新疆油田阴极保护电位数据通信方式研究

文松青 尤立华 刘远东 王银强 栾翔

新疆油田油气储运公司

新疆油田油气管道多分布于荒漠戈壁，具有交通运输不便、通信基础差等特点。该油田的管道阴极保护数据仍以人工测量为主，首先经人工实地测量获得阴极保护数据，再对数据进行整理，最后汇总并传输至主管部门。显而易见，这种通信方式时效性差，过程繁琐，无法满足智能化油田建设的需要。

随着科技的进步，阴极保护电位自动采集仪应运而生，实现了阴极保护数据采集的自动化，已逐步推广到各大油田。现阶段，油气管道阴极保护数据通信主要采用GSM/GPRS模块或者基于物联网的NB-IoT模块。这两种通信方式都严重依赖通信基站，鉴于新疆油田油气管道部分分布于沙漠腹地，移动基站少、通信基础差，这两种方式并不完全适用于该地区阴极保护数据的远传通信。因此，分析阴极保护数据通信系统现状，对比市场主流无线通信方式，研究开发适用于该油田的阴极保护数据远传通信方式，既是基于实际的客观需要，又具有工程指导意义。

1 现有系统通信方式

基于GSM/GPRS模块通信技术的核心是采用一桩一卡的运行模式，其主要特征是单点采集，单点传输，低复杂度，系统总体结构如图1所示。阴极保护采集仪采集阴极保护数据，通过集成在阴极保护采集仪内的GSM/GPRS模块将数据打包传输至通信基站，在通信基站接入路由器传输至后端数据服务器、应用服务器和完整性管理平台，经数据处理软件处理后供主管部门调阅。

基于物联网的NB-IoT通信技术，其系统总体结构与图1大同小异。不同的是，NB-IoT可以实现阴极保护数据的单点采集、集散传输功能，减少了所需通信模块的数量。

图1 基于GSM/GPRS模块通信系统总体结构Fig.1 Overall structure of communication system based on GSM/GPRS model

上述两种数据通信方式复杂度较低，但高度依赖移动网络，维护成本高。对于分布于沙漠腹地，通信基础差、交通不便的地区，采用这两种通信方式，易造成数据传输延时，甚至丢失。其中，GSM/GPRS通信方式为单工通信，功耗过高，严重缩短了阴极保护采集仪内电池使用寿命，增加了维护成本。

2 无线传输方式的比较

由于该油田油气管道大多分布于荒漠戈壁，不具备有线通信的条件，所以数据通信方式只能采用无线传输。表1为五种无线通信方式的对比。

（1）ZigBee无线通信技术。ZigBee是一种短距离无线通信技术，具有短距离、低复杂度、自组织、低功耗的特点[1-2]。工作频率2.4 GHz（全球），最大传输距离2.5 km，功耗约500 mW。ZigBee通信技术由于通信距离较短，随着组网规模增大，会导致整个网络臃肿不堪。

表1 五种无线通信方式的比较Tab.1 Comparison of five wireless communication modes

（2）GSM/GPRS无线通信技术。GPRS/GSM通信技术相对简单，设备易于架设，数据传输速率较快；但对通信基站依赖性强，在基站通信繁忙或网络信号差的地区，易发生数据传输延时，甚至丢失，且GSM/GPRS通信模块功耗过大。

（3）NB-IoT低功耗广域网通信技术。NB-IoT是工作于授权频谱下的蜂窝通信技术[3]，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，实现平滑升级。NB-IoT具有广覆盖、低功耗、低成本和大连接等特点[4]。

（4）LoRa低功耗广域网通信技术。LoRa是工作于全球免费频段的无线扩频通信技术[5-6]，具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性。最大发射功率为30 dBm（1W），接收电流5 mA，射频电流150 mA，接收灵敏度低至-148 dBm[7-8]，在空旷环境中传输距离可达20 km[9]。

（5）北斗短报文通信。中国的北斗卫星系统是全球四大卫星定位系统之一[10]，最大的特色是北斗短报文通信，现已逐步推广应用到各行各业中。北斗短报文最大的优势是全方位覆盖、无盲区，具有较高的数据传输可靠性与安全性，适用于其他通信手段无法覆盖的地区[11-12]；但其通信容量小，运行费用高，不适合大数据量的传输。

综合上述分析，ZigBee、GSM/GPRS和NB-IoT因其自身的特点，都不能很好地适应新疆油田阴极保护采集仪间的数据通信。LoRa通信技术作为一种无线链状通信技术，能够满足油气管道阴极保护数据采集中线状、小流量通信拓扑的要求，并且可以自由组网形成不同的通信拓扑结构。此外，Lo-Ra具有较低成本、较高电池寿命和适用于不需要频繁通信的应用程序或设备的特点，很好地契合了油气管道阴极保护数据传输的要求。因此，最终确定阴极保护采集仪间的数据通信采用LoRa通信技术；北斗短报文以其无覆盖盲区的优势，可以作为沙漠腹地等通信基础较差地区的数据远传手段。

3 油田阴极保护数据通信方案

3.1 LoRa通信+移动基站系统

如前文所述，基于LoRa通信技术的阴极保护采集仪间数据通信是最适合新疆油田油气管网的。在通信基础较好的地方，可以利用现有移动基站实现数据远传，其系统总体结构如图2所示。阴极保护采集仪利用LoRa通信自组网的优势建立完整、可靠的链状通信网络，实现阴极保护数据在阴极保护采集仪间的互联互传；部分集成有GSM/GPRS通信模块的阴极保护采集仪将数据打包传输至通信基站，在通信基站接入路由器传输至后端数据服务器、应用服务器和完整性管理平台，经数据处理软件处理后供主管部门调阅。

图2 LoRa通信+移动系统总体结构Fig.2 Overall structure of LoRa and mobile base station system

为保证数据传输的可靠性，阴极保护数据在阴极保护采集仪间冗余传输，形成神经网链状通信拓扑。通信网络即使同时出现若干个故障单元都不会对整个通信网络产生影响，具有可靠性高、误码率低、鲁棒性强等优势。对于50 km的油气管道（该油田油气管道站间距约为50 km），若采用通信距离为4.5 km的LoRa模块，可在20～30 s内完成阴极保护采集仪间的数据通信，将数据传送至GSM/GPRS通信模块，完成阴极保护数据远传。总体来说，本通信方案的时效性是较好的。

由于LoRa工作于全球免费频段，本通信方案的投资费用主要为LoRa通信模块和少量GSM/GPRS通信模块的材料费和安装建设费用，另有少量GSM/GPRS通信模块的流量费。GSM/GPRS通信模块的减少以及LoRa的低功耗，大大降低了系统的维护成本。从长远看，经济效益远优于GSM/GPRS通信方案。

3.2 LoRa通信+北斗短报文系统

对于深处沙漠腹地的油气管网，没有条件采用移动基站进行通信。为获得沙漠腹地油气管网的阴极保护状态，可以采用北斗短报文的方式，完成沙漠腹地阴极保护数据的远传，其系统总体结构如图3所示。前端至后端通信流程为：①阴极保护采集仪利用LoRa通信自组网的优势建立完整、可靠的链状通信网络，实现阴极保护数据在阴极保护采集仪间的互联互传；②部分集成有北斗发射模块的阴极保护采集仪将阴极保护数据加密并发射传输到北斗卫星；③卫星运营商将收到的短报文调制解调后推送到客户网络服务器；④网络服务器将数据传输至后端数据服务器、应用服务器和完整性管理平台，经数据处理软件处理后供主管部门调阅。

图3 LoRa通信+北斗短报文系统总体结构Fig.3 Overall structure of LoRa and Beidou short message system

阴极保护采集仪每小时采集1次阴极保护数据，为降低数据转发单元功耗，延长电池使用寿命，采集的数据先缓存在阴极保护采集仪内，定时集中远传。目前，民用北斗通信卡通信频率为60 s-1，单次报文长度为78 bit。采用通信距离为4.5 km的LoRa模块对油气管道实行交叉度为3的交叉覆盖。仍以50 km站间距为例，北斗发射模块每日需上传数据大小约为2 880 bit。换句话说，单个北斗发射终端约需37 min完成上一天的阴极保护数据远传工作。

与移动基站的网络透传模式相比，北斗通信发射终端会对所传数据进行加密处理，安全性更高。此系统的投资主要为建设成本和北斗短报文通信费。建设成本包括北斗发射终端和LoRa通信模块的材料费和安装费用。仍以50 km站间距、通信距离4.5 km、交叉度为3的通信拓扑为例，其总投资约为40万元，略高于LoRa通信+移动基站系统。与GSM/GPRS通信系统相比，其维护成本大大降低，从长远看，该通信方案仍远优于GSM/GPRS通信方案，更为重要的是，它提供了一种无公网地区的阴极保护数据远传方案。

4 结论

分析了阴极保护数据采集通信的应用现状，比较了市场主流无线通信方式的差异，结合新疆油田的具体实际，提出了针对少数移动网络覆盖不到区域的阴极保护数据远传方案，最终确立了适用于新疆油田油气管网的阴极保护数据通信方式，即采用LoRa通信+移动基站通信系统和LoRa通信+北斗短报文通信系统。采用神经网链状通信拓扑网络，提高了阴极保护采集仪间数据通信的可靠性。利用北斗短报文通信，解决了无人区、无公网地区的数据远传难题。在公网较好的地区，采用移动基站的方式，降低了整个系统的运行费用。此外，LoRa扩频通信的低功耗，在很大程度上降低了电池的功耗，增强了续航时间，降低了维护成本。上述通信方案能满足智能化油田建设的需要，对工程实际具有一定的指导意义。