智能化油井套管阴极保护脉冲电源系统设计*

袁 森，周好斌，徐伟东

(1.西安石油大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710065;2.浙江恒逸集团有限公司，浙江 杭州 311215)

油井套管是石油生产中的重要设施，目前国内外广泛使用直流型恒电位仪对其进行外加电流阴极保护，多年的实践表明，该技术是一种十分有效、经济的防止套管外壁腐蚀的方法，但同时该技术存在一个致命缺陷，那就是采用直流阴极保护无法达到油井套管实际需要的保护深度，特别是对一些深井和超深井的套管阴极保护，这一问题变得尤为突出。因此如何延长油井套管的保护深度越来越引起人们的注意。

早在1964 年，国外就有应用脉冲电流对油井套管实施阴极保护的报道，到20 世纪90 年代后期国外的加拿大油田、中东阿曼油田等已推广使用该技术［1］，从现场的使用结果来看，脉冲电流阴极保护相比于传统的直流阴极保护具有更均匀的电流密度，更深的穿透性，较小的电流需求等优点，应用脉冲电流对油井套管实施阴极保护可以很大程度地延长套管保护深度［2-5］，使一些深井或超深井的套管得到有效的全线保护，如在深井套管阴极保护中，普通直流阴极保护深度只能达到1 500 m 左右，而采用脉冲电流阴极保护技术可将保护深度延长至3 000 m 以上，目前该技术在国内还处于起步阶段，未见大规模应用［6］。

实际应用表明，脉冲电流的参数如频率、占空比、幅值等均对套管保护效果有明显影响［7］，因此需要脉冲电源可输出不同波形的脉冲电流。且油井套管多分布在恶劣的自然环境中、设备节点多不易进行现场管理，因此对阴极保护电源的可靠性及智能性有很高的要求，针对这些问题文章设计了基于双核微控制器SH99F100 的智能化油井套管脉冲电流阴极保护电源系统，该系统采用二次逆变电路结构形式作主功率单元，充分利用SH99F100 的双核结构及强大的运算能力并结合三层自学习闭环控制算法及自适应数字滤波算法，实现脉冲电源系统的智能化，同时提升系统的稳定性以及对油井套管的保护效果，实验表明，该系统可输出频率、幅值、基值均可宽范围调节的脉冲电流，并可在无人值守的情况下实现自适应控制，可有效使被保护金属达到保护电位，同时基于三层自学习的闭环控制策略可以有效调节脉冲电源的输出参数，使其达到最佳匹配值，并有效降低电能消耗。

1 总体方案设计

1.1 主要技术指标

脉冲电流输出波形为方波，载波频率为20 kHz，载波占空比在0%～90%自动调节，幅值、基值及频率可自由调节，输出电流平均值随负载变化而变化，即输出的调制脉冲电流波形见图1。

图1 调制脉冲电流波形

除此以外，还要求脉冲电源可长期连续可靠工作;具有脉冲参数设置、监控、存储及显示功能;具有无线收发模块，可与远程上位计算机进行通讯。

1.2 主电路结构设计

整个电源结构由控制单元及功率单元两部分组成，见图2。该系统的工作原理为:输入的380 V 交流电首先经一次大功率整流桥堆整流成520 V左右直流电，滤波后再由一次全桥逆变单元变成可控的交流电，经过中频变压器变压后输出相对较低的电压，变压器的变比采用N1∶N2=4∶1，再经二次整流滤波后得到电压固定的直流电，二次斩波逆变部分由单只IGBT 管组成，通过PWM 单元控制其斩波生成频率、占空比、幅值、基值均可独立调节的调制脉冲波［8］，由于在该结构中引入了中频变压器，此时变压器的设计要满足公式:

式中:B 为磁感应强度，T;S 为变压器磁芯截面积，m2;U 为输入电压，V;N 为变压器绕组匝数，f 为逆变频率，Hz。

若在一次全桥逆变单元取f=20 kHz，则相对于普通50 Hz 工频电压，变压器磁芯截面积理论上可减小400 倍，因此该二次逆变结构的引入极大程度的减小了脉冲电源的体积及重量，同时实现了电气隔离，使电源获得良好的动特性和可调性，并有助于提高电源的工作效率。

控制单元由微处理器、脉冲驱动电路、数据采样电路等组成一个完整的智能控制系统。运行时，单片机根据人机交互界面所设定的初始运行参数启动脉冲电源，然后通过采集外部数据如保护电位、输出电压电流、异常信号等参数，通过控制算法处理后改变二次斩波单元载波的占空比，实现电源运行参数的自动调整，确保油井套管处于最佳保护状态，同时每隔一定时间将该参数进行储存，每隔1 h 进行打包发送给上位机。

1.3 闭环控制系统设计

油井套管脉冲电流阴极保护电源系统的核心任务是保证被保护油井套管的保护电位处于合理的范围内，因此必须采用高效的控制算法对其进行闭环自适应控制，该文提出了三层闭环控制策略，见图3，控制器通过采集电源输出电流电压，套管实测电位等值实现三个层次的闭环控制。三层闭环控制均采用自学习思想进行控制，即在系统刚运行时，为了不使保护电流一下子过大，首先对最里层电流反馈进行算法处理，使保护电流逐渐达到设定值，并在这个过程学习最佳的占空比匹配参数;当电流达到设定值时，开始进行中间层自学习控制，在这个过程主要学习如何匹配最佳的幅值及基值，使得脉冲电源输出功率达到最小化，同时不改变保护电流的大小;当输出功率匹配完成后，最后引入最外层保护电位反馈信号，通过改变载波占空比使得被保护油井套管达到最佳保护电位，对其实行精细调节，这种三层自学习闭环控制策略不仅可以使套管的保护电位始终保持在最佳范围，同时可有效匹配电源输出功率，避免“大马拉小车”现象的发生，节能环保的同时提升了系统的稳定性。

图3 脉冲电源三闭环控制策略

2 控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计

本次设计采用中颖公司生产的SH99F100 芯片作为主控核心微处理器，该芯片是一款同时兼备DSP 与MCU 的双核微处理器芯片，MCU 负责处理开关量、输入输出以及通讯，而DSP 只需专注于控制算法运算。其中DSP 核的内部外设有6 路(3对)16 位PWM 输出，5 个保护输入引脚，4 个16 位定时器，2×8 通道14 位模数转换器(ADC))，3 个外部中断，2 个运算放大器，这些特性能够方便地实现多种工业控制算法，特别是能实现高效精确地控制PWM 输出。MCU 核是一种高速的8051 兼容核，在同样的震荡频率下，较之传统的8051 芯片具有运行更快速、性能更优越等特性，其资源有内置256 字节SRAM，3 个16 位定时器和3 个外部中断，同时还集成了增强型UART，1 个SPI 接口。因此采用SH99F100 作为本次设计的主控微处理器芯片可完全满足对性能及效率的要求，方便实现各种复杂算法及外围功能扩展。

在对处理器引脚进行功能划分时要充分考虑MCU 与DSP 各自不同的性能，将对实时性要求很强且需要复杂运算的任务及功能交给DSP 去做，将对实时性要求一般以及运算较简单的任务及功能交给MCU 完成，设计中SH99F100 接口示意图见图4。

图4 SH99F100 接口示意

2.2 控制系统软件设计

由于SH99F100 的双核结构，在编程时需要区分MCU 单元与DSP 单元，对MCU 单元编程可在Keil 环境下调试编译;对DSP 编程需要在中颖公司自带的编译环境SIDDE 下进行编译，编译通过后需要烧写为“.BIN”文件后使用仿真器引导加载到SH99F100 中的Flash 存储器中。MCU 与DSP 之间的双核通讯直接由数据寄存器和通讯数据单元通过中断的方式实现，数据寄存器与通讯数据单元总共占据530 个字的存储空间，这种方式可有效保证双核之间进行快速、简便、精确和高效的通讯，实时性控制系统软件结构原理流程图见图5。

图5 控制系统软件结构原理流程示意

2.3 数字滤波算法实现

SH99F100 微处理器中DSP 单元具有的强大计算功能给该次设计数字滤波算法带来了极大便利，考虑到脉冲电流本身带来的高频谐波干扰，该系统采用自适应数字滤波算法，该算法一种在计算过程中能够自动调整本身参数，在设计时不需事先知道有关于输入信号和噪声的统计特性，该算法能够在自己的工作过程中逐渐“了解”或“估算”出所需的统计特性，并以此作为依据自动调整自身参数，以达到最佳滤波效果，且一旦输入信号的统计学特性发生变化，其又能够跟踪这种变化，自动调整参数，使滤波器的性能重新达到最佳［9］。因此，自适应数字滤波器具有“自我调节”和“跟踪”的能力。自适应数字滤波器有很多种类，分别具有不同的适用范围，设计中采用横向型自适应数字滤波器，该滤波器可满足绝大多数情况下的自适应滤波需求，且较容易实现，其结构见图6。

图6 横向型滤波器结构

滤波器输出的矢量表达式为:

式中:X(n)=［x(n)，x(n-1)，..，x(n-N+1)］T为输入矢量;W(n)=［w0(n)，w1(n)，..，wN-1(n)］是权系数矢量;T 为转置符;n 为时间序列。

3 实验结果

为验证设计的可行性以及脉冲电流阴极保护的优越性，在实验室建设一个12 m×1 m×0.5 m的水槽，在里面放置8 根不同长度的同一型号角铁，并用食盐配比出与土壤电阻率相接近的电解质溶液，用两个示波器分别测量脉冲电流输出波形及角铁的保护电位变化曲线。

3.1 输出波形测试

在实验中，图7 所示为对长度为10 m 的角铁实施阴极保护并使该角铁达到保护电位(设定为-0.85 V)时的脉冲电流输出波形及角铁保护电位响应曲线，从图7 中可以明显得知，脉冲电源可按设计要求生成频率、幅值、基值、占空比均可调节的脉冲电流，并可使被保护金属的保护电位稳定达到设定范围，验证了设计的可行性。

图7 脉冲电流波形及保护电位响应曲线

3.2 输出功率比较

表1 是对8 种长度不同的角铁在直流阴极保护与脉冲电流阴极保护调节下达到保护电位后(设定为-0.85 V)的阴保电源输出功率进行测定，分别比较了两种阴保电流下的电能消耗情况，可以看出智能化脉冲电流阴极保护系统的电能消耗明显小于普通直流阴极保护系统，并且可明显得知当被保护金属的表面积随长度有明显下降时，脉冲电源的输出参数也在做相应调节使得输出功率有明显的下降，说明该系统的三层自学习闭环控制算法可随负载变化自适应匹配输出参数，保证系统稳定运行的同时达到节约电能的目的，但由于脉冲电流阴极保护本身具有较小的电能需求等特点，故无法具体量化本智能化脉冲电源系统的节电性能。

表1 使用智能化脉冲电源阴极保护前后功率变化

4 结论

(1)实际运行结果表明，设计的智能化油井套管脉冲电流阴极保护电源系统是可行的，可在不同负载条件下对金属实施外加电流阴极保护。

(2)基于三层自学习的闭环控制策略可以有效调节脉冲电源的输出参数，使其达到最佳匹配值，并有效降低电能消耗。

(3)由于实验室的条件有限，相对于油井套管深度只是在长度非常有限的条件下做了模拟类比实验，且无法具体量化该系统具体的节电和稳定性能，最好是在油井现场做实验测量其工作的稳定性和保护效果。

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［7］邱于兵，王昊，郭稚弧.油井套管方波脉冲电流阴极保护模拟研究［J］.油气田地面工程，2000，19(6):35-37.

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