基于北斗衛星的油田數據傳輸系統的研究

許國劍 張呈瑞 劉振國 李兵元

摘要：探討基于北斗衛星進行偏遠油井、水井實時監測、監控數據通信傳輸的應用可能性。北斗衛星導航定位采用北斗三代通信系統，具備通信服務單次短報文最大長度為14000比特、1000漢字傳輸能力。系統的應用可以有效滿足油田物聯網單井數據采集需求，通過短報文進行油田單井數據傳輸實現了油區物聯網的全區域、無盲點覆蓋，提供全天候的油田數據通信服務。

關鍵詞：北斗衛星；油田；數據傳輸

一、前言

由于油區面積較大，地形復雜，與油井配套的供水、供電系統和原油管線都需要監控。隨著數字油田、智慧油田的推進，油田數據監控拓展到通過RTU對油井、水井進行遠程控制。新疆油田采集數據的遠距離無線傳輸體系已經采用無線網橋、4G/5G、Zigbee等多類型無線傳輸方式。無線傳輸網絡實現油氣生產現場的數據采集傳輸?；诒倍沸l星短報文通信功能可以實現對油田數據的實時傳輸功能。北斗衛星信號覆蓋范圍廣，北斗三代通信能力進一步加強到1000漢字傳輸能力[1]，可以解決油田小數據量（數據單次采集低于10000比特）的需求，同時，北斗通信對于偏遠井不需要進行大量通信基礎建設的特點可以滿足油田偏遠井的現場情況。

二、油田采集及數據傳輸應用現狀

（一）油田偏遠井物聯網儀表數據采集需求

1.油田數據監控區域較大，一般一個采油廠有幾十到上百平方公里的區域。

2.有較高的實時性要求。

3.需要長時間工作，能夠適應各種氣候環境。

4.單次數據量不大（不考慮視頻監控，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）北斗三代數據傳輸性能

北斗衛星導航系統（Beidou Navigation Satellite System）發展始于20世紀90年代，經過多年的建設，目前已經成為全球四大衛星導航系統之一[2]。該系統由一系列衛星、地面監控站和用戶終端組成。北斗衛星導航系統的北斗三代短報文系統相較于北斗二代系統除了在應急救援中發揮重要作用，還增加物聯網通信等功能，并可實現數據的實時落地接入地面網絡系統[3]。北斗三號短報文系統具有短報文通信成功率更高的特點，根據評估，區域短報文通信成功率優于99.6%，同時具有單次報文內容更大的特點，相較于北斗二代通信系統，單次報文內容增加到大約1000個漢字[4]。北斗二號、三號短報文通信服務對比見表1。

油田物聯網偏遠單井需求的單次數據量和誤碼率均低于北斗三代通信指標，可有效滿足單井的數據采集需求。為滿足數據的實時采集，北斗三代通信系統可滿足端到端、端到指揮機數據傳輸需求，實現北斗數據直接接入油田生產監控中心地面光纖網絡。

三、基于北斗衛星的偏遠井傳輸解決

（一）系統拓撲

系統主要通過在偏遠油井部署北斗數傳終端，采集RTU設備的數據，利用北斗衛星鏈路將現場的生產數據進行回傳，滿足無網絡環境下的數據通信，實現對井場的實時監控，提高生產效率，保證生產安全，如圖1所示。

由圖1所示，系統主要包括北斗數傳終端、北斗指揮型終端、數據組包程序三部分，實現油井和油田平臺之間的數據接入和落地，具體如下所示：

1.數據接入

針對RTU設備，通過RS232/RS485/RJ45（串口服務器）的方式有線連接，北斗短報文數傳終端與RTU之間通過Modbus協議進行數據交互，實現數據讀取。

2.數據落地

采油廠生產管控基地安裝一臺指揮機，部署在新疆油田采油廠生產基地。指揮機負責接收各北斗短報文數傳終端反饋的采集數據，通過網線連接至交換機，將數據經交換機傳送至解析服務器的數據組包程序，經過數據接收、數據組包處理后，模擬生成井場數據情況，實現遠端實際井場在服務器端的數據映射。最后，經過解析服務器轉換數據格式后，將北斗衛星數據寫入生產監控實時庫數據庫，通過生產監控SCADA系統實現偏遠井生產數據的展示監控。

（二）系統數據流

系統主要利用北斗三號短報文通信功能，實現井場與油田平臺之間的上行、下行數據的傳輸，如圖2所示。

1.上行數據

北斗數傳終端通過串口連接到RTU，RTU設備與北斗通信終端建立通信連接，并將井場數據推送到北斗通信終端。然后通過北斗鏈路將數據傳送至架設在采油廠基地的北斗指揮機。北斗指揮機通過網口將數據透傳至服務器端的數據組包程序，指揮機內部通過多北斗卡直連方式分別管理連接井場數據RTU模塊，并將匯總后的數據實時接入數據解析服務器。

2.下行數據

油田生產SCADA監控平臺通過數據解析服務器將生產控制指令解析為偏遠井RTU控制協議，下行數據量小于1K。生產監控中心通過有效網絡將數據發送至北斗指揮機。油田偏遠井現場則通過現場安裝的北斗通信終端將數據按照每分鐘一條的頻率下發至油井RTU存儲，油井RTU將指令解析后下發到井場控制單元，實現完整的井場設備控制。

（三）終端方案

北斗短報文數傳終端集成北斗短報文、北斗/GPS定位、數據采集處理功能，可實現位置和多種傳感數據的傳輸。終端外部具有RS232/485接口，可外接各類傳感器，產品采用天線主機一體化設計，體積小、重量輕、安裝方便?？捎糜诟鞣N野外、無人值守的數據采集、處理、傳輸以及遠程控制等功能。

（四）系統軟硬件接口

通過北斗接口協議開發，北斗數傳終端與北斗指揮機通過衛星鏈路進行數據通信，并利用北斗指揮機的網口與解析服務器進行連接，通過數據解析和組包處理后，通過解析服務器網口與SCADA平臺進行數據通信，如圖3所示。系統主要涉及北斗數傳終端與RTU、北斗數傳終端與北斗指揮機、北斗指揮機與解析服務器、解析服務器與油田SCADA平臺四類接口。具體如下：

1.北斗數傳終端與RTU連接為RS232/RS485/RJ45，協議為Modbus協議。

2.北斗數傳終端與北斗指揮機之間連接為北斗衛星鏈路，協議為北斗三號短報文協議。

3.北斗指揮機與解析服務器之間連接為RJ45網口，協議為TCP。

4.解析服務器與SCADA平臺之間連接為RJ45網口，協議為Modbus TCP。

四、推廣應用情況

在采油廠偏遠井進行了北斗短報文數傳終端的安裝，以保證無信號區域采油井數據的正常上報。相關安裝情況如圖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，與服務器之間通過網線連接，與天線之間通過射頻線纜相連。

五、結語

基于北斗衛星的報文通信為油田數據傳輸提供了一種有效的途徑，作為無線傳輸系統的有效補充，可以很好地解決各種復雜地面環境的信號覆蓋問題。伴隨著北斗衛星導航定位系統的快速發展，北斗數傳系統在油田領域的應用也將會有更加廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]劉鐵君，郭小飛.基于“北斗+物聯網+AIS技術”的水上安全監管系統研發與應用[J].中國海事，2021（06）：61-63.

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

[3]楊宗瑤，張遠，劉治軍.北斗衛星導航系統在海洋石油中的應用與展望[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域的應用與展望[J].中國航海，2022，45（04）：65-69+77.

作者單位：新疆油田公司數據公司

■ 責任編輯：王穎振、鄭凱津