井中VSP供电系统启动可靠性分析与设计

阳林锋 庹先国李怀良沈 统

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.地球探测与信息技术教育部重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059）

井中VSP供电系统启动可靠性分析与设计

阳林锋1， 庹先国1，2，李怀良1，2，沈 统2

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.地球探测与信息技术教育部重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059）

为实现数字垂直地震剖面勘探（vertical seismic profiling，VSP）系统的可靠供电，设计中针对供电系统启动的稳定可靠性、输出功率及效率等性能进行分析计算，并通过试验确定探头内部的功耗参数，以计算出合理的系统配置参数，解决电源系统启动问题。为提高VSP勘探效率提出电机同步驱动的优化方案，可根据实际需求配置探头和电机启动参数。结果表明：该电源系统在阻抗为10Ω的100m铠装电缆输电时，最多能同步驱动12只探头，然后同时启动6只电机，且VSP系统的可靠性与勘探效率显著提高。

VSP供电系统；启动可靠性；功率输出；勘探效率

0 引 言

井中级联式数字微VSP设备是一种重要的工程地质勘探设备，现在已发展到全数字三分量检波器阶段。目前井中级联式数字微VSP设备在我国还没有自主研制的成品化设备[1]。VSP系统要实现全数字采集、高速实时传输、支撑臂电机驱动以及高的稳定可靠性和便携性要求，高效稳定的配套电源系统是必须解决的难题之一。VSP设备配套电源系统主要存在系统启动瞬间负荷大、对通信系统瞬间冲击干扰强、探头内部电源模块启动不良等问题，对整个VSP测井系统的稳定性构成严重威胁[2]。因此本文提出一种以蓄电池为能量来源的VSP设备电源系统

设计方案，通过试验分析论证了电源系统的供电性能参数，计算出合理的系统配置参数，提出优化的电源管理方案，以获得高效的电能传输和稳定可靠的探头工作状态[3]。

1 电源系统硬件设计

1.1 总体结构设计

本文提出的井中级联式数字微VSP设备结构如图1所示，由主控笔记本、控制中转站、多级井中探头、轻便手动绞车、蓄电池以及铠装电缆组成。蓄电池是VSP设备的电能来源，为系统中的笔记本、控制中转站、井中探头供电。控制中转站中的电源升压模块将蓄电池的12 V输出电压转换为电源总线上的48V输电电压，井中各探头挂接在电源总线上。井中探头具有独立的功能实现，对外提供电源总线接口和通信总线接口，以实现对前级探头的级联和对后级探头的挂接。电源总线为井中探头的供电提供电能输送通道；通信总线给探头传送控制命令以及为其回传实时状态信息、采集数据提供传输通道。控制终端对井中各探头内供电进行实时控制和状态监测，以实现探头内电源优化管理和系统的稳定运行[4]。

1.2 供电参数设计及控制方案

电源系统中，采用铠装电缆供电和通信，进行能量与数据的传输，实现对井中探头的供电、控制及数据传输。在本设计中由1块12V（100A·h）的铅酸蓄电池供电，由模块WRD12D05-10W转换得到中转站控制电路所需的5V电压，由WRFD12D12-5W转换成±12V为中转站检波器测试通道供电；控制中转站内选取YD12-48型号的直流电压升压模块，将蓄电池的12V电压升压至48V，该模块额定输出功率为250W，以提供足够的带负载能力。电源总线电压U0是电源系统的重要参数，提高该电压有利于提高电能传输能力，但升压模块输出参数与井探头输入电压范围制约该电压无限升高。控制中转站与探头的电能传递关系与控制示意图如图2所示[5-6]。

铠装电缆内包含电源总线和RS485通信总线。探头的电压输入范围设计为18～72V，为控制中转站中升压模块的升级提供余量，同时也提高探头的瞬间启动特性，增强井中探头工作的稳定性。由于探头电机驱动时的干扰和井中环境的干扰，探头内部选择具有电气隔离的DC-DC开关电源，充分隔离地层干扰和电机干扰[7]。探头内控制及通信部分的电源±5V采用输入范围为18～72 V的WRFD24D5-6W模块，与电源总线同步上电，以保证探头与控制中转站实时通信和控制探头内其它用电模动作；24V的电机驱动电压由输入范围18～72V的URD24S24-20W模块转换总线电压得到；输入范围18～72V的WRS24D12-2W模块将总线电压转换成±12V的数据采集部分的电源。主控电路控制电机及数据采集部分的电源开关实现节能管理。

图2 电能传递关系与控制示意图

2 电源系统供电性能分析与试验

电源系统供电性能包括输出功率、效率、续航能力。井中探头内部用电模块包括3部分：（1）探头控制电路及RS485通信电路部分；（2）电机驱动部分；（3）数据采集部分。设备工作采取分步驱动，首先下井电源与第（1）部分同步启动，其他部分关闭，以保证探头处于实时通信状态，实现后续的优化控制方案；其次控制第（2）部分启动，可根据实际情况选择单只探头逐级驱动电机和分组电机同步驱动；最后关闭第（2）部分再启（3）部分进行数据采集，降低电机驱动部分对数据采集的干扰[8]。

2.1 探头内各用电模块性能测试分析

探头内部用电模块的功耗特性包含瞬态特性和稳态特性：功耗的稳态特性主要用于效率、续航能力计算；瞬态特性主要用于系统可靠性分析，其中第（1）部分的瞬态功耗主要用于井中所有挂接探头的同步启动能力分析，而支撑臂电机驱动的瞬态功耗特性主要用于同步驱动分组电机能力的分析。支撑臂电机驱动的瞬态功耗特性包括启动瞬间功率和卡死极限功率，在计算同步驱动一组电机的数量时选择两瞬间功率值较大者进行分析。单只探头在18～48 V的输入范围内，分别在24V、32V、40V的输入电压下，在其他测试条件相同的情况下，对上面3部分用电模块的相关功耗特性进行测试，实验测得的相关参数基本一致，且每只探头的对应参数有很好的一致性，测试数据如表1所示。

表1 探管内部各用电模块功耗特性参数

表1中各参数可用于分析电源系统的启动安全性分析，VSP设备系统的功耗分析、效率计算以及续航能力估算。在分析启动安全性时用瞬态特性计算，VSP系统挂接探头数量的计算分析采用P①瞬=4.5 W（①启动瞬间功率）为计算参数，同时启动电机的数量计算采用P②瞬=6.84W（②收臂卡死极限功率）为分析参数。在分析电源系统的功率输出和运行效率时，需要以稳态驱动功率分析计算[9]。

2.2 电源系统供电性能测试分析

中转站输送电能给探头，其输电性能决定着电源系统的主要参数。各探头内部完全相同，性能参数具有良好的一致性，因此可建立如图3左所示模型对控制中转站供电性能进行分析[10]。

图3 电源供电模型示意图

图3中，1、2、3、…、n为探头编号，中转站到首节探头距离100m，此段电源总线阻抗为8Ω，电源内阻为2Ω，因此R1=8+2=10Ω。探头之间的间距1m，实测值为R2=R3=…=Rn=0.05Ω远远小于R1，可忽略不计，因此在挂接探头不多（n≤20）的情况下可视井中所有探头为一功率体，等效电路如图3右所示。U0=48V为中转站输出电压，P0为输出功率，U为功率体的输入电压，P为井下所有探头获得的功率。由电源供电模型可得：

由式（1）可知，当i=U0/（2R1）时井中探头获得功率达到最大值Pmax与U0的关系式，如式（2）所示。当挂接探头所需瞬态总功率P超过Pmax后，级联探头出现启动不良，为确保电源系统启动可靠，挂接探头功率P必须小于Pmax，因此电流i范围为0＜i＜U0/（2R1）。将U0=48V，R1=10 Ω代入式（2）可得U0与Pmax关系如图4所示。本设计中探头输入电压范围18～72V，因此中转站的输电能力还有提升的空间。

图4 U0与Pmax关系图

将U0=48V，R1=10Ω代入0＜i＜U0/（2R1）和式（1）可计算得到：

由式（3）可得i与P的关系曲线，如图5所示，可以根据该曲线确定电源导线的最大电流指标并合理选择线缆型号。

图5 i与P关系图

图6 U与P关系图

图7 μ与P关系图

图8 N1与N2关系图

将i=（U0-U）/R1代入式（1），并将R1=10 Ω，U0= 48 V代入式（1）计算，可得探头输入电压U与P的关系式，见式（4）。由式（4）可得探头输入U与P关系曲线如图6，根据该曲线确定探头内部电源模块的输入电压范围参数。

由上面推导得出控制中转站电源输出效率μ与井中探头获得功率P关系，见式（6），可得μ与P关系如图7所示。由曲线可知中转站电源的输出功率越大，效率越低。在本文设计中，输出的最大功率Pmax=57.6W，此时效率为50%。

3 电源系统优化启动方案

VSP系统野外施工的稳定性、续航能力及施工效率至关重要，电源系统的安全启动决定着稳定性，探头内部电源优化管理影响续航能力，同时挂接探头数量N1与同时驱动电机数N2决定着施工效率。在最大输出功率的情况下，系统能驱动的探头数最大值N1MAX由探头第①部分瞬态功率（P①瞬=4.5W）决定，其关系如式（7）所示；确定N1MAX的值后，在N1≤N1MAX前提下根据实际确定N1，剔除挂接探头稳态功耗N1·P①稳，此时同步驱动电机最多个数N2MAX由探头内②部分瞬间功耗（P②瞬=6.84W）决定，其关系如式（8）所示。

式中Pmax=57.6 W为井中探头能获取的最大功率，P①稳=1.5W为探头第①部分稳态功耗。将表1数据代入式（7）得同时驱动最多12只探头，同步启动N1（N1≤8）只探头数后，由式（8）能同时启动N2≤6只电机，其关系如图8。根据以上关系能合理配置启动参数，以提高设备施工效率。

4 结束语

本文通过分析VSP系统中下井电源的输出功率、效率、可靠启动与电源总线电压及传输导线阻抗的关系，确定了电源系统相关模块组件参数；同时分析了电源系统参数与探头电机启动的关系，提出了优化的电源启动管理方案。最终确定了探头和电机的启动参数，使系统得以在高可靠性下高效率的工作。测试结果表明，该电源系统经100m四芯铠装电缆供电时，可同时驱动最多12只探头采集数据，并能同时驱动6只电机工作，并可根据实际需求配置下井探管数量。在野外多次现场试验过程中，未出现过卡井事故或无法启动现象，施工效率比传统设备显著提高。

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Reliability analysis and design on VSP power supply system’s startup

YANG Lin-feng1，TUO Xian-guo1，2，LI Huai-liang1，2，SHENG Tong2
（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu 610059，China；2.Key Lab of Earth Exploration and Information Techniques of Ministry of Education，Chengdu 610059，China）

In order to realize the reliable power supply system of the digital VSP，this paper provided the analysis and calculation of the performance of the power supply system，including the stability and reliability on startup，and output power，and efficiency.Then the power consumption parameters within the probe are determined by experiment to achieve the reasonable system configuration parameters，and to solve the problem of the power system’s startup.The optimization scheme of synchronous driving of motors was presented for improving the exploration efficiency of the VSP instrument.The startup parameters of probes and motors are decided by actual demand.The results show that supply power can drive simultaneously 12 probes at most and then start simultaneously 6 motors，when armored cable is 100 meters long.Meanwhile，the reliability and the exploration efficiency of the VSP system are significantly improved.

VSP power supply system；reliability on startup；power output；exploration efficiency

P315.61；TH262.2；TP202.+1；TN86

：A

：1674-5124（2014）01-0141-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.035

2013-05-24；

：2013-07-08

国家自然科学基金重大科研仪器设备研制专项（41227802）国家杰出青年基金项目（41025015）

阳林锋（1986-），男，四川广安市人，硕士研究生，专业方向为物探仪器工程地震仪及核测井仪器开发。