海底油井的電力線通信裝置的製作方法

2023-08-02 21:52:46 1

專利名稱：海底油井的電力線通信裝置的製作方法
海底油井的電力線通信裝置
本發明涉及電子海底裝置、尤其井口控制單元，包含用於海底電力 線通信的數據機和交流/直流(AC/DC)電源。
海底電力線通信是一種水下通信的特殊形式。它優選地被用於勘探 和開採位於海床的油氣田，海底通信例如用於在頂部控制點與海底井口 之間傳輸各種數據。往往把使用電子通信向井口或者其它電子裝備勘探 或者開採的油氣田稱為"電子田，，(e-fields)。
在現有技術中公開了不同的海底通信技術。 一方面是有線的電連接 或者光連接，另一方面是無線的連接。有線的連接可以進一步劃分成為 與電力線分離開的電連接或者光連接提供通信線路的第一組；以及利用 電力線進行電子通信的第二組。後一情況的有利之處在於不需要單獨的 通信線路。
例如，在US 2005/0243983 Al中說明了用於從一個導體接收和
該導體傳輸數據的數據機。它包含用於向所述導體傳輸數據的輸出
驅動器和用於從所述導體接收數據的接收器以及用於匹配接收器輸入阻 抗與所述導體阻抗的阻抗匹配裝置。可以在該數據機調節所述輸出
驅動器的增益、接收器的增益和所述接收器輸入阻抗。
公知的包含有電力線數據機的井口控制單元遭受電子噪音和 幹擾、尤其是由外面頂部噪音(幹擾)源和電源引入到電力線中的電子 噪音和幹擾。這些影響大大限制了傳輸比特速率和數據機的工作範 圍。
常規井口控制單元包含具有固定(典型值為75kHz或100kHz )開 關頻率的開關電源。這些井口控制單元包含使用高於100kHz的信號頻 率的頻移鍵控調製技術的數據機以進行電力線通信。為此目的，公 知的數據機使用包含用於電信號的低通濾波器和用於調製的二進位 數據的高通濾波器的雙工器，分別濾除高於和低於100kHz的頻率。一 種結果是電源開關頻率和/或其諧波例如通過產生噪音而幹擾通信信 號。
本發明的技術問題是提出一種電子海底裝置，利用所述的電子海底 裝置可以通過降低電子噪音和電力線中的幹擾來以顯著高的比特速率和較大的工作範圍工作。
該技術問題由包含權利要求1中給出的屬性的電子海底裝置解決。 本發明的有利的實施方式在從屬權利要求中進行了說明。
本發明提出使用具有高於400kHz、尤其是500kHz的固定開關頻 率的開關電源。通過該技術方案，即使用一個高的開關頻率，電力線通 信可以使用低於400kHz的調製頻率而沒有來自電源的幹擾。所述諧波 頻率高於所述開關頻率，從而對通信頻率不會產生幹擾和噪音問題。
在一個優選的實施方式中，所述電源包含濾波器電路用於防止 2kHz至400kHz頻率範圍的信號抵達所述電力線。此方式可以可靠地防
達到海底電力線並幹擾所述電力線通信。因此阻塞2kHz至400kHz之 間的電力線載波頻率範圍。
有利的是，所述電子海底裝置包含兩個並聯連接並且由冗餘二極體 分隔開的冗餘電源通路。優選的是這兩個電源通路按照相同的方式構成。 這保證即使一個電源通路失靈所述數據機還能穩定工作。所述冗 餘二極管防止短路以及由此使所述電子海底裝置完全失效。
優選的是，所述(尤其包含這兩個電源通路)電源被設計成用於直 流/直流電源負載，所述電源負載尤其具有75kHz、 100kHz或者一個不 同的值的固定開關頻率。這使得所述數據機能夠穩定工作並且允許 在所述電子海底裝置中重新使用基於75kHz、 100kHz或者其它固定頻 率的常規電路設計。
在另一個優選的實施方式中，所述電源經一個墊片單元(shim unit)與所述數據機的金屬結構熱接觸。這使得能夠從所述電源單 元例如向所述海底裝置的主電子機架中的金屬結構散熱。
對於高的比特速率和大的工作範圍，優選的是所述數據機使用 正交頻分復用(OFDM)以把二進位數據調製在所述電力線的一個電信號 上。根據本發明，優選的是，所述正交頻分復用在兩個通信數據機 上都進行，這兩個通信數據機一個在海底，而另一個在頂部 (topside)。以此方式，例如可以在一個海底電子裝置與一個頂部控 制點之間提供一個達3 M bit/s的高比特速率的點對點連接。
利用從電視廣播技術公知的正交頻分復用技術，發送數據機採 用被稱為載波頻帶或者信道的多個不同的正交頻率進行發送。如果兩個載波頻帶在相對相位關係方面相互獨立，這兩個載波頻帶就被稱為是正 交的。所述二進位數據以所謂的正交頻分復用符號的形式調製在所述電 信號上。
海底電力線通信使用正交頻分復用存在幾個優點。在頻率上不同的 載波頻帶可以相互接近。從而使得能夠有高的頻語效率，允許一種高的 總比特速率。此外，正交頻分復用使得能夠附加地濾除噪音。如果某個 頻率範圍受到幹擾，可以以較低的比特速率運行甚至於失活相應的載波
頻帶，以此方式可以達到範圍達200km的高工作範圍。另外，通過對上 遊傳輸和下遊傳輸指定適當數量的載波頻帶可以按要求調節相應的比特 速率。
在一個優選的實施方式中對正交頻分復用，即所述調製的二進位數 據，使用2kHz至400KHz區間的頻率範圍。可以使用與該區間相同的 寬度或者窄於該區間的頻率範圍，例如10kHz至400kHz。該實施方式 為正交頻分復用提供一個寬頻帶，因此使得能夠有較大數量的載波頻帶 並且從而有高的比特速率。與根據本發明所述的電源相結合可以達到一 種最佳的正交頻分復用信號傳輸。這尤其通過使用低於100kHz的頻率 達到，這與現有技術相反。從而能夠進行寬帶傳輸，得出較高的比特速 率。400kHz的上限降低了由開關電源及其諧波引起的高頻噪音，還降低 了從頂部源拾取的噪音。此外在高於400kHz頻率的海底電纜的衰減高。
有利的是使所述電信號通過一個低通濾波器，而所述調製的二進位 數據通過一個帶通濾波器。這些濾波器優選地包含在所述數據機的 一個雙工器單元中。所述帶通濾波器對於可以最佳實現的信號允許2kHz 至400kHz的頻率通過。所述低通濾波器使得能夠截除由發自頂部和海 底電源的噪音以及把所述數據機信號疊加在所述海底電力線上之前 其它的源的噪音中的幹擾。最好，所述低通濾波器從2kHz開始逐漸下降 到OHz。
下面結合附圖進一步詳細地說明本發明。


圖1示出一個海底電力線數據機的方框圖。
圖2示出所述數據機的電源的一個方框圖。
圖3示出所述數據機的雙工器的一個方框圖。
圖4以一個側一見圖示出所述電源。
圖5示出所述數據機的一個效率圖解。
5在所有附圖中對應的部件用相同的附圖標記表示。
圖1示出一個示例的電子海底裝置1的一個方框圖，這是一個井口
控制單元，它包含數據機2，用於經海底電力線3向電子田(圖中 未示出)通信。所述電力線3也稱為臍狀線(umbilical)。調製解調 器2包含現場可編程的門陣列4、數位訊號處理器5、模數處理線6和數 模處理線7，由2MHz的振蕩器8同步。這兩個處理線6和7都經一個 不同的接口 (圖中未示出)與一個雙工器9連接。所述數據機2通 過該雙工器9可以連接到所述海底電力線3。
所述模數處理線6包含低噪音放大器10、抗混疊
(anti-aliasing)濾波器11和模數轉換器12。所述數模處理線7 包含功率放大器13、低通濾波器14和數模轉換器15。所述處理線6、 7由以下各項延續為所述現場可編程的門陣列4:高通濾波器16、接收 濾波器和抽取器(decimator)17和接收先進先出緩衝寄存器18
(FIFO)、以及發射濾波器和內插器19和發射先進先出緩衝寄存器20。 所述現場可編程的門陣列4還包含時鐘鎖相環路21、正交頻分復用定時 單元22，包含程序寄存器(圖中未示出)的數位訊號處理器接口 23，兩 個入和出的先進先出緩衝寄存器24和兩個通用異步收發射機25
(UART)。所述現場可編程的門陣列4提供兩個獨立的對外部的電子單 元26的雙向外部串行接口， 一個是可以與二進位有效數據的所謂 PROFIBUS連接的RS-485連接27，而一個是用於診斷數據的RS-232 連接28。這些部件安裝在單個的六層印刷電路板(PCB，圖中未示出) 的兩側。
數據機2使用正交頻分復用以對所述電力線3的電信號和從該 電信號調製和解調二進位有效數據。所述正交頻分復用基本上由所述現 場可編程的門陣列4進行。 一個方面，它從在RS-485連接24得到的二 進位數據，並且如果需要，從RS-232連接28得到的診斷數據，產生一 種正交頻分復用調製的信號RF。這些數據在電力線3的電信號Em。dR^上 調製成正交頻分復用調製的信號RF。另一個方面，所述現場可編程的門 陣列4把經所述雙工器9從電力線3得到的正交頻分復用調製的信號 Em。dRF解調成二進位有效數據，並且如果需要，解調成診斷數據，這此數 H》另'J^^出至iRS—485和RS — 232。
因為所述正交頻分復用的計算成本高，所述現場可編程的門陣列對
6調製和解調兩方面都使用數位訊號處理器5。帶有程序快閃記憶體29和數據存 儲器30的適用的數據信號處理器5可以在市場購到。所述數據信號處理 器5經所述數據信號處理器接口 23與所述現場可編程的門陣列4連接。 所述數位訊號處理器接口 23由擁有壓控振蕩器8的例如2 MHz的基準 頻率的時鐘鎖相環路21按照48 MHZ同步。
所述數據機2由在其輸入側連接到所述雙工器9的交流/直流 電源33供電。
該交流/直流電源33在圖2中示出為一個方框圖。該交流/直流電 源33是擁有通用交流輸入和24V/100W直流輸出的單元。由於兩個電 源通路24用冗餘二極體35分隔開地連接在一起，所以該單元被設計成 冗餘地工作。每個電源通路34都在其輸入側連接到雙工器9。每個電源 通路34包含濾波器和過電壓保護單元36、整流橋37、保持電容器38、 直流/直流(DC/DC)轉換器39、輸出濾波器10和各自的冗餘二極體 35。這兩個直流/直流(DC/DC)轉換器39，例如DAS100F24，都具有 500KHz的固定開關頻率。以此方式，不論是所述開關頻率還是諧波都在 所述數據機2在所述電力線3上所使用的全部載波頻率之外。電源 通路34中的電壓的存在可以直接在相應的冗餘二極體35之間的接點V 處檢測。
交流/直流電源33被設計成承受固定的75kHz開關頻率和固定的 100kHz的開關頻率的直流/直流電源負載。交流/直流電源33被設計用 於通過所述濾波器和過電壓保護單元36限制2-400kHz的頻率回々齎到 電力線3上。輸入電纜41和輸出電纜42在物理上被相互隔離開，並且 輸入和輸出電纜41、 42都使用絞合線對。從而使電力線3上發自交流/ 直流電源33的電子幹擾和噪音都最小。以此方式確保海底電力線通信的 最佳質量。
圖3示出所述雙工器9的方框圖，包含電信號E1、 E2的低通濾波 器43和所述調製的二進位數據的帶通濾波器4。對海底和頂部調製解調 器2的雙工器9是相同的。
在頂部雙工器9的情況下，具有電力信號El和E2的電子頂部裝 置(圖中未示出)的一個頂部電源46連接在所述方框圖的右端。射頻信 號RF，即調製了的二進位數據，用所謂的正交頻分復用電路4至7從所 述現場可編程的門陣列4輸入。所述正交頻分復用調製的電力信號
7Elm。dRF、 E2m。咖在所述方框圖的左側連接向海底電力線3。
海底用的雙工器9在所述方框圖的左側接收所述正交頻分復用調 制的電力信號E^。咖。代表所述經過調製的二進位數據的射頻信號RF由 連接到所述數據機2的正交頻分復用電路13至15的帶通濾波器44 提取。所述海底電源33連接在所述方框圖的右側。
低通濾波器43濾除發自電源33/46的噪音不讓其饋送到所述海底 電力線3的通信部分。帶通濾波器44允許10kHz至400kHz的頻率通 過。
在圖4中示出海底交流/直流電源33的示意性側視圖。它安裝在 墊片單元47上。該墊片單元47是用螺絲擰在所述交流/直流電源33單 元上的實心的鋁單元。它提供從所述交流/直流電源33單元向主機架(圖 中未示出)中的金屬結構48的散熱。
墊片單元47造成交流/直流電源33要與印刷電路板49顛倒地安 裝在一起。所有的部件都膠粘、綑紮或者為了最佳堅固的目的用螺絲擰 住。
圖5示出從原型交流/直流電源33得出的效率曲線，所述交流/直 流電源33對多個負載設定進行了檢測並且計算功效。可以看出在低輸入 電壓(在該例中是110V) 20%的負載的效率就滿意了。這對於海底應用 是有利的，因為電力與電力線3的長度成正比地下降。海底電子模塊 (SEM)譬如數據機最佳地總體上是24W的負載。這意味著該額定 功率100W的交流/直流電源33在25%的負載下的效率為80%。這對於 電源穩定性是有利的並且使得所述交流/直流電源33的廢熱最小。
權利要求
1. 電子海底裝置(1)、尤其是井口控制單元，包含用於海底電力線(3)通信的數據機(2)和交流/直流電源(33)，其特徵在於，所述交流/直流電源(33)是擁有400kHz以上的固定開關頻率的開關電源。
2. 如權利要求l所述的電子海底裝置(1)，其中，所述固定開關 頻率是500kHz。
3. 如權利要求1所述的電子海底裝置(1),其中，所述交流/直 流電源(33)包含濾波器(36)用於防止2!cHz至4001cHz頻率範圍的 信號抵達所述電力線(3)。
4. 如上述權利要求之一所述的電子海底裝置(1)，其中所述電子 海底裝置包含兩個並聯連接並且用冗餘二極體(35)分隔開的冗餘的電 源通路(34 )。
5. 如上述權利要求之一所述的電子海底裝置(1)，其中，所述交 流/直流電源(33)被設計成用於直流/直流電源負載。
6. 如權利要求5所述的電子海底裝置(1)，其中，所述交流/直 流電源具有75kHz或者100kHz的固定開關頻率。
7. 如上述權利要求之一所述的電子海底裝置(1)，其中，所述交 流/直流電源(33)經墊片單元(47)與所述電子海底裝置(1)的金屬 結構(48)熱接觸。
8. 如上述權利要求之一所述的電子海底裝置(1)，其中，所述調製 解調器(2)使用正交頻分復用以把二進位數據調製在所述電力線(3)的電^了 ( EmodRF、 ElmodRF、 E2modRF )上。
9 .如權利要求8所述的電子海底裝置(1 )，針對所述射頻信號(RF )， 該數據機(2)使用2kHz至400kHz區間內的頻率範圍。
10.如權利要求8或9所述的電子海底裝置(1)，其中，包含雙 工器(9),所述雙工器(9)包含用於所述電信號(E、 El、 E2)的低 通濾波器(43)和用於射頻信號(RF)的帶通濾波器(44)，該射頻信 號(RF)包含經過調製的二進位數據。
全文摘要
本發明涉及一種電子海底裝置(1)、尤其是井口控制單元，包含用於海底電力線(3)通信的數據機(2)和交流/直流電源(33)，所述交流/直流電源(33)是擁有高於400kHz的固定開關頻率的開關電源。
文檔編號H04B3/54GK101502016SQ200680055472
公開日2009年8月5日 申請日期2006年7月24日 優先權日2006年7月24日
發明者S·赫斯博爾, V·斯泰根, V·霍滕 申請人:西門子公司