電潛泵采油井下電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計

張家田，萬景濤，張慶彬

(西安石油大學，陜西省油氣井測控技術(shù)重點實驗室，陜西西安 710065)

0 引言

電潛泵舉升技術(shù)是在油井井底安裝多級離心泵的一種人工舉升系統(tǒng)。系統(tǒng)通過增加井內(nèi)的壓力，以克服流動壓力產(chǎn)生的損失，從而提高油藏的石油產(chǎn)量[1]。然而，大功率電潛泵在井下狹窄、密閉的空間內(nèi)工作必將引發(fā)眾多工作故障。于是在電潛泵設(shè)備上安裝工況儀，將井下數(shù)據(jù)實時傳輸至地面，使得地面工作人員或者自動化儀器能夠根據(jù)井下狀況進行合理的操作，是解決電潛泵井事故多發(fā)的主要手段[2]。所以保證井下數(shù)據(jù)快速、準確的傳輸是整個采油系統(tǒng)穩(wěn)定的先決條件。由于井口較為窄小，為滿足系統(tǒng)揚程需求，下入井內(nèi)的電潛泵應盡可能地大，所以只能為通信電纜預留較小的空間。于是為了節(jié)省空間以及額外的材料成本，采用一種利用動力電纜進行數(shù)據(jù)通信的手段。采用電力線載波通信技術(shù)(PLC)能夠滿足潛油電纜為電潛泵供電的同時進行井下數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)設(shè)計通過簡化井下通訊電路、選取耐溫芯片、設(shè)計濾波電路進而應對復雜的井下環(huán)境，使其最高工作溫度可達105 ℃，能夠完成井下4 km以內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。

1 信道模型建立與特性分析

1.1 潛油電纜信道模型建立

根據(jù)油井開采需求，潛油電纜長度在2～6 km之間，而信號在電纜上采用高頻方式進行傳輸。高頻信號在長導線上的傳輸，應考慮其傳輸信道的分布參數(shù)效應，所有電纜上分布的電容、電感均不能忽視[3]。取極小的一段電纜進行微分處理，則整體電纜是由無數(shù)個微分單元組成。把微分單元視作集總參數(shù)二端口網(wǎng)絡dl，電纜等效模型如圖1所示。

其傳播常數(shù)可用式(1)所示，它反映了信號的傳播特性：

(1)

式中：α為波的衰減常數(shù)，描述波振幅在潛油電纜內(nèi)的衰減程度；β為波的相移常數(shù)，描述了電纜復電抗引起的相位特性[4]；R為電纜電阻；G為電導；L為電感；C為電容；ω為頻率。

其中電纜的特性阻抗可以表示為

(2)

根據(jù)基爾霍夫定律可列出下列電流電壓方程：

(3)

(4)

(5)

由雙曲線函數(shù)可知：

(6)

將式(6)代入式(5)可得：

(7)

通過輸出電流電壓關(guān)系的電力傳輸方程，可計算出輸入信號的衰減曲線。

1.2 信道特性分析

潛油電纜分為圓電纜和扁電纜兩種，均可作為動力電纜。由于井筒內(nèi)尺寸的限制，潛油電機引接電纜一般采用扁電纜。其線芯分為實心銅線和銅絞線，又因集膚效應的影響，大多采用銅絞線電纜。為結(jié)合工程實際情況，本系統(tǒng)研究針對銅絞線扁型潛油電纜進行信道特性分析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)傳輸線理論，通過電力線的相關(guān)特征參數(shù)即可算出實際線路的電阻、電容、電導和電感等原始參數(shù)[5]。表1為潛油電纜各項參數(shù)。

表1 扁形潛油電纜特征參數(shù)

為保證井下儀器能夠最大功率進行信號傳輸，地面設(shè)備在數(shù)據(jù)接收時不產(chǎn)生反射現(xiàn)象造成信號的畸變，則應保證井下儀器、潛油電纜以及地面設(shè)備進行阻抗匹配[6-7]。因此則需要對電纜的特性阻抗進行計算，分析在不同載波頻率下的特性阻抗，得到阻抗頻率關(guān)系如圖3所示。

圖3 特性阻抗與載波頻率關(guān)系

由于電纜電感量只和材質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，和頻率無關(guān)。所以隨著頻率的增大，電纜的阻抗隨感性阻抗的增強而較小，直到頻率足夠高時將保持平穩(wěn)[8]。通信系統(tǒng)整體進行合理的阻抗匹配后，需要選擇合適的載波頻率，利用MATLAB對長度分別為2km、3km、4km的潛油電纜進行信號衰減計算，觀察其隨頻率的變化而產(chǎn)生的變化。仿真圖如圖4所示。

圖4 信號隨頻率衰減曲線

由以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，2km潛油電纜帶寬處于240kHz附近；4km電纜帶寬為150kHz左右，載波頻率超過這一數(shù)值衰減將達到-40dB，地面設(shè)備接收信號后將產(chǎn)生較高的誤碼率。根據(jù)上述分析可以選擇合適的硬件電路，在保證信號能夠較好地傳輸同時，盡可能選擇足夠大的載波頻率以保證傳輸速率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過電力線載波通信系統(tǒng)將井下數(shù)據(jù)向地面進行單相傳輸，硬件主要包括控制和數(shù)據(jù)處理、濾波電路、放大電路以及耦合電路，圖5為系統(tǒng)框圖。

圖5 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖

2.1 控制和數(shù)據(jù)處理單元

本系統(tǒng)選取ST8500可編程電力線通信(PLC)片上系統(tǒng)，其載波頻率最高可達500 kHz，工作溫度為-40～105 ℃，可以滿足井下4 km以內(nèi)的載波通信。芯片內(nèi)部集成32位CortexTM-M4F完全可編程內(nèi)核，用于協(xié)議上層和外設(shè)管理；具有自動增益控制的PGA和ADC，帶發(fā)送預驅(qū)動器的DAC；高性能、完全可編程的實時引擎，專用于PLC的OFMD多載波調(diào)制解調(diào)模塊[9]。ST8500內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 ST8500內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 濾波及放大電路

該模塊采用PA12集成功率放大器，PA12是一款大電流型集成功率放大器件，內(nèi)部耗散功率為125 W，寬電源電壓工作范圍為±10～±50 V，大電流輸出范圍為±15 A[10]。由于井下工況較為惡劣，為了盡可能避免硬件電路元器件過多所導致的不穩(wěn)定狀況，濾波電路直接采用ST8500內(nèi)部的二階薩倫和凱低通濾波單元。整體實現(xiàn)電路如圖7所示。

圖7 濾波放大電路

2.3 耦合電路

電力線耦合電路主要任務是將調(diào)制解調(diào)后的信號連接到潛油電纜，且需和電纜進行阻抗匹配。由于主控芯片采用ST8500，設(shè)計的耦合電路應盡可能與之相匹配，圖8是其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，兩者之間具有較好的兼容性。

圖8 耦合電路結(jié)構(gòu)圖

該耦合電路本質(zhì)上是一個二階帶通濾波器，它允許接收PLC信號9～500 kHz的帶寬，同時阻斷50 Hz/220 V的交流電。除了濾波功能外，耦合電路還保證了信號傳輸電路與測量裝置之間的阻抗匹配；其中變壓器起到電力線和儀器之間的高壓隔離作用[11]。為了設(shè)計一個有效的耦合端口，必須正確考慮其內(nèi)部阻抗，以實現(xiàn)信號接收的功率最大化。

3 仿真分析

3.1 電力線噪聲特性仿真分析

為了評估電力線噪聲特性，對潛油電泵井下環(huán)境進行模擬仿真，并對噪聲結(jié)果進行測量，其范圍在0～500 kHz之間。由圖9可知，噪聲的功率在0～375 kHz頻段隨著頻率的增加而減弱，在375～500 kHz頻段趨于增強，大功率噪聲主要集中在0～60 kHz之間。但在60、138、350 kHz處于噪聲波動的拐點，此處噪聲是相鄰頻段功率最低處。

圖9 電力線噪聲衰減

3.2 電力線載波OFDM仿真實驗

為了檢驗電力載波通信的性能，對OFDM信號在電力線上的性能進行仿真實驗。根據(jù)信道模型的建立分析可知潛油電纜的帶寬為150 kHz左右，由噪聲實驗可知在138 kHz處噪聲最小，為保證4 km以內(nèi)的井下信號傳輸?shù)臏蚀_性以及實時性，數(shù)據(jù)傳輸載波頻率選取為138 kHz。圖10為系統(tǒng)仿真結(jié)果。

圖10(a)為經(jīng)潛油電纜傳輸至地面的載波信號，噪聲幾乎把調(diào)制信號所淹沒。圖10(b)為濾波后的信號，其中仍然夾雜著噪聲信號，但這些信號和調(diào)制后的信號相比幅值不同，在傳送至地面設(shè)備后進行軟件濾波處理。圖10(c)、圖10(d)分別為井下儀器發(fā)送的數(shù)字信號以及地面設(shè)備接收到的數(shù)字信號。通過數(shù)據(jù)對比兩者完全一致，表明設(shè)計的電力線載波通信系統(tǒng)具有較高的可靠性。通過進一步對比，接收信號時間上具有一定的延遲。此現(xiàn)象是由于載波通信采用OFDM調(diào)制解調(diào)方式，則需要井下MCU進行快速傅里葉變換計算，但芯片在高溫中運行會極大地降低CPU運算速度，因此調(diào)制速率受到了嚴重影響，進而導致地面系統(tǒng)接收到的解調(diào)信號具有較高的延遲。

(a)載波信號

4 結(jié)論

將電力線載波通信技術(shù)應用于電潛泵采油井中是一個較為可行的手段，既能避免額外鋪設(shè)通信電纜又具有較高的傳輸速率，在設(shè)計較為合理的情況下具有較低的誤碼率；系統(tǒng)實現(xiàn)較為簡單，在原有電潛泵油井就能進行快速改造。但是井下環(huán)境較為惡劣，高溫高壓下對芯片具有較高要求。電機振動、配電網(wǎng)絡、地面變頻器都會產(chǎn)生各種噪聲，在硬件以及軟件上要進行針對性的合理濾波設(shè)計。下一步工作將通過改進信號處理算法，以減小井下MCU數(shù)據(jù)處理壓力，來更好地應對高溫環(huán)境下CPU處理速率過低的現(xiàn)象，進而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。