智能化阴极保护系统下北斗短报文系统的实践与应用

智能化阴极保护系统下北斗短报文系统的实践与应用

杜萧强 何强强

37152519851002**** ； 62242519841110**** 中国石油天然气管道第二工程有限公司

摘 要： 管道智能电位采集仪能够实现无人值守式的管道电位检测，极大的提高了数据的准确性、检测效率。当前电位采集仪基本依靠GPRS方式实现数据通信，但管道在沙漠、戈壁、山脊等不具备通信运行商基站信号覆盖区域，难以实现数据通信。为解决这一问题，课题提出采用具有短报文通信功能的北斗卫星系统作为通信手段，设计了基于北斗通信的智能电位采集系统，对系统架构和软件结构设计、实际功耗需求进行详细分析。通过将该系统应用与管线实际管理，成功实现系统的运行，解决了无信号覆盖地区的设备通信，提高了阴极保护系统的应用范围。

关键词：智能化、数字化、北斗短报文、阴极保护

一 我国长输油气管道智能阴保系统的现状

我国长输油气管道目前主要采用高温型三层PE外防腐层和外加电流阴极保护系统这种阴级保护方式。外加电流阴极保护系统主要有恒电位仪、辅助阳极、采集仪、辅助材料、参比电极和导线等组成。如何确定阴极保护系统数据传输的有效性、可靠性是一个关键问题。在“智慧管道”的背景下，长输油气管道急需改变原有人为采集数据方式，通过采用智能采集仪将原始手动测量阴保数据方式变更为自动远传智能采集仪数据上传。从根本上避免人为测量错误，保证数据的准确性。智能采集仪主要基于GPRS通信技术实现数据的传输。

在我国长输油气管道一般都经过人烟稀少区域，数据传输受通信基站稀少、通信信号差等制约，给GPRS通信技术数据传输带来一定制约。克服基站限制的数据传输方式运用已成为管道保护数据传输持久探讨的课题，更是当今亟需解决的问题，也是实现智能采集仪市场化推广主要技术制约因素。

二 北斗短报文系统

2.1 北斗短报文系统简介

我国北斗全球卫星导航系统经过不断的发展和完善，已经实现全球组网。北斗系统作为国之重器，已全面服务交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等行业，融入电力、金融、通信等国家核心基础设施建设。在油气长输油气管道规划设计、建设管理、运行维护、长输油气管道阴极保护定位与应用中也发挥着巨大的作用。

北斗系统采用了RNSS和RDSS双模结构体制，不但具有GPS的导航、定位和授时功能，同时还提供RDSS双向短报文信息服务，也就是卫星通信的功能，是全球首个在定位、授时之外集短报文通信为一体的卫星导航系统，它通过空间卫星将信号传输到接收机上，既可以避免传输距离远的弊端，又可以提高通信质量，解决传统数据传输依赖基站的问题。 

2.2通信原理

北斗通信的信道，类似互联网通信的链路层，只不过北斗通信是通过卫星无线实现互连。“卫星TCP/IP传输技术”中定义的链路层不仅仅指整个系统的通信链接，而是在其基础上高了一个层次。北斗卫星通信的实际链路中并没有实现链路控制的功能，类似于互联网的物理层。可以类比，其数据丢失率类似于链路的差错率，通信频度类似于传播延迟，信息往返同样也存在信道的不对称性。

北斗短报文的通信频率和通信量，北斗卡支持的短报文通信可分为两个级别，普通用户通信速率为120汉字/次或者1680比特/次；三级北斗卡发送短报文的时间频率为1分钟1次。北斗短报文的数据格式有两种：一种是通常汉字通信采用的ASCII码方式，另一种为BCD码方式。

2. 3通讯流程

1短报文发送方首先将包含接收方ID号和通讯内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站；

2地面中心站接收到通讯申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户；

3接收方用户机接收出站信号，解密出站电文，完成一次通讯。

三 北斗短报文在长输油气管道阴极电位监测系统的实践与应用

3.1系统总体架构

长输油气管道阴极保护电位系统采用分层式结构，将系统分为数据采集层、 北斗通信层、主站应用层。数据采集层包括安装在各采集仪的北斗通信功能的阴极保护电位监测仪，用于对各监测点的电位、电流数据的采集；北斗通信层包括北斗指挥机及通信服务器，用于电压监测仪与主站之前的数据采集与传输；主站应用层包括北斗接收机、数据库服务器、Web 服务器等服务器群，用于数据的存储、分析、应用与展示等。

北斗短报文设备是专门为监测采集数据传输而研制的机型，采用天线主机一体化设计，集成了RDSS天线、射频收发电路、功放电路、基带电路等，产品集成度高、功耗低，配有专用的固定支架，安装使用极为方便。为适应野外恶劣环境，充分考虑了防水、防盐雾、防腐蚀等要求。

3.2设备功率

北斗短报文一体机接收功耗1W，发射功耗30W，且每天只发射1次数据, 只发射1s的时间，所以平均功耗就是1W。一般来说，1平方米的晶硅太阳能板输出功率大约为120－140W，现场太阳能板尺寸为20cm*20cm，输出功率为4.8-5.6 W，无法满足发射功耗30W的发射功率，所以需要再配一个12V的蓄电池。按照1W的功耗计算一个5000mA·h的12V蓄电池充满之后能供收发机工作60个小时（1W/12V=83mA ；5000mA.h/83mA=60h）。在我国大部分地区太阳能板完全能负担蓄电池的充电，北斗短报文一体机可实现正常通讯。

3.3北斗短报文的通信容量

上文提到北斗短报文普通用户通信速率为120汉字/次或者1680比特/次；因为数字和标点容量都是一个字节，而汉字是两个字节，一个字节是8位二进制的数，例如01010101。又因为阴极保护管理系统上需要上传通电电位、试片断电电位、自然电位、交流干扰、电池电量、信号强度，那么一组数据27个字节，那么无论采用BCD码，还是ASCII码这种编码方式，都远小于120汉字或者1680比特，所以在通信容量上是完全可行的。

3.4北斗短报文的使用效果

因为北斗短报文系统极高的通信质量，可以解决长输油气管道在偏远地区GPRS信号弱、数据远传联网异常的困境。通过在某些长输油气管道中的试运行，数据上传稳定、及时，联网异常故障现象消失。

四、结语

随着网络化、数字化、智能化长输油气管道技术的不断发展，将先进的智能化系统引入长输油气管道是发展的必然趋势。北斗短报文智能化系统综合集成移动通信、互联网、宽带卫星通信、智能传感和移动互联技术，构建长输油气管道阴极保护数据信息自动上传分析，实现阴保数据的定位、监控和管理，搭建长输油气管道阴极保护北斗监控与信息服务平台，及时解决荒漠地区长输油气管道数据上传信号中断、丢失等情况，加强对荒漠地区阴极保护系统的高效安全监控、快速故障诊断、运行状态分析及安全保障能力，提供优质、高效的技术支撑与信息反馈服务，综合提升长输油气管道阴极保护系统的整体现代化和信息化服务水平。

参考文献：

《北斗短报文通信在油气区的应用与研究》于垒