油气管道SDH光传输网关键设计

2022-01-15张皓若刘晓峰郑海鹏赵雅琴

石油天然气学报 2021年3期

张皓若，刘晓峰，郑海鹏，赵雅琴

1中国石油管道局工程有限公司国际事业部，河北廊坊

2中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊

1. 引言

随着光传输技术的发展，光纤通信已经成为油气管道数据通信最主要的传输手段。目前，管道光传输网已经建成以“光通信为主，卫星通信为辅，租用公网为补”的覆盖全国大部分省市的通信网络。SDH技术通过定义全球统一标准的光接口规范、同步复用映射和强大的网管能力，已成为传输网的主流技术，被广泛应用在油气管道光传输网中。

2. SDH 概念及基本原理

2.1. SDH 概念

根据ITU-T 的定义，SDH (同步数字体系)是为不同速率的数字信号的传输提供相应等级的信息结构，包括复用方法和映射方法，以及相关的同步方法组成的一个技术体制。SDH 是一整套可进行同步数字传输、复用和交叉连接的标准化数字信号的等级结构。

其中基于分布式光纤传感技术、负压波技术和实时瞬态模型技术的泄漏检测系统是在长输油气管道中常用且效果比较好的技术手段[1]。

2.2. 基本原理

SDH 有一套标准的信息结构等级称为同步传送模块STM-N (N = 1, 4, 16, 64)，其帧结构如图1 所示[2]。

Figure 1. STM-N frame structure diagram图1. STM-N 帧结构示意图

帧结构中最小单元为字节(每字节为8 bit)，每帧由2430 字节组成，帧频为8000 帧/s，周期为125 μs，包含段开销、管理单元指针、信息净负荷。STM-N 由基本模块信号的N 倍组成，STM-N 的帧结构由270× N 列 × 9 行组成，周期不变，仍然为125 μs，比特率为STM-1 的N 倍。

SDH 采用字节间插同步复用的方式将低速的支路信号复用成STM-N 高速信号，其基本的复用结构如图2 所示。

3. 油气管道SDH 光传输网设计

油气管道通信传输网络是油气管道集中调控数据传输的唯一平台，是国家管网相关企事业单位生产、运营、管理信息传输的重要通道，合理的设计才能保障网络有效性、可靠性。本文从以下几个方面对油气管道SDH 光传输网设计提出设计思路。

3.1. 业务类型及数据流向

SDH 网络承载最重要的业务是生产型业务，主要有SCADA 业务、工业电视、办公网络、视频会议、话音等业务，其中SCADA 业务是SDH 光传输网络承载的核心业务。

SCADA 业务依据油气管道的调控模式，数据流向如图3 所示。

Figure 2. Reuse structure diagram图2. 基本复用结构图

Figure 3. SCADA data flow diagram图3. SCADA 数据流向图

一级调控管道的站场/阀室SCADA 业务传输至主备调控中心，二级管道的站场/阀室SCADA 业务传输至调控分中心，由调控分中心传输至主备控制中心。

卵巢癌是常见的妇科恶性肿瘤，其发病率位于妇科恶性肿瘤的第3位，致死率居首位［1-2］。据统计，中国2015年卵巢癌的新发病例数为5.21万，死亡病例数为2.25万［3］。75%的卵巢癌患者发现时已为晚期，因此发掘能用于判断预后的卵巢癌分子标志物是一个研究热点。

其它生产型业务主要传输至分公司，由分公司传输至地区公司总部，部分业务不经过分公司直接流向地区公司总部其数据流向如图4 所示。

3.2. 系统容量

SDH 光传输网络以及系统容量需依据根据业务种类，业务传输带宽确定。SDH 网络早期主要承载小颗粒的生产数据，业务带宽较小，如SCADA 数据带宽为128 k/路，话音数据为64 k/路。近年来，随着信息化技术、视频图像技术高速发展及“智能管道、智慧管网”建设理念的提出，SDH 网络承载的数据类型由数据、语音向高清图像、信息化数据、智能化数据逐步演变，业务带宽需求跳跃式增加，如高清视频图像带宽4～8 M/路，信息化业务100 M/路。

Figure 4. Production data flow diagram图4. 生产数据流向图

一般来讲，管道站场管理本站站场、阀室、高后果区的摄像机数量约为30 个，按照4 M/路计算，工业电视及信息化业务单站带宽约为220 M/站。由于油气管道业务流向为集中型，若某长输管道设置10座站场，则线路带宽约为2200 M 因此，干线SDH 光传输网络的系统容量多设计为2.5 G 或10 G。

3.3. 网络保护方式

SDH 光传输网络的物理拓扑结构可采用线形、星形、树形、环形等基本拓扑结构，油气管道的SDH光传输网络多采用线性及环形拓扑结构。

Figure 5. Linear structure diagram图5. 线形结构图

图5 为典型的油气管道SDH 线形拓扑结构，由于光缆资源有限，不具备与其它管道SDH 设备组网成环的条件，所以多根据工程建设情况利用光缆中的4 芯光纤采用1 + 1MSP 线性复用段保护方式，如蒙西煤制天然气外输管道一期工程采用此种保护方式。

随着油气管道的建设增多，管道光传输系统之间的组件环形网络越来越方便，典型的结构如图6 所示[3]。

此种网络结构多采用子网链接保护(SNCP)与1 + 1MSP 线性复用段保护相结合的方式。SNCP 环采用1 + 1 保护方式，是基于业务的保护，无站间协议，具有双发选收的特点，油气管道之间的SDH 设备组网多采用此种网络保护方式。如图6 所示，B 站、C 站、D 站与其它管道SDH 设备之间组件SNCP 保护环，A 站与B 站之间，D 站与E 站之间采用1 + 1MSP 线性复用段保护保护方式。

3.4. SDH 网络链路计算

SDH 光传输系统中继段设计采用最坏值计算方法，应同时满足系统所允许的衰减和色散要求。衰减受限系统的再生中继距离可按照式1 估算，色散受限系统的再生中继距离可按照式2 进行估算[4]。

式中L1：衰减受限再生中继段长度，km；

L2：色散受限再生中继段长度，km；

PS：S 点寿命终了时的光发送功率，dBm；

Pr：R 点寿命终了时的光接收灵明度，dBm；

Pp：最大光通道代价，dB；

∑Ac：S、R 间活动连接器损耗之和，dB；

Mc：光缆富裕度，dB；

Af：光纤平均衰减系数，dB/km；

As：光纤固定熔接接头平均损耗，dB/km；

D：光纤色散系数，ps/(nm∙km)；

Dmax：S、R 点间通道允许的最大总色散值，ps/nm。

以某管道新建10 G S DH 光通信系统为例，采用图5 线性拓扑结构，A 站与B 站之间的站间距约为60 km，随管道建设G.652D 管道光缆，工作波长按照1550 nm 考虑。Af取值为0.22 dB/km，sA取值为0.043 dB/km，Mc取值为3 dB，∑Ac取值为1 dB，根据STM-64 光接口参数规范，选用L64.2 光接口，PS取值为-2 dB，Pr取值为-26 dB，Pp取值2 dB，经过计算可知，衰减受限再生中继距离约为68.44 km。

G.652 光纤在1550 nm 窗口的色散系数为18 ps/(nm∙km)，Dmax取值1600 ps/(nm∙km)，色散受限再生中继段长度约为88.88 km。

结合上述计算，对于站间距60 km，配置L64.2 光接口是合适的，当然光接口选择V64.2 也是适用的，此时应根据工程建设需求，充分考虑SDH 建设的经济性，选择合适的光接口。