城市天然氣管道預(yù)警系統(tǒng)＆SCADA技術(shù)

摘要：隨著我國(guó)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(duì)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(yán)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(duì)于管道安全具有不可估量的意義。該文重點(diǎn)闡述西寧環(huán)城高壓工程項(xiàng)目燃?xì)馔ㄐ殴饫|安全預(yù)警系統(tǒng)解決方案。
關(guān)鍵詞：預(yù)警監(jiān)測(cè)；光纖傳感技術(shù)；定位；通信光纜

    OFSEW管道光纖預(yù)警監(jiān)測(cè)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(dòng)傳感系統(tǒng)。當(dāng)傳感光纜周邊有人員活動(dòng)、機(jī)械操作等事件時(shí)，事件產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)會(huì)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(bào)警和定位。系統(tǒng)綜合采用了光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)和光纖干涉技術(shù)，因此同時(shí)具有OTDR技術(shù)定位精度高和光干涉技術(shù)探測(cè)靈敏度好的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)效用為機(jī)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(jī)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(bào)警和定位等。

1 工程總體概況
    西寧環(huán)城高壓工程項(xiàng)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(xiàng)目的調(diào)控中心，調(diào)控中心與相關(guān)站場(chǎng)保持SCADA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全線各站場(chǎng)的集中監(jiān)控，調(diào)控中心還通過調(diào)度電話系統(tǒng)隨時(shí)向各站發(fā)布調(diào)度指令。
    本工程對(duì)整條管道沿線安裝光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)，以對(duì)管道線路沿線的第三方破壞事件進(jìn)行有效防護(hù)，保證生產(chǎn)安全。根據(jù)管道沿線的實(shí)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(duì)管道進(jìn)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(dòng)檢測(cè)傳感器，長(zhǎng)距離連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纜沿線的土壤振動(dòng)情況，在以光纜為中心的4 m范圍內(nèi)進(jìn)行定位，定位精確度達(dá)200 m形成預(yù)警區(qū)域，對(duì)可能危害光纜安全的動(dòng)土事件進(jìn)行預(yù)警，并準(zhǔn)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(dòng)信號(hào)，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(yùn)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(shí)時(shí)感應(yīng)土壤的振動(dòng)信號(hào)并傳輸至FU。
2．3 性能指標(biāo)
    系統(tǒng)性能指標(biāo)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(shí)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(chǎng)，2個(gè)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?jìng)鳌R聚等功能實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)的安全傳送。
    SCADA數(shù)據(jù)：各有人站場(chǎng)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(chǎng)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(gè)工藝站場(chǎng)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(shí)際需求。各類數(shù)據(jù)共用以太網(wǎng)板卡時(shí)，應(yīng)能對(duì)以太網(wǎng)板卡各端口進(jìn)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(shí)可采用以下方式：
    ①外部參考定時(shí)模式：傳輸設(shè)備中的內(nèi)部時(shí)鐘鎖定于外部參考時(shí)鐘。這種模式用于連到BITS的傳輸設(shè)備。
    ②保持與自由運(yùn)行模式：保持模式：模擬前24 h存儲(chǔ)的定時(shí)信息作為工作時(shí)鐘；自由運(yùn)行模式：利用設(shè)備內(nèi)部高精度振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)作為工作時(shí)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(shí)別出事件的性質(zhì)，準(zhǔn)確地定位出事件發(fā)生地點(diǎn)，并產(chǎn)生多種形式的告警信息，從而幫助管道運(yùn)行維護(hù)人員更有效的阻止管道事故發(fā)生，本工程配置可實(shí)現(xiàn)以下功能。
    (1)三級(jí)告警
    系統(tǒng)可根據(jù)破壞事件的嚴(yán)重程度及緊急狀況分為三個(gè)級(jí)別告警。
    (2)事件識(shí)別
    系統(tǒng)可根據(jù)采集信號(hào)的頻率特點(diǎn)，識(shí)別出破壞事件的性質(zhì)，如人為挖掘、機(jī)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(hù)管理信息等匯集到一起，便于管理。在警情發(fā)生時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)顯示警情的時(shí)間、地點(diǎn)、級(jí)別、性質(zhì)、負(fù)責(zé)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(jìn)一步監(jiān)聽線路周邊的振動(dòng)情況，以便更好地確認(rèn)警情。
    (5)聯(lián)網(wǎng)管理
    系統(tǒng)有兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理終端，便于統(tǒng)一管理，可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)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(dú)組網(wǎng)運(yùn)行。
3．4 系統(tǒng)方案特點(diǎn)
    (1)定位精度200 m(典型值)；
    (2)超長(zhǎng)的監(jiān)控距離，單端監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)±60 km(典型值)；
    (3)超高的檢測(cè)靈敏度，可測(cè)量納米級(jí)的微振動(dòng)；
    (4)超強(qiáng)的識(shí)別能力，產(chǎn)品基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別技術(shù)，配置了專業(yè)的光纜破壞事件數(shù)據(jù)庫(kù)；
    (5)超長(zhǎng)的使用壽命，壽命可達(dá)25年以上；
    (6)先進(jìn)的報(bào)警管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；
    (7)多種輸入電源選擇(AC／DC)方便產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用。

4 預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)脈，任何短暫的通信故障都會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至是難以挽回的損失。光纜附近的動(dòng)土(挖溝、建房、修路、自然災(zāi)害、非法竊聽、蓄意破壞)使光纜時(shí)刻處于潛在破壞威脅中。如何做好光纜的防護(hù)是近年來光纜運(yùn)維的一個(gè)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(shí)現(xiàn)野外光纜線路的實(shí)時(shí)無縫在線監(jiān)測(cè)，與運(yùn)維人員配合，提升運(yùn)維管理水平，降低光纜被破壞造成通信中斷的幾率，其運(yùn)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(diǎn)人防+技防的新特點(diǎn)：
    (1)提升運(yùn)維管理水平運(yùn)維管理
    根據(jù)預(yù)警系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的情況總結(jié)可見，超過80％的破壞活動(dòng)都具有很長(zhǎng)時(shí)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(jìn)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(xiǎn)作業(yè)，在光纜未遭到實(shí)質(zhì)性的破壞前，對(duì)相關(guān)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行有目的的現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行有效統(tǒng)籌、調(diào)配巡線人員，對(duì)線路進(jìn)行更有目的性的重點(diǎn)監(jiān)控，與傳統(tǒng)的被動(dòng)維搶修巡線模式相比，是一種更主動(dòng)、更高效的管理模式。
    (2)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)光纜沿線的潛在危險(xiǎn)點(diǎn)
    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(diǎn)區(qū)域的潛在危險(xiǎn)，比如河流穿越點(diǎn)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(shí)間
    天然氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)可對(duì)大信號(hào)進(jìn)行即時(shí)預(yù)警，可及時(shí)在光纜未遭到實(shí)質(zhì)性破壞時(shí)就通知巡線人員趕往現(xiàn)場(chǎng)，即時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的破壞動(dòng)作比較迅速，導(dǎo)致光纜斷開，相對(duì)斷后再進(jìn)行維搶的過程，仍然可以節(jié)省很多時(shí)間。同時(shí)，也可以提前啟用備用回路，應(yīng)對(duì)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?xì)夤芫€安全防范和保障維護(hù)的需要，西寧環(huán)城高壓項(xiàng)目28．5 km的管線實(shí)施安全監(jiān)控，系統(tǒng)對(duì)管道沿線的土壤振動(dòng)情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在管道沿線形成預(yù)警區(qū)域，成為有效的管道運(yùn)行技防手段，對(duì)城市燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)企業(yè)減少運(yùn)營(yíng)成本、安全維護(hù)、信息管理有著重要的意義。