基于TD-LTE的油水井電量監(jiān)測物聯(lián)平臺的研究與設(shè)計

曹旭東 薛大歡 王政（中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102200）

基于TD-LTE的油水井電量監(jiān)測物聯(lián)平臺的研究與設(shè)計

曹旭東 薛大歡 王政（中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102200）

對基于TD-LTE的油水井電量監(jiān)測組網(wǎng)平臺進(jìn)行了研究，監(jiān)測終端以STM32F103RC6為核心，利用電量測量芯片CS5463A，以標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議發(fā)送給數(shù)字中心。管理軟件采集各油井的用電參數(shù)，存儲到本地Oracle數(shù)據(jù)庫，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)做全生命周期管理，實現(xiàn)了油水井用電物聯(lián)化、數(shù)字化的新型管理體系的目標(biāo)。

TD-LTE組網(wǎng)；MODBUS協(xié)議；STM32F103RCT6

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出，傳感技術(shù)、現(xiàn)代測量技術(shù)、云存儲等技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)改造升級中不斷發(fā)展和革新，智能油田的研究是必然趨勢，而智能油田通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、組網(wǎng)、以及智能終端是重點(diǎn)研究的對象。結(jié)合我國油田勘探開采的現(xiàn)況及需求分析，薄弱環(huán)節(jié)在于通信接入層部分的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲方式的不統(tǒng)一，很難形成規(guī)模龐大的系統(tǒng)體系，進(jìn)而對油田管理、開采、預(yù)判等形成不利條件。采用新一代無線通信技術(shù)TD-LTE（Time Division Long Term Evolution），又稱OFDM技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化，傳輸速率更快，網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)，能適應(yīng)業(yè)務(wù)承載量大的油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，通信質(zhì)量和效率得到大大的提高。另外，自助研發(fā)了一套監(jiān)測測量設(shè)備，具有電參數(shù)測量、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程啟停井、多接口兼容，標(biāo)準(zhǔn)MOD?BUS協(xié)議通信的智能設(shè)備，實現(xiàn)了少人化、智能化、信息化的目的，切實提高油田自動化管理水平。

1 TD-LTE系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

TD-LTE系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用上行同步技術(shù)即要求分配在同一時隙的來自不同距離、不同用戶終端的上行信號能夠同步地到達(dá)基站。通過合并時域、頻域的動態(tài)信道分配技術(shù)，TD-LTE能夠自動將系統(tǒng)自身的干擾最小化，從而取得最佳的頻譜效率、業(yè)務(wù)質(zhì)量。

TD-LTE傳輸技術(shù)采用OFDM調(diào)制技術(shù)，將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸，并通過層二調(diào)度器對無線資源進(jìn)行動態(tài)調(diào)度，特別適用于小數(shù)據(jù)包、高頻次、常在線業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信。同時，通過采用循環(huán)前綴CP（Cyclic Prefix）技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。

1.2 TD-LTE組網(wǎng)方案設(shè)計

油田安全高效的開采是至關(guān)重要的，但各采油區(qū)各油井分布比較零散、無規(guī)律，鋪設(shè)光纖成本太高、有線網(wǎng)絡(luò)的方案在油田行不通，基于TD-LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，以TDLTE技術(shù)為支撐搭建區(qū)域集群網(wǎng)絡(luò)，以滿足油井分布不平衡的需求。在每口油井配置射頻模塊，與電量采集模塊連接，通過射頻形式接收TD-LTE基站信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，保障油田電網(wǎng)和通信網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量，宏觀的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 TD-LTE組網(wǎng)系統(tǒng)框圖

2 電力參數(shù)測量

2.1 電能計量芯片CS5463

隨著微電子、大規(guī)模集成電路的革新發(fā)展，智能設(shè)備中集成芯片的應(yīng)用逐漸替代了傳統(tǒng)阻容器件搭建電路的模式，CS5463計量精度高，是專門測量電力線參數(shù)的集成芯片，具有硬校表和軟校表2種方式，開發(fā)應(yīng)用性價比高，故選擇這款芯片測量電量各種參數(shù)。

2.2 電力參數(shù)測量方案

采用可編程邏輯器件STM32為主控制器，控制電量參數(shù)的讀取、控制信號的發(fā)出以及與射頻模塊的通信。電能參數(shù)采用CS5463，被監(jiān)測電力線路（或電力設(shè)備）的A、B、C三相電力線路經(jīng)電壓/電流互感器降壓耦合出電流信號，經(jīng)輸入電路的預(yù)處理之后傳輸?shù)叫酒珻S5463A；CS5463A將轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)通過SPI接口傳輸給單片機(jī)，通過其豐富的通訊兼容接口（DJ-45、RS-232、RS-485接口）與TD-LTE的射頻模塊連接，進(jìn)行測量數(shù)據(jù)無線外傳，進(jìn)而組建遙信、遙測網(wǎng)絡(luò)。

3 智能電參監(jiān)測終端設(shè)計

智能電參監(jiān)測終端，包含電參采集模塊設(shè)計、通信模塊設(shè)計、報警模塊設(shè)計、繼電器模塊設(shè)計，整套設(shè)備電路設(shè)計較復(fù)雜，模塊較多，因此選擇電力參數(shù)測量電路設(shè)進(jìn)行分析。

該核心電路模塊采用智能芯片CS5463A開發(fā)，A（B、C）相信號在接入前串聯(lián)一電阻限流，且并聯(lián)一電容濾波，電壓經(jīng)多級變壓降壓成0-5V信號進(jìn)入CS5463A，電流信號經(jīng)電流互感器耦合產(chǎn)生輸入到CS5463A的電流輸入引腳；電路中采用24M的晶振給CS5463A提供工作脈沖信號；單片機(jī)采用SPI接口與CS5463A通信，向CS5463A寫配置命令字，上電后即開始讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，存儲到相應(yīng)的寄存器，完成相關(guān)的讀寫操作。

4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

對于工業(yè)現(xiàn)場各種強(qiáng)電磁干擾因數(shù)的影響，在設(shè)計中增加了各種干擾因數(shù)算法的預(yù)處理，以及對于標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通信做了多種判斷，排除因干擾而破壞數(shù)據(jù)的完整性。

4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序模塊主要完成系統(tǒng)定時器初始化、串口中斷初始化、CS5463初始化、MODBUS判斷、測量數(shù)據(jù)處理、通訊處理等功能，其流程圖如同3所示。