偏远油气井北斗短报文数据传输系统的建构与应用

姚彬

中国石化西北油田分公司

新疆是我国重要的油气生产基地，其油气生产区域主要集中在沙漠、戈壁、山地等环境恶劣的地区，为了保证油气田生产管理信息系统的安全、高效与稳定的通信，各油气田都建设了光缆网络系统，也有部分油气田采用公众网的移动信号；但由于距离、地形、成本和保密等原因，一些偏远油气井开发数据无法接入现有的光缆系统与GPRS（通用遥控传感器）系统[1-2]，存在较多通信盲点。虽然这类油气井的绝对数量不多，但其开发数据对新区勘探成果的再认识及老油田的挖潜都占有举足轻重的地位，实现对偏远油气井开发数据的实时、高效、保密的双向传输势在必行。

随着我国北斗卫星导航系统（BDS）建成及BDS短报文功能的不断完善，为偏远油气田数据传输与集中监控提供了一个新的不受距离、地形、天气等不利因素影响，且造价低、使用方便的卫星双向数据传输方式[3-5]，该方式对偏远油气井以及油气田的勘探开发和挖潜增效有着十分重大的意义。

1 BDS短报文开发

1.1 BDS短报文功能

BDS具有定位、授时和短报文三种功能，BDS短报文是BDS所独有的一项极具开发与应用潜力的功能，其数据传输方式采用L和S波段，实现目标型用户与管理型用户间的双向数据传输[6]。目标型用户为数据采集与控制的对象，BDS短报文的接收/发送由RDSS（卫星无线电导航业务）/RNSS（卫星无线电测定业务）用户机来完成；而管理型用户为目标型用户的管理方，BDS短报文的接收/发送由RDSS/RNSS指挥管理机来完成。

对于BDS短报文的数据传输，不需要申请专用信道，用户可向航天集团的BDS应用管理办公室申请办理ID账号，ID账号分为目标用户ID和指挥用户ID两类。BDS短报文业务对不同用户开放程度有所不同，数据传输周期与信息容量也不同，如对军队开放的每次传输容量为240 Byte，对民用部分短报文免费开放的每次传输容量为78.5 Byte。民用BDS短报文的用户ID号是北斗三级智能卡，免费通信，数据传输周期为1 min，即每个目标用户每分钟可收发1次78.5 Byte的数据，基本能够满足油气田的1个井站或1套装置的数据传输需求。

1.2 BDS短报文信息传递过程

BDS短报文的信息传递可分为多个目标用户与一个指挥用户的“多对一”，和一个目标用户与另一个目标用户之间“一对一”的双向数据传输，“多对一”是比较常见的通信方式。BDS短报文信息传递过程见图1。

图1 BDS短报文信息传递过程示意图Fig.1 Schematic diagram of BDS short message information transfer process

由图1可知，目标型用户使用的RDSS/RNSS用户机与管理型用户使用的RDSS/RNSS指挥管理机之间的BDS短报文的信息传递过程为：目标型用户的数据输入用户机后，用户机先将数据编译成符合北斗4.0接口规约的短报文，经过一次编译与加密后等待发送。接收到北斗卫星询问信号，把短报文由用户机传送给2颗北斗卫星，其接到信息分别把短报文转发给地面站；地面站接收到加密短报文，由地面站后台的信息管理系统进行解析与解密，然后二次编译与二次加密，二次加密的短报文再转发给北斗卫星；北斗卫星接收到二次加密的短报文，直接转发给管理型用户的指挥管理机，经指挥管理机的解密与编译，通过3个Modbus接口传送给管理型用户的DCS（分布式控制系统）组态系统，反向通信过程亦然。对于“点对点”的BDS短报文的信息传输与“多对一”的数据传输过程也是完全一致的[7]。

1.3 BDS短报文数据结构

按照北斗2.1/4.0接口规约的规定，BDS短报文有发送信息和接收信息两种格式，目标型用户的DRSS（数据中继卫星系统）/DNSS（国防导航卫星系统）用户机发送的信息格式为：

用户机按照上述信息格式把BDS短报文发送到2颗卫星上，卫星把短报文信息传送给地面站；经地面站后台信息系统解密并再次加密后，地面站按照接收信息格式编译加密短报文，并发送给北斗卫星，北斗卫星再次转发给指定管理型用户的指挥管理机，接收信息格式为：

BDS短报文除收发地址、信息长度、校验和等定位与验证信息外，民用短报文可传输的电文内容为78.5 Byte。在油田DCS的底层PLC（可编程逻辑控制器）系统中，采集或控制所需的每个数据，如压力、温度、液位、流量、含水或浓度等均为一个浮点数占用2 Byte；而每个开关量或运行状态数据占用1 Byte，即每一个民用BDS短报文收发终端，每次收发可用的数据量不低于39组，基本能够满足一个中小型油气生产场所PLC系统对数据传输的需求。

2 系统建构

把偏远油气井BDS短报文数据传输系统的目标型用户和管理型用户定义为油井操作层和管理控制层，这两者之间用目标型用户的ID和用户机与管理型用户的ID和指挥管理机之间的双向数据传输，并由BDS来完成。偏远油气井BDS短报文双向数据传输系统见图2。

图2 偏远油气井BDS短报文数据传输系统示意图Fig.2 Schematic diagram of remote oil and gas well BDS short message data transmission system

由图2可知，在目标型用户的油气井操作层内，其信息主要包括三大类：第一类是信息集中采集的DTU（数据传输单元）；第二类为信息直接采集独立传感器；第三类为由PLC来实现的独立采集与控制单元。第一类和第二类为数据采集设备，采集的数据可以单向传输到DNSS和DNSS用户机。通过用户机编译和加密，经北斗导航卫星将数据单向传输到指挥管理机，由其解密和编译再转发给DCS组态系统，其数据可以直接为管理者所使用。

第三类通常为独立的功能单元，如分离器、加热炉、储油罐及外输系统等。这些不同的独立功能单元依据一定的生产控制逻辑，由1套PLC系统来实现各个功能单元的独立控制，其控制边界需要根据生产情况进行设置或调整。这些需要调整的分离器液位与调节阀、储油罐液位与外输泵变频器，以及加热炉出口温度和大小火等的连锁设置参数，需要依据生产变化对其进行调整，这类信息需要双向数据传输。

3 系统应用及效果

2019年6月，在塔里木油田克拉油气开发部KeS2-1-11和KL2-10井上，开展了BDS短报文数据传输系统的试验。这2口井均为试采井，其流程为：井口产出的油气水经高压分离器分离，分离出的气相经流量计量后汇入天然气高压集输管网并输送到油气处理厂；而分离出的液相经流量计量与含水计量后进入储油罐，储油罐内的液体经离心泵加压后进入低压原油管网。KeS2-1-11和KL2-10井主要由高压分离器PLC单元和储液罐泵输PLC单元控制。在高压分离器PLC系统单元中，主要采集数据为油压、套压、油嘴后压力与温度、分离器进口压力与温度、分离器液位、日产气量、日产液量和液相含水等，共为10个主要技术参数，占用40 Byte。根据生产情况，需要调整的技术指标为PLC系统中PID（按比例积分微分）调节模块对高压分离器液位调节阀的比例P、积分I和微分D的数值，共为3个参数，占用12 Byte。在储液罐泵输PLC系统单元中，主要采集数据为储罐液位、离心泵电流与转速、出口压力等，共为4个主要技术参数，占用16 Byte。根据生产情况，需要调整的技术指标为PLC系统中用于液位与变频器连锁的液位值，占用4 Byte。

总共需要占用的短报文内容的容量为72 Byte，符合北斗4.0接口规约的短报文信号电文内容不超过78.5 Byte要求[8]。每口油井采用1台TS8612型DRSS/DNSS目标型用户机，2口油井共用1台BNZ200型RDSS/RNSS指挥管理机。指挥管理机的1个Modbus RS-485接口，直接接入克拉处理厂的DCS组态系统中，用于偏远油气井的管理，所有硬件、软件与服务均由巴州康菲能源科技有限公司提供。

为了进一步了解偏远油气井BDS短报文数据传输系统的稳定性和误报（漏报）情况，把管理型用户的指挥管理机的另一个Modbus RS-485接口接入笔记本电脑上的组态系统，直接监控高压分离计量系统。

自2019年6月以来，对KeS2-1-11和KL2-10井上高压分离计量部分的BDS短报文数据传输系统的检测，没有发现误报、漏报等现象，完全满足偏远油气井数据传输的要求[9]。

4 技术特点

BDS短报文数据传输系统在KeS2-1-11和KL2-10井上的应用表明，该系统具有以下优势：

（1）成本低。能实现特定油气场所的远传远控与数据采集，与常规光缆系统的数据传输相比成本非常低，每套BDS短报文数据传输系统的造价不足光缆系统的1/3。

（2）保密性好。每个目标用户与卫星之间、卫星与地面站之间、地面站与卫星和管理型用户之间的传输通道均为军用及保密通道，与公共网络和数据无关，具有极高的保密性。

（3）性能稳定、准确性高、漏报误报率低。BDS的漏报误报率指标为0.001%，实际使用过程中未发现漏报误报情况。

（4）适用范围广，不受环境条件影响。BDS目前已全部覆盖我国的陆地、海洋等区域，所有目标用户均不受距离、空间与环境的影响。

5 结束语

偏远油气井利用BDS短报文功能，实现数据传输或远传远控，为油气田信息管理提供了一个新手段。该系统具有成本低、准确性高、保密性好、稳定性强和适用范围广等优点，不受距离、地形和环境的影响，可以作为油田的安全生产和实时准确的数据采集与数据传输的重要补充手段，具有广泛的应用前景，尤其适用于偏远沙漠、海洋等地区的油田。