CN107707277B - 一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统 - Google Patents
一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于宽带电力线载波通信模块、中压整流电源模块、充电电池组构成的油井通信系统。该系统用于油田1140V电力线的钻井电机远程控制系统中，该系统通过改造现有的电力线载波模拟前端电路、耦合电路以及后端PA功率放大电路，提高电力线载波通信的载波频率，进而提高载波通信速率和稳定性，降低时延。另外，通过改进原有系统对井下载波模块的供电方式，避免高频电源带来的高次谐波噪声干扰，也对载波通信的实时性和稳定性有很大的提升。基于本系统的设计，大幅度提升了石油钻井平台系统电力线载波通信性能。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种基于宽带电力载波通信技术的油井通信系统在石油钻井平台中的运用，提升石油钻井平台系统电力线载波通信性能；主要应用于石油钻井平台电力线载波通信领域。
背景技术
新一代研制的石油钻井平台采用的是同步电动钻机，为了实现对井下电机的同步实时控制，需要建立起井下电机与井上控制平台的油井通信系统，将井下电机的实时参数(如电机旋转角度位置信号、当前的压力数据和当前电机内部转子及定子的温度数据)，上传至井上控制平台；并要求通信时延小于3ms，且必须保证通信的实时性和稳定性。
由于钻井平台只能允许A/B/C三相电力线连接井下电机和井上控制平台，为井下电机提供1140V交流变频电源，频率范围为20Hz～80Hz；而无法增加更多的通信数据线；故在原有的油井通信系统中，采用的是窄带电力线载波通信技术。
现有的钻井平台系统图见附图1，其中井下电力线载波模块、井下电源模块安装在井下电机内的仪器仓里。
现有的窄带电力线载波通信模块的载波频率范围为200KHz-2MHz，信号传输时延约3ms。一般包括耦合电路、模拟前端电路、基带处理器、及微控制器，见附图2。井下电机的实时参数经电机内部数据线传输至井下电力线载波模块，数据经微控制器处理后，再传输至窄带基带处理器中调制好，再经过由数模转换器、及功放组成的模拟前端电路，再通过由耦合器、隔离电容组成的耦合电路，注入到电力线中。当接收载波信号时，信号通过耦合电路从电力线中提取出来，并经过可配置增益放大器、及模数转换电路组成的模拟前端电路，输出给基带处理器进行解调，进而还原出接收数据。微控制器在这里负责电力线载波通信设备和其他外设接口之间的协议转换。整个石油钻井平台电力线载波通信模块是并联于石油钻井平台电力线中。
现有的钻井平台的供电电源系统设计中，采用双电源系统并存的供电方式，即在A/B/C三相电力线中传输电机工作所需要的变频交流电源，并利用在A/B两相电力线的低频交流电源中同时叠加23KHz/400V高频载波交流电源，在井下的通信仪器仓内增加高频载波交流电源整流模块，将23KHz/400V交流电整流为560V直流电，再通过DC-DC降压模块，将560V直流电降至24V，为井下载波通信模块提供供电电源。
故现有石油钻井平台电力线通信信道中，存在23KHz的高频交流电源(～260V-～500V)，由其产生的高次谐波干扰，见附图3，高次谐波干扰经过隔离电容和耦合器进入到电力线载波模块的发送端和接收端，干扰到电力线载波发送端和接收端的正常工作，严重影响电力线载波的通信质量，严重影响石油钻井平台电力线载波通信的实时性和稳定性。
发明内容
本发明提出了一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，通过增加宽带载波模块和井下中压整流电源模块，避免高次谐波干扰，实现电力线载波通信的实时性和稳定性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其包括逆变器控制柜、2个宽带载波模块、井下中压整流电源模块、充电电池组和电机，2个宽带载波模块为第一宽带载波模块和第二宽带载波模块，所述第一宽带载波模块连接所述逆变器控制柜，所述第二宽带载波模块和井下中压整流电源模块并联在所述电机上，所述第二宽带载波模块和井下中压整流电源模块之间连接所述充电电池组，2个宽带载波模块的载波频率范围为2MHz～30MHz，信号传输时延为100μs，2个宽带载波模块包括耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器，所述模拟前端电路包括集成芯片AFE和功率放大器PA，所述集成芯片AFE的型号为AD9866，且该集成芯片AFE集成了功率放大器VGA以及转换器ADC、DAC；
所述耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器依次进行电连接，所述耦合电路用来接收来自电力线的信号，并将此信号送至所述高通滤波器进行滤波处理，经过滤波处理后的信号送至所述模拟前端电路中进行放大及模/数转换，经过放大及模/数转换后的信号送入所述基带处理器中解调出有用信号，并将该有用信号送入所述微控制器中，同样，所述微控制器控制所述基带处理器生成出信号，通过所述模拟前端电路进行数/模转换及信号放大，再通过所述耦合电路发送至电力线中。
在本发明的基于宽带电力线载波通信的油井通信系统中，所述耦合电路包括耦合变压器和隔离电容CA1、CA2，所述耦合变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述隔离电容CA1、CA2分别连接在所述第一绕组的接收端和发送端，所述第二绕组的两端分别连接所述高通滤波器，所述第三绕组的两端分别连接所述功率放大器PA。
在本发明的基于宽带电力线载波通信的油井通信系统中，所述第一绕组、第二绕组和第三绕组的线圈匝数比为1:1:1。
在本发明的基于宽带电力线载波通信的油井通信系统中，所述井下中压整流电源模块包括依次连接的输入EMI滤波器单元、桥堆整流单元、DC-DC降压电路单元、半桥电路单元、高频变压器单元、整流滤波单元、12V直流输出单元、隔离反馈单元和PWM脉宽调制单元，所述PWM脉宽调制单元连接所述半桥电路单元，所述输入EMI滤波器单元连接钻井平台电力线，所述12V直流输出单元连接所述充电电池组。
实施本发明的这种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，具有以下有益效果：1.低时延，高通信带宽：时延小于0.5ms，通信速率可达1Mbps。
2.小体积：宽带电力线载波模块整体设计尺寸由原有的370mm×65mm，缩小为200mm×65mm。
3.低功耗：宽带电力线载波模块的整体功耗由原来的12W降至5W以内。
4.稳定性高：由于通信系统的改进，电力线信道中避免了高频交流电源的存在，而变频交流电源所带来的谐波噪声干扰都是百KHz以下的低频干涉，故提高载波通信频率后，将完全避免电力线信道的噪声干扰，提供通信稳定性。
附图说明
图1为现有石油钻井平台系统的示意图；
图2为现有的窄带电力线载波模块的示意图；
图3为现有的高频交流电源带来的电力线信道底噪的示意图；
图4为本发明的石油钻井平台系统的示意图；
图5为本发明的宽带电力线载波模块的示意图；
图6为本发明的井下中压整流电源模块的示意图；
图7为本发明的集成芯片AFE的针脚连接结构示意图；
图8为本发明的高通滤波器的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的这种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其包括逆变器控制柜1、2个宽带载波模块2、井下中压整流电源模块3、充电电池组4和电机5，2个宽带载波模块2为第一宽带载波模块和第二宽带载波模块，所述第一宽带载波模块连接所述逆变器控制柜1，所述第二宽带载波模块和井下中压整流电源模块3并联在所述电机5上，所述第二宽带载波模块和井下中压整流电源模块3之间连接所述充电电池组4，2个宽带载波模块2的载波频率范围为2MHz～30MHz，信号传输时延为100μs，2个宽带载波模块2包括耦合电路21、高通滤波器22、模拟前端电路23、基带处理器24和微控制器25，所述模拟前端电路23包括集成芯片AFE和功率放大器PA，所述集成芯片AFE的型号为AD9866，且该集成芯片AFE集成了功率放大器VGA以及转换器ADC、DAC。
所述耦合电路21、高通滤波器22、模拟前端电路23、基带处理器24和微控制器25依次进行电连接，所述耦合电路21用来接收来自电力线的信号，并将此信号送至所述高通滤波器22进行滤波处理，经过滤波处理后的信号送至所述模拟前端电路23中进行放大及模/数转换，经过放大及模/数转换后的信号送入所述基带处理器24中解调出有用信号，并将该有用信号送入所述微控制器25中，同样，所述微控制器25控制所述基带处理器24生成出信号，通过所述模拟前端电路23进行数/模转换及信号放大，再通过所述耦合电路21发送至电力线中。
所述耦合电路21包括耦合变压器210和隔离电容CA1、CA2，所述耦合变压器210包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述隔离电容CA1、CA2分别连接在所述第一绕组的接收端和发送端，所述第二绕组的两端分别连接所述高通滤波器22，所述第三绕组的两端分别连接所述功率放大器PA。所述第一绕组、第二绕组和第三绕组的线圈匝数比为1:1:1。
如附图5所示，采用宽带电力线载波模块替代原有的窄带电力线载波模块，宽带电力线载波通信模块的载波频率范围为2MHz～30MHz，信号传输时延约100μs。为了提高电力线载波通信的载波频率，对原有的电力线载波模拟前端电路23、耦合电路21以及后端PA功放电路进行设计改造。将原本独立设计使用的ADC/DAC/VGA功能芯片变更为使用集成度更高的AFE集成芯片，即其中的VGA/ADC/DAC都内置于AFE一颗集成芯片内部，见附图8。耦合电路21由原有的TCB2308-602型耦合变压器210搭配0.01uF隔离电容，变更为HR600882型耦合变压器210搭配220pF隔离电容。PA功率放大器由原有的OPA564变更为THS6214。
附图5中，经过CA1和CA2隔离电容(220PF/10KV耐压值)，再通过HR600882型耦合变压器210后，石油钻井平台井下电机5所需的供电交流电源600V～1500V/20Hz～80Hz会被隔离，以及低于几十kHz的信号也会受到衰减。被隔离出的模拟信号通过高通滤波器22、与集成芯片AFE(AD9866)的pin 37～pin38相连接，经集成芯片AFE内部集成的VGA电路、以及集成芯片AFE内部集成的模数转换器再通过集成芯片AFE(AD9866)的pin 0～pin 12与基带处理器24相连，将接收到的模拟信号转换为数字信号传输给基带处理器24解调出有用信号，最后返回至微控制器25。
同样，微控制器25控制基带处理器24生成出数字信号，通过基带处理器24与集成芯片AFE(AD9866)的pin 0～pin 12相连，经集成芯片AFE内部集成的数模转换器，将数字信号转换为模拟信号，经集成芯片AFE(AD9866)的pin51～pin52与PA功率放大器(THS6214)相连，将模拟信号传输至PA功率放大器、再送至耦合电路21，最后耦合进石油钻井平台电力线上。
所述井下中压整流电源模块3包括依次连接的输入EMI滤波器单元31、桥堆整流单元32、DC-DC降压电路单元33、半桥电路单元34、高频变压器单元35、整流滤波单元36、12V直流输出单元37、隔离反馈单元38和PWM脉宽调制单元39，所述PWM脉宽调制单元39连接所述半桥电路单元34，所述输入EMI滤波器单元31连接钻井平台电力线，所述12V直流输出单元37连接所述充电电池组4。
井下中压整流电源模块3的设计工作电压范围为900V～1200V，工作频率为50Hz～100Hz，可直接共用井下电机5的供电电源，将1140V变频交流电源整流为12V直流电输出，其设计框图见附图6。1140V变频交流电接入后，先经输入EMI滤波器单元31滤波，再经桥堆整流单元32转换为约1600V直流电；再经DC-DC降压电路单元33转换为约310V直流电；再经由半桥电路单元34、高频变压器单元35和PWM脉宽调制单元39组成的隔离降压电路，降为约70V的半波交流电；再经半波整流电路，整流为12V直流电输出。
由于变频交流电源的工作频率范围为20Hz～80Hz，当井下电机5刚开始工作时，变频交流电源的频率低，中压整流电源模块无法正常工作，故需要充电电池组4为井下载波通信模块提供电源，才能将在井下电机5处于低转数时的实时参数上传至井上控制平台。当井下电机5正常工作进来后，井下中压整流电源模块3正常工作后，可产生12V直流输出为充电电池组4充电，再经由电池组为井下载波模块提供12V直流工作电源，确保井下载波模块的供电持续性。至此，本发明目的得以完成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其特征在于，包括逆变器控制柜、2个宽带载波模块、井下中压整流电源模块、充电电池组和电机，2个宽带载波模块为第一宽带载波模块和第二宽带载波模块，所述第一宽带载波模块连接所述逆变器控制柜，所述第二宽带载波模块和井下中压整流电源模块并联在所述电机上，所述第二宽带载波模块和井下中压整流电源模块之间连接所述充电电池组，2个宽带载波模块的载波频率范围为2MHz～30MHz，信号传输时延为100μs，2个宽带载波模块包括耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器，所述模拟前端电路包括集成芯片AFE和功率放大器PA，所述集成芯片AFE的型号为AD9866，且该集成芯片AFE集成了功率放大器VGA以及转换器ADC、DAC；
所述耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器依次进行电连接，所述耦合电路用来接收来自电力线的信号，并将此信号送至所述高通滤波器进行滤波处理，经过滤波处理后的信号送至所述模拟前端电路中进行放大及模/数转换，经过放大及模/数转换后的信号送入所述基带处理器中解调出有用信号，并将该有用信号送入所述微控制器中，同样，所述微控制器控制所述基带处理器生成出信号，通过所述模拟前端电路进行数/模转换及信号放大，再通过所述耦合电路发送至电力线中。
2.根据权利要求1所述的基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其特征在于，所述耦合电路包括耦合变压器和隔离电容CA1、CA2，所述耦合变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述隔离电容CA1、CA2分别连接在所述第一绕组的接收端和发送端，所述第二绕组的两端分别连接所述高通滤波器，所述第三绕组的两端分别连接所述功率放大器PA。
3.根据权利要求2所述的基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其特征在于，所述第一绕组、第二绕组和第三绕组的线圈匝数比为1:1:1。
4.根据权利要求1所述的基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其特征在于，所述井下中压整流电源模块包括依次连接的输入EMI滤波器单元、桥堆整流单元、DC-DC降压电路单元、半桥电路单元、高频变压器单元、整流滤波单元、12V直流输出单元、隔离反馈单元和PWM脉宽调制单元，所述PWM脉宽调制单元连接所述半桥电路单元，所述输入EMI滤波器单元连接钻井平台电力线，所述12V直流输出单元连接所述充电电池组。
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