基于北斗卫星的油田数据传输系统的研究

许国剑 张呈瑞 刘振国 李兵元

摘要：探讨基于北斗卫星进行偏远油井、水井实时监测、监控数据通信传输的应用可能性。北斗卫星导航定位采用北斗三代通信系统，具备通信服务单次短报文最大长度为14000比特、1000汉字传输能力。系统的应用可以有效满足油田物联网单井数据采集需求，通过短报文进行油田单井数据传输实现了油区物联网的全区域、无盲点覆盖，提供全天候的油田数据通信服务。

关键词：北斗卫星；油田；数据传输

一、前言

由于油区面积较大，地形复杂，与油井配套的供水、供电系统和原油管线都需要监控。随着数字油田、智慧油田的推进，油田数据监控拓展到通过RTU对油井、水井进行远程控制。新疆油田采集数据的远距离无线传输体系已经采用无线网桥、4G/5G、Zigbee等多类型无线传输方式。无线传输网络实现油气生产现场的数据采集传输。基于北斗卫星短报文通信功能可以实现对油田数据的实时传输功能。北斗卫星信号覆盖范围广，北斗三代通信能力进一步加强到1000汉字传输能力[1]，可以解决油田小数据量（数据单次采集低于10000比特）的需求，同时，北斗通信对于偏远井不需要进行大量通信基础建设的特点可以满足油田偏远井的现场情况。

二、油田采集及数据传输应用现状

（一）油田偏远井物联网仪表数据采集需求

1.油田数据监控区域较大，一般一个采油厂有几十到上百平方公里的区域。

2.有较高的实时性要求。

3.需要长时间工作，能够适应各种气候环境。

4.单次数据量不大（不考虑视频监控，每3分钟一次，一次1K-2Kbit）。

5.误码率要求较高。

6.有一定的保密要求。

（二）北斗三代数据传输性能

北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System）发展始于20世纪90年代，经过多年的建设，目前已经成为全球四大卫星导航系统之一[2]。该系统由一系列卫星、地面监控站和用户终端组成。北斗卫星导航系统的北斗三代短报文系统相较于北斗二代系统除了在应急救援中发挥重要作用，还增加物联网通信等功能，并可实现数据的实时落地接入地面网络系统[3]。北斗三号短报文系统具有短报文通信成功率更高的特点，根据评估，区域短报文通信成功率优于99.6%，同时具有单次报文内容更大的特点，相较于北斗二代通信系统，单次报文内容增加到大约1000个汉字[4]。北斗二号、三号短报文通信服务对比见表1。

油田物联网偏远单井需求的单次数据量和误码率均低于北斗三代通信指标，可有效满足单井的数据采集需求。为满足数据的实时采集，北斗三代通信系统可满足端到端、端到指挥机数据传输需求，实现北斗数据直接接入油田生产监控中心地面光纤网络。

三、基于北斗卫星的偏远井传输解决

（一）系统拓扑

系统主要通过在偏远油井部署北斗数传终端，采集RTU设备的数据，利用北斗卫星链路将现场的生产数据进行回传，满足无网络环境下的数据通信，实现对井场的实时监控，提高生产效率，保证生产安全，如图1所示。

由图1所示，系统主要包括北斗数传终端、北斗指挥型终端、数据组包程序三部分，实现油井和油田平台之间的数据接入和落地，具体如下所示：

1.数据接入

针对RTU设备，通过RS232/RS485/RJ45（串口服务器）的方式有线连接，北斗短报文数传终端与RTU之间通过Modbus协议进行数据交互，实现数据读取。

2.数据落地

采油厂生产管控基地安装一台指挥机，部署在新疆油田采油厂生产基地。指挥机负责接收各北斗短报文数传终端反馈的采集数据，通过网线连接至交换机，将数据经交换机传送至解析服务器的数据组包程序，经过数据接收、数据组包处理后，模拟生成井场数据情况，实现远端实际井场在服务器端的数据映射。最后，经过解析服务器转换数据格式后，将北斗卫星数据写入生产监控实时库数据库，通过生产监控SCADA系统实现偏远井生产数据的展示监控。

（二）系统数据流

系统主要利用北斗三号短报文通信功能，实现井场与油田平台之间的上行、下行数据的传输，如图2所示。

1.上行数据

北斗数传终端通过串口连接到RTU，RTU设备与北斗通信终端建立通信连接，并将井场数据推送到北斗通信终端。然后通过北斗链路将数据传送至架设在采油厂基地的北斗指挥机。北斗指挥机通过网口将数据透传至服务器端的数据组包程序，指挥机内部通过多北斗卡直连方式分别管理连接井场数据RTU模块，并将汇总后的数据实时接入数据解析服务器。

2.下行数据

油田生产SCADA监控平台通过数据解析服务器将生产控制指令解析为偏远井RTU控制协议，下行数据量小于1K。生产监控中心通过有效网络将数据发送至北斗指挥机。油田偏远井现场则通过现场安装的北斗通信终端将数据按照每分钟一条的频率下发至油井RTU存储，油井RTU将指令解析后下发到井场控制单元，实现完整的井场设备控制。

（三）终端方案

北斗短报文数传终端集成北斗短报文、北斗/GPS定位、数据采集处理功能，可实现位置和多种传感数据的传输。终端外部具有RS232/485接口，可外接各类传感器，产品采用天线主机一体化设计，体积小、重量轻、安装方便。可用于各种野外、无人值守的数据采集、处理、传输以及远程控制等功能。

（四）系统软硬件接口

通过北斗接口协议开发，北斗数传终端与北斗指挥机通过卫星链路进行数据通信，并利用北斗指挥机的网口与解析服务器进行连接，通过数据解析和组包处理后，通过解析服务器网口与SCADA平台进行数据通信，如图3所示。系统主要涉及北斗数传终端与RTU、北斗数传终端与北斗指挥机、北斗指挥机与解析服务器、解析服务器与油田SCADA平台四类接口。具体如下：

1.北斗数传终端与RTU连接为RS232/RS485/RJ45，协议为Modbus协议。

2.北斗数传终端与北斗指挥机之间连接为北斗卫星链路，协议为北斗三号短报文协议。

3.北斗指挥机与解析服务器之间连接为RJ45网口，协议为TCP。

4.解析服务器与SCADA平台之间连接为RJ45网口，协议为Modbus TCP。

四、推广应用情况

在采油厂偏远井进行了北斗短报文数传终端的安装，以保证无信号区域采油井数据的正常上报。相关安装情况如图4、图5、图6、图7所示。

北斗指挥型终端安装于采油厂信息站，与服务器之间通过网线连接，与天线之间通过射频线缆相连。

五、结语

基于北斗卫星的报文通信为油田数据传输提供了一种有效的途径，作为无线传输系统的有效补充，可以很好地解决各种复杂地面环境的信号覆盖问题。伴随着北斗卫星导航定位系统的快速发展，北斗数传系统在油田领域的应用也将会有更加广阔的发展前景。

参考文献

[1]刘铁君，郭小飞.基于“北斗+物联网+AIS技术”的水上安全监管系统研发与应用[J].中国海事，2021（06）：61-63.

[2]俞毅.北斗三号技术在海事中的应用与展望[J].中国海事，2022（11）：6-8.

[3]杨宗瑶，张远，刘治军.北斗卫星导航系统在海洋石油中的应用与展望[J].中国高新科技，2023（04）：90-92.

[4]宋溱，庞波波，翁艳云，等.北斗短报文在全球海上遇险与安全通信领域的应用与展望[J].中国航海，2022，45（04）：65-69+77.

作者单位：新疆油田公司数据公司

■ 责任编辑：王颖振、郑凯津