低功耗無線儀表在天然氣采集輸場站使用案例分析

李俊秋 王克瓊 李海莉 劉婷 胡洋 羊映 鄧啟志

（西南油氣田分公司川西北氣礦）

目前我國油氣井分布具有點(diǎn)多面廣、環(huán)境惡劣、交通不便、生產(chǎn)成本高、員工勞動強(qiáng)度大等特點(diǎn)。在推進(jìn)油氣田全面數(shù)字化的進(jìn)程中最難解決的也就是偏遠(yuǎn)井站和閥室的數(shù)據(jù)采集、傳輸監(jiān)測的問題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式為“單井—中心站—作業(yè)區(qū)”租用鏈路+自建光纖傳輸?shù)哪Ｊ剑c此同時(shí)，傳統(tǒng)的管理方式為“中心站值守+單井周期人工巡檢”。因此，急需通過建設(shè)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來改變現(xiàn)有的生產(chǎn)管理模式。若偏遠(yuǎn)低效井仍采用傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)“儀表-RTU-遠(yuǎn)傳模塊-基站（網(wǎng)關(guān)）”的建設(shè)方式，勢必會增大建設(shè)費(fèi)用，因此通過對低功耗無線儀表的投用，打造“儀表- 基站（網(wǎng)關(guān)）”的數(shù)據(jù)透傳新模式，不僅能夠優(yōu)化鏈路層級，減少中間傳輸環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，還能夠大幅降低油氣田數(shù)字化建設(shè)成本。

1 低功耗儀表概述

隨著微電子和無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前無線通訊方式由于簡單易行、成本低、功耗低等特點(diǎn)，比起傳統(tǒng)的儀表，無線儀表更能贏得的市場的喜愛，且因融合了越來越多的先進(jìn)無線通信技術(shù)[1]，無線儀表開始被引入到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中。比較常見的無線通訊技術(shù)主要有RFID、NFC、Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、LoRa 等 等。其 中RFID、NFC 多用于電子標(biāo)簽，現(xiàn)已在油氣田場站廣泛使用；Wi-Fi 技術(shù)使用頻率最高，具有覆蓋面大、功耗高、數(shù)據(jù)傳輸速率高、部署和操作簡單的特點(diǎn)，更適用于有IP 入網(wǎng)需求和傳輸速率較高的無線通訊場景；Zigbee 與Bluetooth 具有短距離傳輸、成本低、時(shí)延短、傳輸速率和復(fù)雜度低的特點(diǎn)[2]，適用于近距離和傳輸率較低的雙向容錯(cuò)無線通訊場景；3G/4G、光纖運(yùn)用也很廣泛，但功耗和建設(shè)成本過高，可以用于油氣田相對集中重點(diǎn)高產(chǎn)井的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。若用這些傳統(tǒng)的通訊技術(shù)用來解決油氣田偏遠(yuǎn)低產(chǎn)井的數(shù)字化問題就顯得捉襟見肘，這樣看來似乎遠(yuǎn)距離傳輸和功耗成本二者不可兼顧。此時(shí)，新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的低功耗廣域網(wǎng)的誕生可以有效解決以上矛盾。接下來，主要通過LoRa 和NB-IoT 兩種低功耗無線通訊技術(shù)分析，來驗(yàn)證其是否在油氣田能夠適用[3-6]。

從低產(chǎn)井信息化建設(shè)業(yè)務(wù)需求及數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求，提出了以下14 項(xiàng)技術(shù)需求指標(biāo)，通訊技術(shù)要求見表1。其中包含了通信距離、平均功耗等關(guān)鍵技術(shù)需求指標(biāo)。為后續(xù)低功耗儀表形成技術(shù)方案提供了有效支撐。

表1 通訊技術(shù)需求

1.1 LoRa（Long Range）技術(shù)介紹

LoRa 是一種新型的基于1 GHz 以下的長距離、低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，是一種使用擴(kuò)頻調(diào)制機(jī)制的無線通信技術(shù)。LoRa 技術(shù)融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和向前糾錯(cuò)編碼技術(shù)，通過使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，既保持了像FSK（頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)能夠并行接受并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。LoRa 技術(shù)有以下特點(diǎn)：遠(yuǎn)距離，164 dB 鏈路預(yù)算，傳輸距離大于8 km；易部署，快速、靈活的基礎(chǔ)設(shè)施易組網(wǎng)且投資成本較少；低功耗，LoRa 節(jié)點(diǎn)模塊僅用于通訊，電池壽命長達(dá)5 年；低成本，免牌照的頻段，網(wǎng)關(guān)、路由器建設(shè)和運(yùn)營、節(jié)點(diǎn)、終端成本低。

1.2 NB-IoT技術(shù)介紹

NB-IoT 整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為了5部分：NBIoT 終端、基站、核心網(wǎng)、IoT 平臺、應(yīng)用服務(wù)器。低功耗是NB-IoT 技術(shù)的重要技術(shù)特性之一，使得基于NB 通信模塊的終端可以保證長時(shí)間的運(yùn)作，不用頻繁更換電池來進(jìn)行供電操作，省時(shí)省力。該技術(shù)通過以下幾種方式保持低功耗：降低芯片復(fù)雜度，從而減少工作電流；簡化空口信號命令，減少單次傳輸功耗；PSM 省電模式；eDRX 節(jié)電技術(shù)；長周期TAU 減少發(fā)送位置更新，降低功耗，不同通訊技術(shù)對比見表2。

表2 不同通信技術(shù)對比

2 低功耗儀表在井站實(shí)際應(yīng)用效果分析

將以XX 油田的偏遠(yuǎn)低產(chǎn)井為例，將LoRa、NB-IoT 兩種通訊方式設(shè)備投用半年的實(shí)際效果進(jìn)行分析。

2.1 建設(shè)成本對比

以實(shí)現(xiàn)低效井油、套壓數(shù)據(jù)采集為例，采用A公司建設(shè)費(fèi)用1.5萬元，B公司建設(shè)費(fèi)用3萬元，傳統(tǒng)模式則需要15 萬元。無線低功耗儀表建設(shè)方案與傳統(tǒng)建設(shè)方案相比，平均可節(jié)約80%的建設(shè)成本。

2.2 網(wǎng)絡(luò)租賃費(fèi)對比

以實(shí)現(xiàn)低效井油、套壓數(shù)據(jù)采集為例（不含視頻監(jiān)控，1個(gè)一體化終端），網(wǎng)絡(luò)租賃費(fèi)用A公司需要0.04 萬元/a，B 公司需要0.005 萬元/a，傳統(tǒng)光纖模式則需要5.2 萬元/a。可見采用無線低功耗儀表網(wǎng)絡(luò)租賃費(fèi)與傳統(tǒng)光纖租賃模式相比，平均可節(jié)約90%以上的網(wǎng)絡(luò)租賃費(fèi)。

2.3 電費(fèi)對比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該油田信息化遠(yuǎn)傳的低產(chǎn)無人值守井用電費(fèi)用一般在200元以下，改造后，無電能消耗。綜合計(jì)算低產(chǎn)無人值守井使用無線低功耗儀表每年每站可節(jié)約用電量約3 025 kWh，節(jié)約電費(fèi)約130元。

2.4 維護(hù)成本

以XX14 井為例，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維單位每年例行對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行檢測維護(hù)4次，因設(shè)備、系統(tǒng)故障臨時(shí)檢修每年約2～4次，自控運(yùn)維單位每年對站控系統(tǒng)檢測維護(hù)2～3次，本單位內(nèi)部儀表班、電工班、信息化管理員每年對數(shù)據(jù)采集儀表檢定維護(hù)4～6 次，平均來看各專業(yè)單位對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸模式的信息化系統(tǒng)每年需維護(hù)10～14次。采用低功耗儀表后因不需要市電供電系統(tǒng)，檢測儀表、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量大幅度減少，各工種對設(shè)備維護(hù)工作量也相應(yīng)大幅度降低，每年4～6次檢測、維護(hù)就能滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸要求，通過無線低功耗儀表的使用可減少維護(hù)工作量60%以上[7-8]。

3 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和無線儀表技術(shù)的逐漸成熟，全面啟動數(shù)字化建設(shè)、實(shí)施數(shù)字化管理，是油氣田企業(yè)上游業(yè)務(wù)提高生產(chǎn)效率、加強(qiáng)安全環(huán)保、促進(jìn)節(jié)能減排、改善工作條件、優(yōu)化生產(chǎn)組織方式、控制生產(chǎn)用工的有效途徑，是加快發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、提高油氣田開發(fā)管理水平和綜合效益的必然選擇。根據(jù)來自不同廠家的LoRa、NB-IoT 等幾種無線技術(shù)設(shè)備在天燃?xì)馄h(yuǎn)低產(chǎn)井的實(shí)際應(yīng)用對比分析可見，低功耗儀表不僅保障了油氣田偏遠(yuǎn)地產(chǎn)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)、完整、安全可靠的同時(shí)，大大降低了建設(shè)運(yùn)維費(fèi)用，使得低成本物聯(lián)網(wǎng)通訊成為可能。低功耗無線儀表的全面推廣應(yīng)用為油田信息化和工業(yè)化的深度融合提供了有力的支撐[9-11]。