許國劍 張呈瑞 劉振國 李兵元

摘要：探討基于北斗衛(wèi)星進(jìn)行偏遠(yuǎn)油井、水井實(shí)時監(jiān)測、監(jiān)控數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)膽?yīng)用可能性。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位采用北斗三代通信系統(tǒng)，具備通信服務(wù)單次短報文最大長度為14000比特、1000漢字傳輸能力。系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效滿足油田物聯(lián)網(wǎng)單井?dāng)?shù)據(jù)采集需求，通過短報文進(jìn)行油田單井?dāng)?shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)了油區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的全區(qū)域、無盲點(diǎn)覆蓋，提供全天候的油田數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星；油田；數(shù)據(jù)傳輸

一、前言

由于油區(qū)面積較大，地形復(fù)雜，與油井配套的供水、供電系統(tǒng)和原油管線都需要監(jiān)控。隨著數(shù)字油田、智慧油田的推進(jìn)，油田數(shù)據(jù)監(jiān)控拓展到通過RTU對油井、水井進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。新疆油田采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸體系已經(jīng)采用無線網(wǎng)橋、4G/5G、Zigbee等多類型無線傳輸方式。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集傳輸?；诒倍沸l(wèi)星短報文通信功能可以實(shí)現(xiàn)對油田數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸功能。北斗衛(wèi)星信號覆蓋范圍廣，北斗三代通信能力進(jìn)一步加強(qiáng)到1000漢字傳輸能力[1]，可以解決油田小數(shù)據(jù)量（數(shù)據(jù)單次采集低于10000比特）的需求，同時，北斗通信對于偏遠(yuǎn)井不需要進(jìn)行大量通信基礎(chǔ)建設(shè)的特點(diǎn)可以滿足油田偏遠(yuǎn)井的現(xiàn)場情況。

二、油田采集及數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）油田偏遠(yuǎn)井物聯(lián)網(wǎng)儀表數(shù)據(jù)采集需求

1.油田數(shù)據(jù)監(jiān)控區(qū)域較大，一般一個采油廠有幾十到上百平方公里的區(qū)域。

2.有較高的實(shí)時性要求。

3.需要長時間工作，能夠適應(yīng)各種氣候環(huán)境。

4.單次數(shù)據(jù)量不大（不考慮視頻監(jiān)控，每3分鐘一次，一次1K-2Kbit）。

5.誤碼率要求較高。

6.有一定的保密要求。

（二）北斗三代數(shù)據(jù)傳輸性能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System）發(fā)展始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過多年的建設(shè)，目前已經(jīng)成為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一[2]。該系統(tǒng)由一系列衛(wèi)星、地面監(jiān)控站和用戶終端組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的北斗三代短報文系統(tǒng)相較于北斗二代系統(tǒng)除了在應(yīng)急救援中發(fā)揮重要作用，還增加物聯(lián)網(wǎng)通信等功能，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時落地接入地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]。北斗三號短報文系統(tǒng)具有短報文通信成功率更高的特點(diǎn)，根據(jù)評估，區(qū)域短報文通信成功率優(yōu)于99.6%，同時具有單次報文內(nèi)容更大的特點(diǎn)，相較于北斗二代通信系統(tǒng)，單次報文內(nèi)容增加到大約1000個漢字[4]。北斗二號、三號短報文通信服務(wù)對比見表1。

油田物聯(lián)網(wǎng)偏遠(yuǎn)單井需求的單次數(shù)據(jù)量和誤碼率均低于北斗三代通信指標(biāo)，可有效滿足單井的數(shù)據(jù)采集需求。為滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，北斗三代通信系統(tǒng)可滿足端到端、端到指揮機(jī)數(shù)據(jù)傳輸需求，實(shí)現(xiàn)北斗數(shù)據(jù)直接接入油田生產(chǎn)監(jiān)控中心地面光纖網(wǎng)絡(luò)。

三、基于北斗衛(wèi)星的偏遠(yuǎn)井傳輸解決

（一）系統(tǒng)拓?fù)?/p>

系統(tǒng)主要通過在偏遠(yuǎn)油井部署北斗數(shù)傳終端，采集RTU設(shè)備的數(shù)據(jù)，利用北斗衛(wèi)星鏈路將現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，滿足無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對井場的實(shí)時監(jiān)控，提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)安全，如圖1所示。

由圖1所示，系統(tǒng)主要包括北斗數(shù)傳終端、北斗指揮型終端、數(shù)據(jù)組包程序三部分，實(shí)現(xiàn)油井和油田平臺之間的數(shù)據(jù)接入和落地，具體如下所示：

1.數(shù)據(jù)接入

針對RTU設(shè)備，通過RS232/RS485/RJ45（串口服務(wù)器）的方式有線連接，北斗短報文數(shù)傳終端與RTU之間通過Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。

2.數(shù)據(jù)落地

采油廠生產(chǎn)管控基地安裝一臺指揮機(jī)，部署在新疆油田采油廠生產(chǎn)基地。指揮機(jī)負(fù)責(zé)接收各北斗短報文數(shù)傳終端反饋的采集數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)線連接至交換機(jī)，將數(shù)據(jù)經(jīng)交換機(jī)傳送至解析服務(wù)器的數(shù)據(jù)組包程序，經(jīng)過數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)組包處理后，模擬生成井場數(shù)據(jù)情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端實(shí)際井場在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)映射。最后，經(jīng)過解析服務(wù)器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式后，將北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)寫入生產(chǎn)監(jiān)控實(shí)時庫數(shù)據(jù)庫，通過生產(chǎn)監(jiān)控SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的展示監(jiān)控。

（二）系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

系統(tǒng)主要利用北斗三號短報文通信功能，實(shí)現(xiàn)井場與油田平臺之間的上行、下行數(shù)據(jù)的傳輸，如圖2所示。

1.上行數(shù)據(jù)

北斗數(shù)傳終端通過串口連接到RTU，RTU設(shè)備與北斗通信終端建立通信連接，并將井場數(shù)據(jù)推送到北斗通信終端。然后通過北斗鏈路將數(shù)據(jù)傳送至架設(shè)在采油廠基地的北斗指揮機(jī)。北斗指揮機(jī)通過網(wǎng)口將數(shù)據(jù)透傳至服務(wù)器端的數(shù)據(jù)組包程序，指揮機(jī)內(nèi)部通過多北斗卡直連方式分別管理連接井場數(shù)據(jù)RTU模塊，并將匯總后的數(shù)據(jù)實(shí)時接入數(shù)據(jù)解析服務(wù)器。

2.下行數(shù)據(jù)

油田生產(chǎn)SCADA監(jiān)控平臺通過數(shù)據(jù)解析服務(wù)器將生產(chǎn)控制指令解析為偏遠(yuǎn)井RTU控制協(xié)議，下行數(shù)據(jù)量小于1K。生產(chǎn)監(jiān)控中心通過有效網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至北斗指揮機(jī)。油田偏遠(yuǎn)井現(xiàn)場則通過現(xiàn)場安裝的北斗通信終端將數(shù)據(jù)按照每分鐘一條的頻率下發(fā)至油井RTU存儲，油井RTU將指令解析后下發(fā)到井場控制單元，實(shí)現(xiàn)完整的井場設(shè)備控制。

（三）終端方案

北斗短報文數(shù)傳終端集成北斗短報文、北斗/GPS定位、數(shù)據(jù)采集處理功能，可實(shí)現(xiàn)位置和多種傳感數(shù)據(jù)的傳輸。終端外部具有RS232/485接口，可外接各類傳感器，產(chǎn)品采用天線主機(jī)一體化設(shè)計，體積小、重量輕、安裝方便?？捎糜诟鞣N野外、無人值守的數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸以及遠(yuǎn)程控制等功能。

（四）系統(tǒng)軟硬件接口

通過北斗接口協(xié)議開發(fā)，北斗數(shù)傳終端與北斗指揮機(jī)通過衛(wèi)星鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并利用北斗指揮機(jī)的網(wǎng)口與解析服務(wù)器進(jìn)行連接，通過數(shù)據(jù)解析和組包處理后，通過解析服務(wù)器網(wǎng)口與SCADA平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如圖3所示。系統(tǒng)主要涉及北斗數(shù)傳終端與RTU、北斗數(shù)傳終端與北斗指揮機(jī)、北斗指揮機(jī)與解析服務(wù)器、解析服務(wù)器與油田SCADA平臺四類接口。具體如下：

1.北斗數(shù)傳終端與RTU連接為RS232/RS485/RJ45，協(xié)議為Modbus協(xié)議。

2.北斗數(shù)傳終端與北斗指揮機(jī)之間連接為北斗衛(wèi)星鏈路，協(xié)議為北斗三號短報文協(xié)議。

3.北斗指揮機(jī)與解析服務(wù)器之間連接為RJ45網(wǎng)口，協(xié)議為TCP。

4.解析服務(wù)器與SCADA平臺之間連接為RJ45網(wǎng)口，協(xié)議為Modbus TCP。

四、推廣應(yīng)用情況

在采油廠偏遠(yuǎn)井進(jìn)行了北斗短報文數(shù)傳終端的安裝，以保證無信號區(qū)域采油井?dāng)?shù)據(jù)的正常上報。相關(guān)安裝情況如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

北斗指揮型終端安裝于采油廠信息站，與服務(wù)器之間通過網(wǎng)線連接，與天線之間通過射頻線纜相連。

五、結(jié)語

基于北斗衛(wèi)星的報文通信為油田數(shù)據(jù)傳輸提供了一種有效的途徑，作為無線傳輸系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，可以很好地解決各種復(fù)雜地面環(huán)境的信號覆蓋問題。伴隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的快速發(fā)展，北斗數(shù)傳系統(tǒng)在油田領(lǐng)域的應(yīng)用也將會有更加廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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[2]俞毅.北斗三號技術(shù)在海事中的應(yīng)用與展望[J].中國海事，2022（11）：6-8.

[3]楊宗瑤，張遠(yuǎn)，劉治軍.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋石油中的應(yīng)用與展望[J].中國高新科技，2023（04）：90-92.

[4]宋溱，龐波波，翁艷云，等.北斗短報文在全球海上遇險與安全通信領(lǐng)域的應(yīng)用與展望[J].中國航海，2022，45（04）：65-69+77.

作者單位：新疆油田公司數(shù)據(jù)公司

■ 責(zé)任編輯：王穎振、鄭凱津