城市天然气管道预警系统＆SCADA技术

摘要：随着我国近年来管道的大力发展，管道周边的第三方施工以及恶意破坏对管道安全带来了极大的危害。尤其是天然气管道，一旦发生第三方施工或者破坏导致的管道泄漏，后果很严重。如何在管道遭受破坏之前发现并制止危害事件是管道业主最为关心的问题!因此管道光纤预警技术的出现对于管道安全具有不可估量的意义。该文重点阐述西宁环城高压工程项目燃气通信光缆安全预警系统解决方案。
关键词：预警监测；光纤传感技术；定位；通信光缆

    OFSEW管道光纤预警监测系统基于光纤传感技术的原理，是一种可定位型分布式光纤振动传感系统。当传感光缆周边有人员活动、机械操作等事件时，事件产生的振动信号会引起光缆发生应变，导致光缆中光的相位以及偏振态发生变化，系统根据变化报警和定位。系统综合采用了光时域反射技术(OTDR)和光纤干涉技术，因此同时具有OTDR技术定位精度高和光干涉技术探测灵敏度好的优点。系统效用为机械设备在管道上方左右5 m的施工作业事件预警和定位；机械设备及重型车辆在管道上方的碾压穿越事件预警和定位；人为在管道上方左右3m的挖掘、打桩等事件的预警和定位；非人为(地质灾害、洪水冲刷等)导致的光缆断裂的报警和定位等。

1 工程总体概况
    西宁环城高压工程项目为高压管道，监控管道28．5 km。线路中段及末端设置调压站两处，线路始端城东门站为本管线项目的调控中心，调控中心与相关站场保持SCADA实时数据联络，实现对全线各站场的集中监控，调控中心还通过调度电话系统随时向各站发布调度指令。
    本工程对整条管道沿线安装光纤管道安全预警系统，以对管道线路沿线的第三方破坏事件进行有效防护，保证生产安全。根据管道沿线的实际情况，本工程将使用与管道同沟敷设的通信光缆中不同束管中的4根光纤作为分布式光纤传感器，安装预警单元(FU)1套，安装预警管理终端(FST)1套，对管道进行安全预警监控。

2 通信安全预警系统介绍
2．1 系统原理
    光纤管道安全预警系统利用通信光缆作为分布式土壤振动检测传感器，长距离连续实时监测光缆沿线的土壤振动情况，在以光缆为中心的4 m范围内进行定位，定位精确度达200 m形成预警区域，对可能危害光缆安全的动土事件进行预警，并准确定位，其示意图如图1所示。

2．2 系统组成
    通信安全预警系统由预警单元(FU)、预警管理终端(FST)光纤传感系统组成，其管理关系如图2所示。
    预警单元FU(Forewarning Unit)：FU是预警系统的基本单元，安装在沿中继站，采集光缆沿线的土壤振动信号，并上传到FST。
    预警管理终端FST(Forewarning Supervision Terminal)：FST是预警系统的管理终端，接收FU的运行数据和预警信息，分析处理后显示告警信息，并将数据上传到DMC。
    区域监控中心DMC(District Monitor Centre)：DMC是预警系统的管理中心，监控预警区域的安全情况。
    光纤传感系统就是分布式传感器，实时感应土壤的振动信号并传输至FU。
2．3 性能指标
    系统性能指标见表1。

3 预警系统方案
3．1 系统配置
    根据沿线的实际情况，本工程管道预警系统配置为预警单元(FU)1套，安装预警管理终端(FST)1套。
    FU配置见表2：

    FST配置见表3：

3．2 通信设置
    本工程建设基于光传输系统，沿线设有3座工艺站场，2个无人值守阀室。需要传输的数据主要有：SCADA数据、工业电视业务数据，各业务均通过光通信设备的以太网板上传数据。各业务利用以太网板的透传、汇聚等功能实现各业务的安全传送。
    SCADA数据：各有人站场至调控中心光传输信道带宽分别不小于2 Mb／s。
    语音数据：各输油工艺站场至调控中心光传输信道带宽不小于2 Mb／s。
    工业电视数据：各站至调控中心之间带宽为8 Mb／s。
    每个工艺站场的以太网接口板数量应能满足各站业务种类的实际需求。各类数据共用以太网板卡时，应能对以太网板卡各端口进行设置，划分VLAN，使各类数据能有效隔离。本工程通信组网方案如下：
    (1)网络结构方案，通信网络结构示意图如图3所示。

    (2)网络同步方案，同步定时可采用以下方式：
    ①外部参考定时模式：传输设备中的内部时钟锁定于外部参考时钟。这种模式用于连到BITS的传输设备。
    ②保持与自由运行模式：保持模式：模拟前24 h存储的定时信息作为工作时钟；自由运行模式：利用设备内部高精度振荡器产生的时钟信号作为工作时钟。
3．3 系统方案功能
    天然气管道安全预警系统可以在外界破坏事件发生之前正确的识别出事件的性质，准确地定位出事件发生地点，并产生多种形式的告警信息，从而帮助管道运行维护人员更有效的阻止管道事故发生，本工程配置可实现以下功能。
    (1)三级告警
    系统可根据破坏事件的严重程度及紧急状况分为三个级别告警。
    (2)事件识别
    系统可根据采集信号的频率特点，识别出破坏事件的性质，如人为挖掘、机械破坏等。
    (3)GIS显示
    系统配备GIS地理信息系统，将线路信息、预警系统信息、维护管理信息等汇集到一起，便于管理。在警情发生时系统能够自动显示警情的时间、地点、级别、性质、负责人等一系列的信息。
    (4)辅助甄别
    系统自带人工辅助甄别功能，可利用人耳进一步监听线路周边的振动情况，以便更好地确认警情。
    (5)联网管理
    系统有两级网络管理终端，便于统一管理，可实现超长距离监控。
    (6)光纤组网模式
    系统可以利用自身光通信模块单独组网运行。
3．4 系统方案特点
    (1)定位精度200 m(典型值)；
    (2)超长的监控距离，单端监测长度可达±60 km(典型值)；
    (3)超高的检测灵敏度，可测量纳米级的微振动；
    (4)超强的识别能力，产品基于神经网络模式识别技术，配置了专业的光缆破坏事件数据库；
    (5)超长的使用寿命，寿命可达25年以上；
    (6)先进的报警管理和数据统计；
    (7)多种输入电源选择(AC／DC)方便产品现场使用。

4 预警系统运维方案
    通信光缆是各种通信服务的基础，是承载数据业务的动脉，任何短暂的通信故障都会带来巨大经济损失，甚至是难以挽回的损失。光缆附近的动土(挖沟、建房、修路、自然灾害、非法窃听、蓄意破坏)使光缆时刻处于潜在破坏威胁中。如何做好光缆的防护是近年来光缆运维的一个难题。天然气管道安全预警系统作为一种有效的技防措施，可实现野外光缆线路的实时无缝在线监测，与运维人员配合，提升运维管理水平，降低光缆被破坏造成通信中断的几率，其运维模式图如图4所示。

    通过光缆安全预警系统在石油行业内近3年的使用情况，总结出3点人防+技防的新特点：
    (1)提升运维管理水平运维管理
    根据预警系统在现场应用的情况总结可见，超过80％的破坏活动都具有很长时间的持续性，如果提前发现、及早预防，均可有效避免破坏事件的进一步发生。使用预警系统，可提前发现光缆沿线的各种危险作业，在光缆未遭到实质性的破坏前，对相关重点区域进行有目的的现场监控，可有效避免破坏事件的发生。
    人防(巡线人员)与技防(预警系统)相结合的管理模式，可依靠预警信息，进行有效统筹、调配巡线人员，对线路进行更有目的性的重点监控，与传统的被动维抢修巡线模式相比，是一种更主动、更高效的管理模式。
    (2)主动发现光缆沿线的潜在危险点
    天然气管道安全预警系统可发现人工巡线过程中易忽略的或者无法接近的一些重点区域的潜在危险，比如河流穿越点冲蚀导致光缆外漏，山体滑坡导致光缆外漏等等。
    (3)缩短维抢修时间
    天然气管道安全预警系统可对大信号进行即时预警，可及时在光缆未遭到实质性破坏时就通知巡线人员赶往现场，即时现场的破坏动作比较迅速，导致光缆断开，相对断后再进行维抢的过程，仍然可以节省很多时间。同时，也可以提前启用备用回路，应对光缆断开所造成的损失。

5 结语
    天然气光纤管道安全预警系统的建设是城市建设和可持续发展的需要，也是完善城市地下燃气管线安全防范和保障维护的需要，西宁环城高压项目28．5 km的管线实施安全监控，系统对管道沿线的土壤振动情况实现实时监测，在管道沿线形成预警区域，成为有效的管道运行技防手段，对城市燃气运营企业减少运营成本、安全维护、信息管理有着重要的意义。