新疆油田陰極保護電位數據通信方式研究

文松青 尤立華 劉遠東 王銀強 欒翔

新疆油田油氣儲運公司

新疆油田油氣管道多分布于荒漠戈壁，具有交通運輸不便、通信基礎差等特點。該油田的管道陰極保護數據仍以人工測量為主，首先經人工實地測量獲得陰極保護數據，再對數據進行整理，最后匯總并傳輸至主管部門。顯而易見，這種通信方式時效性差，過程繁瑣，無法滿足智能化油田建設的需要。

隨著科技的進步，陰極保護電位自動采集儀應運而生，實現了陰極保護數據采集的自動化，已逐步推廣到各大油田。現階段，油氣管道陰極保護數據通信主要采用GSM/GPRS模塊或者基于物聯網的NB-IoT模塊。這兩種通信方式都嚴重依賴通信基站，鑒于新疆油田油氣管道部分分布于沙漠腹地，移動基站少、通信基礎差，這兩種方式并不完全適用于該地區陰極保護數據的遠傳通信。因此，分析陰極保護數據通信系統現狀，對比市場主流無線通信方式，研究開發適用于該油田的陰極保護數據遠傳通信方式，既是基于實際的客觀需要，又具有工程指導意義。

1 現有系統通信方式

基于GSM/GPRS模塊通信技術的核心是采用一樁一卡的運行模式，其主要特征是單點采集，單點傳輸，低復雜度，系統總體結構如圖1所示。陰極保護采集儀采集陰極保護數據，通過集成在陰極保護采集儀內的GSM/GPRS模塊將數據打包傳輸至通信基站，在通信基站接入路由器傳輸至后端數據服務器、應用服務器和完整性管理平臺，經數據處理軟件處理后供主管部門調閱。

基于物聯網的NB-IoT通信技術，其系統總體結構與圖1大同小異。不同的是，NB-IoT可以實現陰極保護數據的單點采集、集散傳輸功能，減少了所需通信模塊的數量。

圖1 基于GSM/GPRS模塊通信系統總體結構Fig.1 Overall structure of communication system based on GSM/GPRS model

上述兩種數據通信方式復雜度較低，但高度依賴移動網絡，維護成本高。對于分布于沙漠腹地，通信基礎差、交通不便的地區，采用這兩種通信方式，易造成數據傳輸延時，甚至丟失。其中，GSM/GPRS通信方式為單工通信，功耗過高，嚴重縮短了陰極保護采集儀內電池使用壽命，增加了維護成本。

2 無線傳輸方式的比較

由于該油田油氣管道大多分布于荒漠戈壁，不具備有線通信的條件，所以數據通信方式只能采用無線傳輸。表1為五種無線通信方式的對比。

（1）ZigBee無線通信技術。ZigBee是一種短距離無線通信技術，具有短距離、低復雜度、自組織、低功耗的特點[1-2]。工作頻率2.4 GHz（全球），最大傳輸距離2.5 km，功耗約500 mW。ZigBee通信技術由于通信距離較短，隨著組網規模增大，會導致整個網絡臃腫不堪。

表1 五種無線通信方式的比較Tab.1 Comparison of five wireless communication modes

（2）GSM/GPRS無線通信技術。GPRS/GSM通信技術相對簡單，設備易于架設，數據傳輸速率較快；但對通信基站依賴性強，在基站通信繁忙或網絡信號差的地區，易發生數據傳輸延時，甚至丟失，且GSM/GPRS通信模塊功耗過大。

（3）NB-IoT低功耗廣域網通信技術。NB-IoT是工作于授權頻譜下的蜂窩通信技術[3]，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，實現平滑升級。NB-IoT具有廣覆蓋、低功耗、低成本和大連接等特點[4]。

（4）LoRa低功耗廣域網通信技術。LoRa是工作于全球免費頻段的無線擴頻通信技術[5-6]，具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節點、低成本的特性。最大發射功率為30 dBm（1W），接收電流5 mA，射頻電流150 mA，接收靈敏度低至-148 dBm[7-8]，在空曠環境中傳輸距離可達20 km[9]。

（5）北斗短報文通信。中國的北斗衛星系統是全球四大衛星定位系統之一[10]，最大的特色是北斗短報文通信，現已逐步推廣應用到各行各業中。北斗短報文最大的優勢是全方位覆蓋、無盲區，具有較高的數據傳輸可靠性與安全性，適用于其他通信手段無法覆蓋的地區[11-12]；但其通信容量小，運行費用高，不適合大數據量的傳輸。

綜合上述分析，ZigBee、GSM/GPRS和NB-IoT因其自身的特點，都不能很好地適應新疆油田陰極保護采集儀間的數據通信。LoRa通信技術作為一種無線鏈狀通信技術，能夠滿足油氣管道陰極保護數據采集中線狀、小流量通信拓撲的要求，并且可以自由組網形成不同的通信拓撲結構。此外，Lo-Ra具有較低成本、較高電池壽命和適用于不需要頻繁通信的應用程序或設備的特點，很好地契合了油氣管道陰極保護數據傳輸的要求。因此，最終確定陰極保護采集儀間的數據通信采用LoRa通信技術；北斗短報文以其無覆蓋盲區的優勢，可以作為沙漠腹地等通信基礎較差地區的數據遠傳手段。

3 油田陰極保護數據通信方案

3.1 LoRa通信+移動基站系統

如前文所述，基于LoRa通信技術的陰極保護采集儀間數據通信是最適合新疆油田油氣管網的。在通信基礎較好的地方，可以利用現有移動基站實現數據遠傳，其系統總體結構如圖2所示。陰極保護采集儀利用LoRa通信自組網的優勢建立完整、可靠的鏈狀通信網絡，實現陰極保護數據在陰極保護采集儀間的互聯互傳；部分集成有GSM/GPRS通信模塊的陰極保護采集儀將數據打包傳輸至通信基站，在通信基站接入路由器傳輸至后端數據服務器、應用服務器和完整性管理平臺，經數據處理軟件處理后供主管部門調閱。

圖2 LoRa通信+移動系統總體結構Fig.2 Overall structure of LoRa and mobile base station system

為保證數據傳輸的可靠性，陰極保護數據在陰極保護采集儀間冗余傳輸，形成神經網鏈狀通信拓撲。通信網絡即使同時出現若干個故障單元都不會對整個通信網絡產生影響，具有可靠性高、誤碼率低、魯棒性強等優勢。對于50 km的油氣管道（該油田油氣管道站間距約為50 km），若采用通信距離為4.5 km的LoRa模塊，可在20～30 s內完成陰極保護采集儀間的數據通信，將數據傳送至GSM/GPRS通信模塊，完成陰極保護數據遠傳。總體來說，本通信方案的時效性是較好的。

由于LoRa工作于全球免費頻段，本通信方案的投資費用主要為LoRa通信模塊和少量GSM/GPRS通信模塊的材料費和安裝建設費用，另有少量GSM/GPRS通信模塊的流量費。GSM/GPRS通信模塊的減少以及LoRa的低功耗，大大降低了系統的維護成本。從長遠看，經濟效益遠優于GSM/GPRS通信方案。

3.2 LoRa通信+北斗短報文系統

對于深處沙漠腹地的油氣管網，沒有條件采用移動基站進行通信。為獲得沙漠腹地油氣管網的陰極保護狀態，可以采用北斗短報文的方式，完成沙漠腹地陰極保護數據的遠傳，其系統總體結構如圖3所示。前端至后端通信流程為：①陰極保護采集儀利用LoRa通信自組網的優勢建立完整、可靠的鏈狀通信網絡，實現陰極保護數據在陰極保護采集儀間的互聯互傳；②部分集成有北斗發射模塊的陰極保護采集儀將陰極保護數據加密并發射傳輸到北斗衛星；③衛星運營商將收到的短報文調制解調后推送到客戶網絡服務器；④網絡服務器將數據傳輸至后端數據服務器、應用服務器和完整性管理平臺，經數據處理軟件處理后供主管部門調閱。

圖3 LoRa通信+北斗短報文系統總體結構Fig.3 Overall structure of LoRa and Beidou short message system

陰極保護采集儀每小時采集1次陰極保護數據，為降低數據轉發單元功耗，延長電池使用壽命，采集的數據先緩存在陰極保護采集儀內，定時集中遠傳。目前，民用北斗通信卡通信頻率為60 s-1，單次報文長度為78 bit。采用通信距離為4.5 km的LoRa模塊對油氣管道實行交叉度為3的交叉覆蓋。仍以50 km站間距為例，北斗發射模塊每日需上傳數據大小約為2 880 bit。換句話說，單個北斗發射終端約需37 min完成上一天的陰極保護數據遠傳工作。

與移動基站的網絡透傳模式相比，北斗通信發射終端會對所傳數據進行加密處理，安全性更高。此系統的投資主要為建設成本和北斗短報文通信費。建設成本包括北斗發射終端和LoRa通信模塊的材料費和安裝費用。仍以50 km站間距、通信距離4.5 km、交叉度為3的通信拓撲為例，其總投資約為40萬元，略高于LoRa通信+移動基站系統。與GSM/GPRS通信系統相比，其維護成本大大降低，從長遠看，該通信方案仍遠優于GSM/GPRS通信方案，更為重要的是，它提供了一種無公網地區的陰極保護數據遠傳方案。

4 結論

分析了陰極保護數據采集通信的應用現狀，比較了市場主流無線通信方式的差異，結合新疆油田的具體實際，提出了針對少數移動網絡覆蓋不到區域的陰極保護數據遠傳方案，最終確立了適用于新疆油田油氣管網的陰極保護數據通信方式，即采用LoRa通信+移動基站通信系統和LoRa通信+北斗短報文通信系統。采用神經網鏈狀通信拓撲網絡，提高了陰極保護采集儀間數據通信的可靠性。利用北斗短報文通信，解決了無人區、無公網地區的數據遠傳難題。在公網較好的地區，采用移動基站的方式，降低了整個系統的運行費用。此外，LoRa擴頻通信的低功耗，在很大程度上降低了電池的功耗，增強了續航時間，降低了維護成本。上述通信方案能滿足智能化油田建設的需要，對工程實際具有一定的指導意義。