基于TD-LTE的油水井電量監測物聯平臺的研究與設計

曹旭東 薛大歡 王政（中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京 102200）

基于TD-LTE的油水井電量監測物聯平臺的研究與設計

曹旭東 薛大歡 王政（中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京 102200）

對基于TD-LTE的油水井電量監測組網平臺進行了研究，監測終端以STM32F103RC6為核心，利用電量測量芯片CS5463A，以標準MODBUS協議發送給數字中心。管理軟件采集各油井的用電參數，存儲到本地Oracle數據庫，對設備運行狀態做全生命周期管理，實現了油水井用電物聯化、數字化的新型管理體系的目標。

TD-LTE組網；MODBUS協議；STM32F103RCT6

隨著“互聯網+”概念的提出，傳感技術、現代測量技術、云存儲等技術在傳統工業改造升級中不斷發展和革新，智能油田的研究是必然趨勢，而智能油田通信網絡建設、組網、以及智能終端是重點研究的對象。結合我國油田勘探開采的現況及需求分析，薄弱環節在于通信接入層部分的網絡建設、網絡協議的不標準和數據存儲方式的不統一，很難形成規模龐大的系統體系，進而對油田管理、開采、預判等形成不利條件。采用新一代無線通信技術TD-LTE（Time Division Long Term Evolution），又稱OFDM技術，網絡架構扁平化，傳輸速率更快，網絡性能更優，能適應業務承載量大的油田物聯網建設，通信質量和效率得到大大的提高。另外，自助研發了一套監測測量設備，具有電參數測量、數據處理、遠程啟停井、多接口兼容，標準MOD?BUS協議通信的智能設備，實現了少人化、智能化、信息化的目的，切實提高油田自動化管理水平。

1 TD-LTE系統架構

1.1 TD-LTE關鍵技術應用

TD-LTE系統接入網絡采用扁平化的網絡結構，采用上行同步技術即要求分配在同一時隙的來自不同距離、不同用戶終端的上行信號能夠同步地到達基站。通過合并時域、頻域的動態信道分配技術，TD-LTE能夠自動將系統自身的干擾最小化，從而取得最佳的頻譜效率、業務質量。

TD-LTE傳輸技術采用OFDM調制技術，將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸，并通過層二調度器對無線資源進行動態調度，特別適用于小數據包、高頻次、常在線業務的物聯網網絡通信。同時，通過采用循環前綴CP（Cyclic Prefix）技術，增強系統的抗多徑能力和覆蓋能力。

1.2 TD-LTE組網方案設計

油田安全高效的開采是至關重要的，但各采油區各油井分布比較零散、無規律，鋪設光纖成本太高、有線網絡的方案在油田行不通，基于TD-LTE無線通信網絡技術迅猛發展，以TDLTE技術為支撐搭建區域集群網絡，以滿足油井分布不平衡的需求。在每口油井配置射頻模塊，與電量采集模塊連接，通過射頻形式接收TD-LTE基站信號，實現數據傳輸，保障油田電網和通信網的服務質量，宏觀的網絡架構如圖1所示。

圖1 TD-LTE組網系統框圖

2 電力參數測量

2.1 電能計量芯片CS5463

隨著微電子、大規模集成電路的革新發展，智能設備中集成芯片的應用逐漸替代了傳統阻容器件搭建電路的模式，CS5463計量精度高，是專門測量電力線參數的集成芯片，具有硬校表和軟校表2種方式，開發應用性價比高，故選擇這款芯片測量電量各種參數。

2.2 電力參數測量方案

采用可編程邏輯器件STM32為主控制器，控制電量參數的讀取、控制信號的發出以及與射頻模塊的通信。電能參數采用CS5463，被監測電力線路（或電力設備）的A、B、C三相電力線路經電壓/電流互感器降壓耦合出電流信號，經輸入電路的預處理之后傳輸到芯片CS5463A；CS5463A將轉化的數據通過SPI接口傳輸給單片機，通過其豐富的通訊兼容接口（DJ-45、RS-232、RS-485接口）與TD-LTE的射頻模塊連接，進行測量數據無線外傳，進而組建遙信、遙測網絡。

3 智能電參監測終端設計

智能電參監測終端，包含電參采集模塊設計、通信模塊設計、報警模塊設計、繼電器模塊設計，整套設備電路設計較復雜，模塊較多，因此選擇電力參數測量電路設進行分析。

該核心電路模塊采用智能芯片CS5463A開發，A（B、C）相信號在接入前串聯一電阻限流，且并聯一電容濾波，電壓經多級變壓降壓成0-5V信號進入CS5463A，電流信號經電流互感器耦合產生輸入到CS5463A的電流輸入引腳；電路中采用24M的晶振給CS5463A提供工作脈沖信號；單片機采用SPI接口與CS5463A通信，向CS5463A寫配置命令字，上電后即開始讀取數據，并進行處理，存儲到相應的寄存器，完成相關的讀寫操作。

4 系統軟件架構設計

對于工業現場各種強電磁干擾因數的影響，在設計中增加了各種干擾因數算法的預處理，以及對于標準MODBUS通信做了多種判斷，排除因干擾而破壞數據的完整性。

4.1 系統主程序設計

主程序模塊主要完成系統定時器初始化、串口中斷初始化、CS5463初始化、MODBUS判斷、測量數據處理、通訊處理等功能，其流程圖如同3所示。