此外，光缆1芯中断不代表光缆全断，要测试光缆的所有芯，确定是否全断。图3为一段82 km光缆中断后，所有纤芯的测试曲线，可以发现所有纤芯都在68 km位置处有个大衰减，是个很明显的光缆中断现象，通过测得的故障点位置，光缆维护人员根据运维资料可前往现场找到故障点，并进行光缆接续处理[11-14]。

图3 故障光缆测试曲线示意

3 光缆实时监测系统研究

随着数字化油气田光缆里程数的增加，光缆故障量也在大幅增加。笔者在人工式光缆故障处理的基础上设计了油气田光缆实时监测系统，该系统可实时监测光缆运行状态，同时可省去人为测试、判断故障点环节，提高了光缆故障处理效率。

光缆实时监测系统设计为三层，最底层是光缆监测处理系统，中间层是后台服务器层，最顶层是客户端[15-17]。光缆实时监测系统总体架构如图4所示。

1)光缆监测处理系统。主要功能是进行光缆实时监测和处理，主要包括光缆监测单元、信号处理单元、GSM模块。光缆监测可采取在线监测、备用纤、跨段监测等方式[18-20]。该项目设计基于跨段监测方式，融合华为光通信网管系统，当网管系统提示光缆中断时，光缆测试模块对光缆线路进行测试，信号处理单元提取和处理测得的故障光缆信号的时间、光衰耗等参数，从而得出故障点位置信息。GSM模块可以将光缆故障点信息以短信方式发送到光缆维护人员的巡检仪上。

2)后台服务器层。主要提供GIS、数据库、后台控制程序、其他系统数据库对接四类服务。

a)GIS可以将光缆的位置、走向等参数记录下来，方便查找各条光缆线路跳接点、大衰点、故障点等位置信息。

b)数据库可以记录保存各条光缆的测试数据，跳接点、大衰点、故障点的各类参数信息，方便数据管理。

c)后台控制程序，即完成光缆监测任务。

d)其他系统数据库对接服务，即通过标准化的向上网络级接口(TCP/IP，XML，CORBA)对现有运行的光通信巡检系统的光缆位置、巡检点位置、光缆路由走向等参数，进行实时查询、参数提取，从而实现与光通信巡检系统的资源共享。

3)客户端。光缆运行实时监测软件(Windows客户端)与光缆故障处理软件(App软件)相结合，共同实现油气田光缆的监测与维护。通常，在调度室安装Windows客户端软件，可实时监控整个油气田的光缆运行状态，遇到故障时，光缆运行实时监测软件实时显示故障线路名称、故障光缆型号、故障点位置信息。光缆故障处理App软件安装在运维人员手机终端上，当光缆发生故障时，光缆运行实时监测系统会向终端发送1条短信，包含故障线路名称、故障光缆型号、故障点位置信息等。运维人员可通过App自带GIS，查找、处理光缆故障点。

图4 光缆实时监测系统总体架构示意

4 结束语

本文研究了油气田光缆故障快速检测与处理技术，介绍了目前油气田常见的光缆故障类型，分析了目前人工式光缆故障处理方法，在该基础上提出了油气田光缆实时监测系统。该系统可实时监测光缆运行各项参数，并针对光缆突发故障可实时显示故障点信息，同时可将故障光缆的线路名称、光缆类型、位置等信息发送至光缆维护人员手机终端平台，从而实现快速处理油气田光缆故障，大幅提升了故障处理效率，有一定的研究和应用价值。