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摘要:论文主要从海上边际油田的开发来阐述传输系统的研究思路，通过对运用无线数字传输方式的基本原理，以及采用新技术设备和远程监控系统对无人井口平台进行有效的数据采集和控制进行详细的研究与分析。特别是针对井口平台ESD及PLC系统，中心平台对其进行自动远程生产监控，介绍了控制系统的性能和功用，并针对海上特殊生产环境，简要地介绍了太阳能供电系统。
关键词：数字传输；数字微波；ESD；PLC；SDH；光伏发电；光纤传输
中图分类号：TN914文献标识码： A
引言：海油总提出渤海2015年实现5 000～6 500万m的宏伟目标，其中开发边际油气田是非常重要的组成部分。为了降低海洋石油工程开发成本，有效开发海洋石油边际油田，探索低成本的简易设施设计技术是必由之路，这对边际油气田的总体开发方案优化设计提出了很高的要求。
1、边际油田的传输系统研究思路
目前随着中国海洋石油勘探开发的迅猛发展，我们已在中国海洋上建设起一座座现代化海上油田群，而边际油气田则分布在这些油气田群附近，所以开发边际油气田可依附原有油气田的基础设施。
如何对无人井口平台采集现场数据，在中心平台实现远程监控，是保证安全生产的关键。这就要求数字传输系统能够有可靠的安全性。在无人井口简易设施设计方案研究中，运用通讯系统，采用新技术设备和远程监控系统进行有效的数据采集和控制是简易设施方案中必然要考虑的。中心平台对其进行自动远程生产监控，尤其是对无人井口平台ESD及PLC系统，安全等级要求非常高。而通讯方式有许多种，根据海上油田分布的特点，我们选用二种传输方式研究，一种是选用无线通讯系统传输方式，另一种是选用光纤系统传输方式。
2、无线数字传输方式
2.1基本工作原理
在每一个子站（即无人职守小平台或简易架平台）上配置一台无线数字微波设备，然后根据子站的工艺要求和现场数据量的要求配置PLC(可编程控制器)，并用标准的数据端口与PLC连接，然后再通过子站架设的发射天线，以无线传输的方式将现场数据传送到中心平台去。典型结构拓扑图有二种：一是点对点通讯方式（见图1）；二是点对多点通讯方式（见图2）。
无线通讯数据传输系统安装简便、维护简单、扩展性好、并且费用较低。
（1）点对点通讯使网络数据传输更快更安全，传输数据量更大；采用这种结构不会因为Serve的通讯瓶颈造成网络通讯阻塞，网络负荷不堪重负等问题
图1点对点通讯
（2）采用点对点的通讯方式有效防止了网络单点故障。
图2点对多点通讯
2.2 主要技术要求
（1）传输距离20～40 km；
（2）采用点对点和点对多点的方式进行数据传输；
（3）数字微波设备和PLC设备可采用太阳能电池或者DC电池供电。
2.3 无线数字微波设备的主要特点和技术指标
2.3.1 主要特点
以SCADA MDSX710数传电台为例：可以在每一个子站（即无人职守小平台或机架）上配置一台MDS X710数传电台，它提供标准的RS-232 DB25 的数据接口，直流10VDC～16VDC供电，功耗在25～30W之间。然后根据子站的工艺要求和现场数据量的要求配置PLC(可编程控制器)，并用RS-232 DB25数据端口与PLC连接，然后再通过子站架设的发射天线，以无线传输的方式将现场数据传送到中心平台去。子站数据传输的方式有二种：第一是远端子站主动上报，以时间间隔为单位进行数据传输。这要求后端的PLC有着准确的时间控制机制。第二是主站轮寻的方式，即点名上报。主站要求其中一个子站发送，那么这个子站就开始上报数据。
在中心平台的X710数传电台通过RS-232 DB25 的数据接口与组态服务器连接，进行远程数据采集和监控。
X710工作频段：
2710 工作在220～240MHz；
4710工作在330～512MHz；
9710工作在800～960MHz。
2.3.2主要技术指标
X710系列主要技术指标如下：
发射频率
220～240 MHz
330～512 MHz
800～960 MHz
信道带宽
12.5（X710A）/25kHz（X710C）
频率步进值
6.25KHz
接收频率
220～240 MHz
330～512 MHz
800～960 MHz
信号标准
RS～232
数据接口
DB～25阴
数据特征
数据接口速率(异步)：110/300 bps～38.4 kbps，包括1200,2400,4800,9600bps
MODEM传输速率：9600/19200bps
数据传输延时：最大7～10ms
发射机
调制类型：二进制连续相位频移键控(CPFSK)
载波功率：0.1～5W(可调)
工作循环：连续
输出阻抗：50欧姆
频率稳定度：±1.5´10 -6
接收机
类型：超外差双转换
最大灵敏度：-111/105dBm (BER 10-6)
频率稳定度：±1.55´10-6
带宽：12.5/25kHz
电源
直流电压：额定13.8V（10.5到16V）
TX供电电流：最大2.5A
RX供电电流：125mA
备用(睡眠方式)电流：15mA
保險丝：4A
环境
温度范围：-30度到+60度（全部性能）
-40度到+70度（运行状态）
湿度：在+40度时为95%
物理接口
天线接口: N 型母头
数据端口: DB-25母头
诊断端口: RJ-11
2.4 双机热备
根据海上边际油田的特点，因为是无人井口平台，考虑到一是无线通讯在海上应用的特殊性和维护（修）不便性。二是多径干扰，加上海水的潮汐作用和安装高度的有限，所以使用双机热备。使用双机热备时，一是可以在一台LEDR 400 F 出现故障时自动切换到另外一台相同的设备，保证应用的不中断。二是由设备本身的一些问题引起误码率增大时自动切换到误码率小的另一台设备。当所工作的电台检测到一个数据流错误后系统会自动切换到备份信道上，即另一台上进行工作，从而保证系统可靠地运行。
2.5 PLC数据采集控制
生产监控调度系统主要有三部分组成：通讯部分，数据采集控制部分（RTU），上位机部分。数据采集控制部分（RTU）可根据边际油田现场实际数据量配备，选择适合于室外生产区安装等级要求的设备。
中心平台中控室与简易无人平台之间可以用数字数传电台实现测控数据，无人平台井口电潜泵的电压、电流、运行、停止和故障信号及油管线的压力、温度等数据通过PLC(RTU)采集，通过RS-232接口与数字电台连接，传送到中心平台中控室，在控制室显示、报警和打印；控制室对井口平台的控制信号也将通过数字电台传送到PLC，对电潜泵和阀进行控制；同时PLC也可以自动根据相应的条件对电潜泵和阀进行控制。
中心平台中控室与简易无人平台之间还可以通过数字数传电台实现对讲话音通讯、配备复用器配多串口卡实现数据、电话、图像综合传输。
2.6太阳能供电方案
对于简易无人平台设备供电方式可利用海底电缆输送220V50HZ交流电源，如果在无此电源的情况下，可利用太阳能供电方式。
太阳能供电是利用光伏发电技术直接将太阳的光能转换为电能，可谓取之不尽，用之不竭。一方面用此技术制作的光伏电板（太阳能板）使用方便，特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使太阳能供电系统更加简化，应用更加快捷。光伏电源提供全天候不间断电源，可以为传输系统提供稳定的高品质电源。
在简易无人平台上，为了尽可能的降低风险、减少投入，可以考虑选择用太阳能为通讯数据传输系统供电，并采用一套最基本的配置——太阳能光伏发电板、充电控制器、逆变器和蓄电池。即使在遇到连续数日阴雨的天气情况下，太阳能系统仍然能维持设备的正常工作。
对于简易无人平台，如果数据传输电台功耗30W，数据采集PLC功耗100W，选用12V 50W和24V100W的太阳能电池就可以满足需要。
3、光纤系统传输方式
3.1 光纤接入通讯原理介绍：
利用海底复合电缆的光缆接入同步光纤网络多路复用设备，可以设置成不同的网络拓扑结构，包括点到点，线性分插，自愈通道保护环，多环和多环加分站结构。同步光纤网络多路复用器是基于SONET/SDH标准，通过光纤来传输数据，话音，视频图像和干结点信号及MODBUS协议的产品，具有丰富的业务接口及高可靠性。
3.2 光纤接入通讯系统实施方案
3.2.1 PLC可编程控制器传输
在简易架平台上安装一个室外防爆箱，将PLC（可编程控制器）和光纤接入设备安装在里面，PLC进行现场控制点的数据采集及控制，通过PLC上的RS485接口将数据传给光纤接入设备上的RS485接口卡，进而将数据传送到中心平台的光纤接入设备上，并通过相应的RS485接口传给中控设备的上位机。
3.2.2 SDH同步数字体系传输
对于无人井口平台，根据需要，如果有干结点信号需要单独传输（例如重要的ESD关断信号），也可利用SDH光传输系统。采用先进的光纤SDH通信设备可以构建一体化的光纤SDH多业务通信平台（一体化是指将话音通讯、监控图像、以太网数据等应用“无缝”地集成连接到一个SONET通信平台上）。通过网络管理平台进行简单、有效的管理。
SDH光传输系统作为光纤通讯主干网传输话音、视频、数据及干结点信号，SDH系统以油田群CEP平台为中心，和各井口平台及简易平台之间组成自愈环网，SDH设备可提供相应的话音接口卡件传输话音、专用视频传输卡件传输图像信号、以太网接口卡件传输数据信号、专用干结点卡件或远动保护卡件传输紧急关断信号及中控系统信号，以确保传输干结点信号的稳定性。SDH设备要满足工业通信的设计要求，系统可运行于恶劣的环境，并遵循STM-4标准。
4、无人井口平台的通讯业务要求
4.1 主要数据采集
在海洋石油油田群中，无人井口平台主要采集传输各大系统提供的数据，包括原油生产过程监视与控制、天然气初加工过程监视与控制、注水系统过程监视和控制、公用系统监视和控制、火气探测和安全等系统给出的数据。
4.2 需要传输参数
海上平台主要传输安全生产应急报警、关断参数；电潜泵的运行、停止、电压、电流、压力表、故障报警、远端停机参数；井口管汇的压力，温度和安全阀关断参数。
5、实例分析
海上平台对于安全生产提出很高的要求，也就是说对设备的可靠性要求非常高，不能有任何的误动作，否则会影响生产，甚至导致油田停产。目前中海油海上油田大部分采用海底复合电缆（动力电缆和光缆）配备光端设备传输生产、应急等数据控制信号。在新建海上平台上应用比较广泛的是海底复合电缆配备SDH同步数字传输设备来传输生产控制信号、视频监视信号、电话、广播等通讯信号。其中传输紧急关断为干接点信号，这就要求SDH专用的卡件电路中每个回路的设计必须完全独立并隔离，DTT卡件中传输干接点信号的4个电路设计完全独立并隔离，接收端在收到，也只有收到一个完整的正确的96－bit帧时才发出一个预定的动作信号。在正常传输下，误动作的概率优于10-72,这是实际应用时的最低点，同时， 甚至在连续的0.1误码率（最坏情况），误动作概率也只有 10-16也就是300 000年一次。一般来说，从A平台传输关断信号到B平台的主要延时来自设备本身的延时（信号在海底光缆的传输速度为5微秒/公里，可以忽略不计），专用设备卡件的端到端延时为3毫秒，能够满足最严格的关断信号延时要求。2003年投产的CFD11项目7个平台成功应用了专用DTT设备，在FPSO紧急发电机组启动时，必须在10毫秒之内切断不必要的负荷（甩负荷，即传输干接点信号），并保证电潜泵正常运行。原因是我们用的电源是50赫兹，倒数是一个周波的周期，即20毫秒，在负载到最大前，也就是半个周波，10毫秒内必须完成A平台到B平台信号的动作。目前，海上多个油田已经应用此系统进行远程传输与监控，如：BZ28-2S海上油气田、JZ21-1海上油气田、JZ9-3海上油气田以及南海部分海上油田群。
6、结论
对于上述二种方案，无线数字传输方式，在没有敷设海底电缆的情况下，采用此方案，比较经济、方便，但是无线数字传输方式受海水镜像反射影响，有时会发生中断现象。而海底复合光缆传输，安全、可靠，不会受外界环境影响，但费用会比较高。
参考文献：
[1] 孫学康，毛京丽.SDH技术（第二版）[M]. 北京：人民邮电出版社，2009-07-01.
[2] 赵东风，等. SDH光传输技术及设备[M]. 北京：北京邮电大学出版社, 2012-08-01.
[3] 廖常初. PLC基础及应用（第2版）[M]. 北京：机械工业出版社,2011-01-01.
[4] 海洋石油工程设计指南 第四篇海上油气田仪电信系统设计[S].
关键词：数字传输；数字微波；ESD；PLC；SDH；光伏发电；光纤传输
中图分类号：TN914文献标识码： A
引言：海油总提出渤海2015年实现5 000～6 500万m的宏伟目标，其中开发边际油气田是非常重要的组成部分。为了降低海洋石油工程开发成本，有效开发海洋石油边际油田，探索低成本的简易设施设计技术是必由之路，这对边际油气田的总体开发方案优化设计提出了很高的要求。
1、边际油田的传输系统研究思路
目前随着中国海洋石油勘探开发的迅猛发展，我们已在中国海洋上建设起一座座现代化海上油田群，而边际油气田则分布在这些油气田群附近，所以开发边际油气田可依附原有油气田的基础设施。
如何对无人井口平台采集现场数据，在中心平台实现远程监控，是保证安全生产的关键。这就要求数字传输系统能够有可靠的安全性。在无人井口简易设施设计方案研究中，运用通讯系统，采用新技术设备和远程监控系统进行有效的数据采集和控制是简易设施方案中必然要考虑的。中心平台对其进行自动远程生产监控，尤其是对无人井口平台ESD及PLC系统，安全等级要求非常高。而通讯方式有许多种，根据海上油田分布的特点，我们选用二种传输方式研究，一种是选用无线通讯系统传输方式，另一种是选用光纤系统传输方式。
2、无线数字传输方式
2.1基本工作原理
在每一个子站（即无人职守小平台或简易架平台）上配置一台无线数字微波设备，然后根据子站的工艺要求和现场数据量的要求配置PLC(可编程控制器)，并用标准的数据端口与PLC连接，然后再通过子站架设的发射天线，以无线传输的方式将现场数据传送到中心平台去。典型结构拓扑图有二种：一是点对点通讯方式（见图1）；二是点对多点通讯方式（见图2）。
无线通讯数据传输系统安装简便、维护简单、扩展性好、并且费用较低。
（1）点对点通讯使网络数据传输更快更安全，传输数据量更大；采用这种结构不会因为Serve的通讯瓶颈造成网络通讯阻塞，网络负荷不堪重负等问题
图1点对点通讯
（2）采用点对点的通讯方式有效防止了网络单点故障。
图2点对多点通讯
2.2 主要技术要求
（1）传输距离20～40 km；
（2）采用点对点和点对多点的方式进行数据传输；
（3）数字微波设备和PLC设备可采用太阳能电池或者DC电池供电。
2.3 无线数字微波设备的主要特点和技术指标
2.3.1 主要特点
以SCADA MDSX710数传电台为例：可以在每一个子站（即无人职守小平台或机架）上配置一台MDS X710数传电台，它提供标准的RS-232 DB25 的数据接口，直流10VDC～16VDC供电，功耗在25～30W之间。然后根据子站的工艺要求和现场数据量的要求配置PLC(可编程控制器)，并用RS-232 DB25数据端口与PLC连接，然后再通过子站架设的发射天线，以无线传输的方式将现场数据传送到中心平台去。子站数据传输的方式有二种：第一是远端子站主动上报，以时间间隔为单位进行数据传输。这要求后端的PLC有着准确的时间控制机制。第二是主站轮寻的方式，即点名上报。主站要求其中一个子站发送，那么这个子站就开始上报数据。
在中心平台的X710数传电台通过RS-232 DB25 的数据接口与组态服务器连接，进行远程数据采集和监控。
X710工作频段：
2710 工作在220～240MHz；
4710工作在330～512MHz；
9710工作在800～960MHz。
2.3.2主要技术指标
X710系列主要技术指标如下：
发射频率
220～240 MHz
330～512 MHz
800～960 MHz
信道带宽
12.5（X710A）/25kHz（X710C）
频率步进值
6.25KHz
接收频率
220～240 MHz
330～512 MHz
800～960 MHz
信号标准
RS～232
数据接口
DB～25阴
数据特征
数据接口速率(异步)：110/300 bps～38.4 kbps，包括1200,2400,4800,9600bps
MODEM传输速率：9600/19200bps
数据传输延时：最大7～10ms
发射机
调制类型：二进制连续相位频移键控(CPFSK)
载波功率：0.1～5W(可调)
工作循环：连续
输出阻抗：50欧姆
频率稳定度：±1.5´10 -6
接收机
类型：超外差双转换
最大灵敏度：-111/105dBm (BER 10-6)
频率稳定度：±1.55´10-6
带宽：12.5/25kHz
电源
直流电压：额定13.8V（10.5到16V）
TX供电电流：最大2.5A
RX供电电流：125mA
备用(睡眠方式)电流：15mA
保險丝：4A
环境
温度范围：-30度到+60度（全部性能）
-40度到+70度（运行状态）
湿度：在+40度时为95%
物理接口
天线接口: N 型母头
数据端口: DB-25母头
诊断端口: RJ-11
2.4 双机热备
根据海上边际油田的特点，因为是无人井口平台，考虑到一是无线通讯在海上应用的特殊性和维护（修）不便性。二是多径干扰，加上海水的潮汐作用和安装高度的有限，所以使用双机热备。使用双机热备时，一是可以在一台LEDR 400 F 出现故障时自动切换到另外一台相同的设备，保证应用的不中断。二是由设备本身的一些问题引起误码率增大时自动切换到误码率小的另一台设备。当所工作的电台检测到一个数据流错误后系统会自动切换到备份信道上，即另一台上进行工作，从而保证系统可靠地运行。
2.5 PLC数据采集控制
生产监控调度系统主要有三部分组成：通讯部分，数据采集控制部分（RTU），上位机部分。数据采集控制部分（RTU）可根据边际油田现场实际数据量配备，选择适合于室外生产区安装等级要求的设备。
中心平台中控室与简易无人平台之间可以用数字数传电台实现测控数据，无人平台井口电潜泵的电压、电流、运行、停止和故障信号及油管线的压力、温度等数据通过PLC(RTU)采集，通过RS-232接口与数字电台连接，传送到中心平台中控室，在控制室显示、报警和打印；控制室对井口平台的控制信号也将通过数字电台传送到PLC，对电潜泵和阀进行控制；同时PLC也可以自动根据相应的条件对电潜泵和阀进行控制。
中心平台中控室与简易无人平台之间还可以通过数字数传电台实现对讲话音通讯、配备复用器配多串口卡实现数据、电话、图像综合传输。
2.6太阳能供电方案
对于简易无人平台设备供电方式可利用海底电缆输送220V50HZ交流电源，如果在无此电源的情况下，可利用太阳能供电方式。
太阳能供电是利用光伏发电技术直接将太阳的光能转换为电能，可谓取之不尽，用之不竭。一方面用此技术制作的光伏电板（太阳能板）使用方便，特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使太阳能供电系统更加简化，应用更加快捷。光伏电源提供全天候不间断电源，可以为传输系统提供稳定的高品质电源。
在简易无人平台上，为了尽可能的降低风险、减少投入，可以考虑选择用太阳能为通讯数据传输系统供电，并采用一套最基本的配置——太阳能光伏发电板、充电控制器、逆变器和蓄电池。即使在遇到连续数日阴雨的天气情况下，太阳能系统仍然能维持设备的正常工作。
对于简易无人平台，如果数据传输电台功耗30W，数据采集PLC功耗100W，选用12V 50W和24V100W的太阳能电池就可以满足需要。
3、光纤系统传输方式
3.1 光纤接入通讯原理介绍：
利用海底复合电缆的光缆接入同步光纤网络多路复用设备，可以设置成不同的网络拓扑结构，包括点到点，线性分插，自愈通道保护环，多环和多环加分站结构。同步光纤网络多路复用器是基于SONET/SDH标准，通过光纤来传输数据，话音，视频图像和干结点信号及MODBUS协议的产品，具有丰富的业务接口及高可靠性。
3.2 光纤接入通讯系统实施方案
3.2.1 PLC可编程控制器传输
在简易架平台上安装一个室外防爆箱，将PLC（可编程控制器）和光纤接入设备安装在里面，PLC进行现场控制点的数据采集及控制，通过PLC上的RS485接口将数据传给光纤接入设备上的RS485接口卡，进而将数据传送到中心平台的光纤接入设备上，并通过相应的RS485接口传给中控设备的上位机。
3.2.2 SDH同步数字体系传输
对于无人井口平台，根据需要，如果有干结点信号需要单独传输（例如重要的ESD关断信号），也可利用SDH光传输系统。采用先进的光纤SDH通信设备可以构建一体化的光纤SDH多业务通信平台（一体化是指将话音通讯、监控图像、以太网数据等应用“无缝”地集成连接到一个SONET通信平台上）。通过网络管理平台进行简单、有效的管理。
SDH光传输系统作为光纤通讯主干网传输话音、视频、数据及干结点信号，SDH系统以油田群CEP平台为中心，和各井口平台及简易平台之间组成自愈环网，SDH设备可提供相应的话音接口卡件传输话音、专用视频传输卡件传输图像信号、以太网接口卡件传输数据信号、专用干结点卡件或远动保护卡件传输紧急关断信号及中控系统信号，以确保传输干结点信号的稳定性。SDH设备要满足工业通信的设计要求，系统可运行于恶劣的环境，并遵循STM-4标准。
4、无人井口平台的通讯业务要求
4.1 主要数据采集
在海洋石油油田群中，无人井口平台主要采集传输各大系统提供的数据，包括原油生产过程监视与控制、天然气初加工过程监视与控制、注水系统过程监视和控制、公用系统监视和控制、火气探测和安全等系统给出的数据。
4.2 需要传输参数
海上平台主要传输安全生产应急报警、关断参数；电潜泵的运行、停止、电压、电流、压力表、故障报警、远端停机参数；井口管汇的压力，温度和安全阀关断参数。
5、实例分析
海上平台对于安全生产提出很高的要求，也就是说对设备的可靠性要求非常高，不能有任何的误动作，否则会影响生产，甚至导致油田停产。目前中海油海上油田大部分采用海底复合电缆（动力电缆和光缆）配备光端设备传输生产、应急等数据控制信号。在新建海上平台上应用比较广泛的是海底复合电缆配备SDH同步数字传输设备来传输生产控制信号、视频监视信号、电话、广播等通讯信号。其中传输紧急关断为干接点信号，这就要求SDH专用的卡件电路中每个回路的设计必须完全独立并隔离，DTT卡件中传输干接点信号的4个电路设计完全独立并隔离，接收端在收到，也只有收到一个完整的正确的96－bit帧时才发出一个预定的动作信号。在正常传输下，误动作的概率优于10-72,这是实际应用时的最低点，同时， 甚至在连续的0.1误码率（最坏情况），误动作概率也只有 10-16也就是300 000年一次。一般来说，从A平台传输关断信号到B平台的主要延时来自设备本身的延时（信号在海底光缆的传输速度为5微秒/公里，可以忽略不计），专用设备卡件的端到端延时为3毫秒，能够满足最严格的关断信号延时要求。2003年投产的CFD11项目7个平台成功应用了专用DTT设备，在FPSO紧急发电机组启动时，必须在10毫秒之内切断不必要的负荷（甩负荷，即传输干接点信号），并保证电潜泵正常运行。原因是我们用的电源是50赫兹，倒数是一个周波的周期，即20毫秒，在负载到最大前，也就是半个周波，10毫秒内必须完成A平台到B平台信号的动作。目前，海上多个油田已经应用此系统进行远程传输与监控，如：BZ28-2S海上油气田、JZ21-1海上油气田、JZ9-3海上油气田以及南海部分海上油田群。
6、结论
对于上述二种方案，无线数字传输方式，在没有敷设海底电缆的情况下，采用此方案，比较经济、方便，但是无线数字传输方式受海水镜像反射影响，有时会发生中断现象。而海底复合光缆传输，安全、可靠，不会受外界环境影响，但费用会比较高。
参考文献：
[1] 孫学康，毛京丽.SDH技术（第二版）[M]. 北京：人民邮电出版社，2009-07-01.
[2] 赵东风，等. SDH光传输技术及设备[M]. 北京：北京邮电大学出版社, 2012-08-01.
[3] 廖常初. PLC基础及应用（第2版）[M]. 北京：机械工业出版社,2011-01-01.
[4] 海洋石油工程设计指南 第四篇海上油气田仪电信系统设计[S].