海上平臺采用衛(wèi)星通信時通信中斷引起關停的時間間隔設置分析

楊春兵 楊季平 梁海波

（湛江南海西部石油勘察設計有限公司，廣東 湛江 524057）

·地球與環(huán)境科學·

海上平臺采用衛(wèi)星通信時通信中斷引起關停的時間間隔設置分析

楊春兵 楊季平 梁海波

（湛江南海西部石油勘察設計有限公司，廣東 湛江 524057）

受限于與陸地的距離及投資，很多海上平臺與陸地采用衛(wèi)星通信。受“日凌”現象的影響，衛(wèi)星通信中斷的時長可以達到10min之久甚至更多。當海上平臺與陸地之間的衛(wèi)星通信鏈路中斷達到一定時長時，為安全起見，需要自動觸發(fā)平臺的關停。通過分析引起關停的原因，為今后類似項目提供參考。

海上平臺；衛(wèi)星通信；通信中斷；關停；日凌

受限于與陸地的距離及投資，很多海上平臺與陸地采用衛(wèi)星通信，例如中國海洋石油（中國）有限公司旗下的平湖DPP平臺與上海終端、平湖DPP平臺與岱山終端、春曉CEP平臺與寧波終端，等等。受“日凌”現象的影響，每年春分和秋分前后，由衛(wèi)星傳送的無線電通信鏈路嚴重惡化甚至被迫中斷，其時長可以達到10min之久甚至更多［1］。當海上平臺與陸地之間的衛(wèi)星通信鏈路中斷達到一定時長時，為安全起見，需要按照預設邏輯自動觸發(fā)平臺的關停。

1　項目背景

春曉氣田群產出的天然氣從春曉CEP平臺經海底管道輸送至寧波終端，凝析油從春曉CEP平臺經海底管道輸送至平湖DPP平臺；平湖DPP平臺產出的天然氣經海底管道輸送至上海終端，原油/凝析油與來自春曉CEP平臺的凝析油匯合后經海底管道輸送至岱山終端。

在目前的關停邏輯中，臺風模式下，平湖DPP平臺與上海終端間的衛(wèi)星通信中斷1分鐘后，平湖DPP平臺即觸發(fā)生產關停；春曉CEP平臺與寧波終端間的衛(wèi)星通信中斷20分鐘后，春曉氣田群才觸發(fā)生產關停。春曉CEP平臺與平湖DPP平臺之間并沒有直接的通信鏈路，須通過上海終端進行中轉。

在正常生產時，平湖DPP平臺與上海終端之間為單向通信，由平湖DPP平臺向上海終端傳送生產信息數據，上海終端的控制系統(tǒng)只能接受信息，不能向平湖平臺發(fā)送控制信號。在臺風期間，人員撤離平臺后，上海終端與平湖DPP平臺之間才建立雙向通信，上海終端的控制系統(tǒng)可向平湖DPP平臺發(fā)出遠程控制信息，如平臺關停信號。在平湖DPP平臺與上海終端間的衛(wèi)星通信中斷一定時間后，平湖DPP平臺的控制系統(tǒng)會自動發(fā)出關停信號，關停平湖DPP平臺的生產。春曉CEP平臺與寧波終端之間的情況與此類似。

圖1　油氣走向圖

2　平湖DPP平臺與春曉氣田群控制系統(tǒng)概況

平湖DPP平臺和春曉氣田群都具有完善的控制系統(tǒng)，它一方面連續(xù)檢測和控制平臺上各種生產、公用設備的正常運行，另一方面又對各種事故進行實時監(jiān)測，一旦出現意外問題，第一時間進行報警并經過系統(tǒng)邏輯自動地處理控制，以避免事故的擴大化或災難性事故的發(fā)生，將不安全的因素控制在最小的范圍內，從而保障平臺的生產安全，確保平臺人員和設施的安全，防止環(huán)境污染，將事故的損失限制到最小。

平湖DPP平臺控制系統(tǒng)關停等級劃分為5級：

ESD-1為棄平臺關停。該級關停級別最高，只能由平臺經理或指定專人手動啟動。啟動后，引發(fā)所有低級別關停，平臺上設備除應急支持系統(tǒng)延時關停外全部關停，同時平臺狀態(tài)燈棄平臺藍燈亮，啟動棄平臺廣播。ESD-1級手動按鈕安裝陸上終端及平臺的中控室、救生艇登船處和直升機坪等人員較集中的場所，并且有明顯的標志或警告牌。

ESD-2為火氣關停。該級關停由同一火區(qū)兩個火焰探測器表決、兩個可燃氣體探測器達到50%爆炸濃度下限后表決、兩個可燃氣體探測器一個達到20%另一個達到50%爆炸濃度下限后表決、主電源故障等引起，也可以由操作員觀察到火情后手動啟動，同時廣播系統(tǒng)發(fā)布著火警報。該級關停除執(zhí)行本級關停的特殊功能外，還引起ESD-3、4（包括4A和4B）、5級關停，即引發(fā)：生產關停，關停所有的井上安全閥、井下安全閥，但消防設施、通訊設備、障礙燈、霧笛、應急照明及供電設備保持工作狀態(tài)。

ESD-3為生產關停。該級關停由生產系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)故障、儀表風壓力低低、臺風模式下通信中斷達到控制系統(tǒng)預設時間、同一火區(qū)兩個可燃氣體探測器達到20%爆炸濃度下限后表決等引起，可手動或自動啟動。該級關停除執(zhí)行本級關停的特殊功能外，還將引起ESD-4（包括4A和4B）、5級關停。

ESD-4A為氣處理系統(tǒng)關停，ESD-4B為油處理系統(tǒng)關停。該級關停由氣處理系統(tǒng)或油處理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)故障引起。ESD-4A、4B級關停可手動或自動啟動，分別關閉氣處理系統(tǒng)或油處理系統(tǒng)。該級關停除執(zhí)行本級關停的特殊功能外，還將引起ESD-5級關停。

ESD-5為單元關停，由單個設備故障引起的關停。此關停只關停故障設備，而不影響其它設備的正常操作。ESD-5級關停通常為自動啟動。

平湖DPP平臺控制系統(tǒng)關停等級的優(yōu)先順序為：1＞2＞3＞4A=4B＞5。

某一級別的關停不能引起較高級別的關停，只能啟動所有較低級別的關停。關停發(fā)生后，操作人員排除故障、手動復位后才能恢復生產。

春曉氣田群控制系統(tǒng)關停等級劃分與平湖DPP平臺基本相同，區(qū)別在于春曉氣田群控制系統(tǒng)關停等級劃分為4級，不像平湖DPP平臺有ESD-4A氣處理系統(tǒng)關停和ESD-4B油處理系統(tǒng)關停，且春曉氣田群的主電源故障引起ESD-3生產關停，而不像平湖DPP平臺會引起ESD-2火氣關停。

由以上分析可以看出：在正常情況下，平湖DPP平臺和春曉氣田群是受控的，安全的；在臺風期間，當人員撤離平臺后，如果通信鏈路保持暢通，可以在上海終端對平湖DPP平臺、寧波終端對春曉氣田群進行遠程監(jiān)控，獲取所有的信息，但如果通信鏈路中斷，則上海終端對平湖DPP平臺、寧波終端對春曉氣田群無法進行遠程監(jiān)控，對其失去了控制。

目前，平湖DPP平臺與上海終端之間在臺風期間的衛(wèi)星通信中斷1min后，平湖DPP平臺即會生產關停。而春曉CEP平臺與寧波終端之間在臺風期間的衛(wèi)星通信中斷20min后，春曉氣田群才會生產關停。這樣，在臺風模式下，平湖DPP平臺相比春曉氣田群更容易出現生產關停的問題。由于春曉的凝析油是經平湖DPP平臺輸送回陸地，平湖DPP平臺停產后，春曉氣田群也可能會因油路中斷而被迫停產，導致更大的停產損失。因此，當前平湖DPP平臺與春曉氣田群之間的關停關聯(lián)關系矛盾焦點主要集中在臺風期間衛(wèi)星通信中斷時間設置的合理性上。

3　通信中斷引起關停的時間間隔設置原則

在查閱大量國內外規(guī)范、標準后，并沒有發(fā)現對海上油/氣生產/儲存裝置與相關的終端之間通信中斷多久后應觸發(fā)生產關停進行限定的內容。

正因如此，盡管都采用衛(wèi)星進行通信，不同平臺通信中斷引起生產關停的時間間隔設置卻不盡相同（如表1）。

與其它觸發(fā)平臺高級別關停的條件（如手動棄平臺、火氣探頭觸發(fā)等）相比，通過衛(wèi)星通信中斷來判斷平臺出現事故，產生關停，其實是一種間接的、不可靠的手段，因為導致平臺與終端之間衛(wèi)星通信中斷的原因有很多：

①受衛(wèi)星通信技術固有特點的影響，衛(wèi)星通信具有一定時延，從一個地面站發(fā)送信號至另一個地面站時延通常約有0.6s，兩端的地面站要建立確定的應答通信連接，通常都需要1～2s的時間。另外，受“日凌”現象的影響，衛(wèi)星通信中斷的時間甚至可以達到10min之久（當“日凌”消失后，衛(wèi)星通信自動復位也需要幾分鐘）。這些因素也是導致衛(wèi)星通信中斷的主要原因，但這些導致通信中斷的因素都是正常的通信中斷，非平臺的原因所致。

②平臺發(fā)生火災，毀壞了衛(wèi)星天線；或者是生活樓通信房內發(fā)生火災，導致通信設備損毀引起通信中斷。出現這種情況時，由于平臺配置有高靈敏度的火災探測設備，如果平臺出現火災，平臺火氣探測系統(tǒng)自身會迅速觸發(fā)火災關停（火災關停的級別高于生產關停），比通過通信中斷來確定關停更加可靠也更加及時有效。

③由于受到臺風的吹擊，衛(wèi)星天線偏離位置甚至受到損壞，無法對準衛(wèi)星，導致通信中斷。由于衛(wèi)星天線的受風面積較大，結構相對脆弱，如果臺風破壞力足夠大時，其受到損壞的可能性更大。但這種情況可能僅僅是衛(wèi)星天線受損，平臺結構及設備并未受到影響。

④由于受到臺風的吹擊，超過了平臺結構能夠承受的極限而導致平臺出現傾斜，使衛(wèi)星天線偏離，無法對準衛(wèi)星，產生通信中斷。出現這種情況，平臺已經受到不可抗力的影響，安全已無保障，超出可控制的范圍。由于平臺結構比衛(wèi)星天線結構更加牢固，在平臺結構出現問題前，衛(wèi)星天線會先被破壞掉，此時根據通信中斷的時間觸發(fā)生產關停，可以在臺風造成更大破壞之前，盡可能減少損失，如減少對海洋的污染等。但即使這種情況下，衛(wèi)星通信的中斷與平臺出現事故也并無直接的等同關系。衛(wèi)星天線被臺風破壞后，可能臺風對平臺不會造成影響，也可能臺風會繼續(xù)加強對平臺產生破壞力，但這將是一個漸進的過程，不會在短時間內發(fā)生。同時也應當看到出現結構被破壞的情況概率極低，目前中國海洋石油在役的海洋平臺尚未出現這樣的問題。

從以上分析可見，出現概率最大的導致衛(wèi)星通信中斷的原因是臺風期間出現“日凌”和衛(wèi)星天線被臺風破壞，而“日凌”是正常現象，我們必須避開“日凌”持續(xù)的時間，減少誤關停。如果是由于衛(wèi)星天線被臺風破壞導致通信中斷，說明此時臺風風力較大，而且陸地人員無法對平臺進行監(jiān)控，從安全角度出發(fā)，應當在排除“日凌”的影響后，再確定關停平臺的生產。因此在通信中斷引起關停的時間間隔設置上，要有一定“忍耐度”，盡可能排除其他干擾條件。

衛(wèi)星通信是靠電磁波傳遞信息的，地面站的接收天線總是對著通信衛(wèi)星，將衛(wèi)星傳來的信號會聚于拋物面天線的焦點上，經檢波電路檢波后進行放大處理。

圖2　“日凌”時太陽、衛(wèi)星及衛(wèi)星地面站的幾何關系

目前我們普遍使用的通信衛(wèi)星都是在地球的赤道平面內距地面約36000km的軌道上受地球萬有引力作用繞地球轉動的同步衛(wèi)星（以下簡稱“衛(wèi)星”）。其轉動方向和周期與地球的自轉方向和周期相同，相對地面靜止，轉一周為一晝夜；而地球又繞太陽在黃道平面內作近似正圓的橢圓運動，轉一周為一年。

每年春分和秋分前后，在衛(wèi)星地球站所在地的每天中午時分，衛(wèi)星將處在太陽與地球之間的直線上。這時衛(wèi)星地球站天線在對準衛(wèi)星的同時也對準太陽，太陽輻射的強大電磁波干擾信號與衛(wèi)星發(fā)出的正常信號處于同一方向，地面站的接收天線將干擾信號和正常信號均會聚于焦點，使檢波系統(tǒng)無法把淹沒在太陽強大干擾信號中的衛(wèi)星信號區(qū)分出來，由衛(wèi)星傳送的無線電通信鏈路嚴重惡化甚至被迫中斷，這種現象即稱為衛(wèi)星通信的“日凌”現象。

由此可見，“日凌”現象是衛(wèi)星通信系統(tǒng)遇到的一種無法避免的自然現象。但“日凌”只影響衛(wèi)星地球站的下行鏈路，不影響其上行鏈路。它每年均會集中發(fā)生二次，即春分和秋分期間，每次約延續(xù)6天左右。每次發(fā)生時，衛(wèi)星地球站會連續(xù)數天在同一時段內出現接收信號質量下降或通信中斷現象。

目前，世界各國減小“日凌”影響的措施有兩種：一是通過另一顆通信衛(wèi)星工作；二是算出“日凌”時間，做好應對措施，即根據衛(wèi)星所處的位置、地面站所處的經緯度數、天線的直徑、工作波段、頻率等數值，預先計算出地面站出現“日凌”中斷通信的具體日期和時間，提前預報，使重要通信業(yè)務盡量避開“日凌”中斷通信的時間。

表1　

由于費用昂貴等關系，到目前為止，中國海洋石油采用衛(wèi)星通信的海上油氣平臺還沒有同時租用兩個衛(wèi)星頻道或者是在某一時間段內為了避開“日凌”影響而臨時轉租另一個衛(wèi)星頻道的先例。因此，最現實的措施就是避開。

查找相關資料，確認近幾年上海地區(qū)“日凌”持續(xù)時間未超過10min，結合生產實際及對比其它平臺通信中斷引起生產關停的時間間隔設置，目前臺風期間平湖DPP平臺通信中斷1分鐘觸發(fā)生產關停的設置，極容易受“日凌”影響產生誤關停，不太合理；而春曉CEP平臺通信中斷觸發(fā)生產關停的時間間隔設置為20min，目前未出現過類似問題，說明20min的設置是合理的，不需要對其進行更改。從油/氣田群關聯(lián)關系的角度考慮，最終將平湖DPP平臺關于臺風期間通信中斷引起生產關停的時間設置成和春曉CEP平臺一樣，即20min。

4　平湖DPP平臺與春曉CEP平臺關聯(lián)關系分析

在正常生產模式下，平湖DPP平臺和春曉CEP平臺均有人值守，可以隨時對整個平臺的生產狀況進行監(jiān)控，對異常情況做出及時有效的處理，平湖DPP平臺和春曉CEP平臺所涉及的各條海底管道均不會出現因憋壓而導致平臺關停的情況發(fā)生。

在臺風模式下，平湖DPP平臺和春曉CEP平臺上的人員都會撤離，分別由上海終端和寧波終端進行遠程監(jiān)控。

①當上海終端←→平湖DPP平臺、寧波終端←→春曉CEP平臺的衛(wèi)星通信鏈路暢通時，如果平湖DPP平臺往上海終端輸送天然氣的海底管道出現異常，終端監(jiān)控人員可以相互聯(lián)系，對平臺實施遠程控制，避免事故的進一步擴大。

②當上海終端←→平湖DPP平臺的衛(wèi)星通信鏈路暢通，但寧波終端←→春曉CEP平臺的衛(wèi)星通信鏈路中斷時，如果中斷間隔達到預設時間（目前為20min），春曉CEP平臺的控制系統(tǒng)自動發(fā)出關停信號，關停春曉氣田群的生產，對平湖DPP平臺沒有任何影響。

③當寧波終端←→春曉CEP平臺的衛(wèi)星通信鏈路暢通，但上海終端←→平湖DPP平臺的衛(wèi)星通信鏈路中斷時，如果中斷間隔達到預設時間，平湖DPP平臺的控制系統(tǒng)自動發(fā)出關停信號，關停平湖DPP平臺的生產。當平湖DPP平臺生產關停后，上海終端的監(jiān)控人員可以通過電話告知寧波終端的監(jiān)控人員，由寧波終端的監(jiān)控人員通過寧波終端對春曉氣田群實施遠程控制，避免春曉氣田群的被動關停。

④當上海終端←→平湖DPP平臺、寧波終端←→春曉CEP平臺的衛(wèi)星通信鏈路都中斷時（兩個油田位置接近，存在同時出現日凌的可能），根據哪一條通信鏈路中斷間隔先達到預設時間（參考②、③），平湖DPP平臺、春曉CEP平臺各自的控制系統(tǒng)可以分別自動發(fā)出關停信號，避免被動關停。

5　結語

平湖DPP平臺與上海終端之間在臺風期間的衛(wèi)星通信鏈路中斷引起平湖DPP平臺的生產關停的時間間隔自2010年由原來的1min改為20min后，未發(fā)生由“日凌”影響產生誤關停的情況。這說明海上平臺采用衛(wèi)星通信時，通信中斷引起關停的時間間隔設置為20min是可行的。

［1］《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程電氣、儀控、通信設計［M］.北京：石油工業(yè)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

楊春兵（1981.1-），男，本科，工程師，研究方向：海洋石油工程電氣、儀表、通信及自動化系統(tǒng)設計。