水下脐带缆电传输特性仿真分析*

刘培林 苏 锋 张志远 陈 斌 张汝彬 李育房 赵宏林 张 磊

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451; 2. 中国石油大学(北京) 北京 102249)

水下脐带缆电传输特性仿真分析*

刘培林1苏 锋1张志远2陈 斌1张汝彬1李育房2赵宏林2张 磊1

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451; 2. 中国石油大学(北京) 北京 102249)

刘培林,苏锋,张志远，等.水下脐带缆电传输特性仿真分析[J].中国海上油气，2017,29(2)：135-141.

LIU Peilin,SU Feng,ZHANG Zhiyuan,et al.Simulation analysis of electric transmission characteristics for subsea umbilicals[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):135-141.

为设计出深海、远海水下生产系统的最优供电和通信方案，须对水下生产系统的脐带缆进行电传输特性分析。本文利用Multisim仿真软件对典型π型、典型T型、改进版π型等值电路进行了电力传输特性仿真，优选出了脐带缆中电缆最佳等值模型；利用最佳等值模型搭建了等值电路，仿真对比了不同电压窗口下电缆的压降，并将仿真结果与计算结果进行对比分析，验证了仿真结果的准确性；搭建了电力载波仿真电路，分析了电网噪声和传输距离对通信信号的影响以及不同频带内信号的衰减趋势，为今后长距离水下生产控制系统供电和通信方案的设计提供了参考依据。

水下；脐带缆；电传输特性；仿真分析；等值电路；压降；电网噪声；传输距离；通信信号

脐带缆作为海上油气田水下生产系统中不可或缺的一部分，其上端连接上部控制模块，下端连接海底生产设备，为海底设备提供电力、液压和化学药剂注入以及数据传输等，被称为水下生产系统的“生命线”[1-3]。随着油气田开发向深海、远海迈进，水下生产系统脐带缆回接距离显著增加，在设计水下生产系统的供电方案和通信方案时有必要提前对脐带缆进行电传输特性的仿真，设计出最优的供电和通信方案[4-5]。本文利用Multisim仿真软件对典型π型、典型T型、改进版π型等值电路进行脐带缆电传输特性仿真，优选出脐带缆电缆最佳等值模型；然后利用最佳等值模型搭建等值电路，通过仿真对比不同电压窗口下电缆的压降，并将仿真结果与计算结果进行对比分析，验证其准确性；最后搭建电力载波仿真电路，分析传输距离和电网噪声对通信信号的影响以及不同频带内信号的衰减趋势，以期为今后长距离水下生产控制系统供电和通信方案的设计提供借鉴。

1 脐带缆电缆等值电路选型

1.1 等值电路类型

脐带缆基本参数为电阻、电容、电感。对于长度100 km以下的电缆可以不考虑其分布参数特性，采用均匀传输线理论的集中参数模型来表示[6]。脐带缆电缆基本特性研究主要是对电缆电阻、电容、电感等特性参数的研究以及如何用这些特性参数来搭建与真实电缆相一致的等效电路模型。目前等值电路类型有典型π型、典型T型和改进版π型，如图1所示。

1.2 等值电路电力传输特性仿真

利用上述3种等值电路搭建如图2所示的仿真模型。海洋工程中一般采用对单位长度电缆进行频率扫描的方法来得到电缆的分布电阻、电容、电感、电导值，而在实际工程测量中只有电缆分布电阻随着频率升高而略有上升，其余参数基本保持不变；此外，根据传输线理论，导体本身的电导对系统信号通信的影响可忽略，因此可根据某一频率下测量的一组电阻、电容、电感参数值对等效仿真模型进行赋值[7]。当频率为1 kHz时，16 mm2线径脐带缆电缆的特性参数见表1。 对图2所示的电力传输特性测试电路进行电力传输特性仿真，测得各个电路在负载处的输出电压幅值见表2。由表2可知，各个等值电路在电压损失上的差别均很小，因此采用上述3种等值电路均可以很好地模拟脐带缆电缆的电力传输特性。

图1 等值电路模型Fig .1 Equivalent circuit model

图2 10 km脐带缆电缆电力传输特性测试电路Fig .2 Test circuit of power transmission characteristics of 10 km umbilical cable表1 16 mm2线径脐带缆电缆特性参数Table 1 16 mm2 umbilical cable RLC characteristic parameters

线径/mm2环路电阻/(Ω·km-1)环路电感/(mH·km-1)电容/(nF·km-1)162.380.66124

表2 电源为600 V、50 Hz时10 km脐带缆电缆的3种 等值电路电压损失Table 2 Voltage loss of 3 equivalent circuits for 10 km umbilical cable while the power is 600 V、50 Hz

1.3 等值电路高频信号传输特性仿真

应用图2电力传输特性测试电路进行高频信号传输特性仿真，输入电源改为高频信号源1 V、20 kHz，记录3种等值电路电压损失结果见表3。

表3 电源为1 V、20 kHz时10 km脐带缆电缆的3种等值 电路电压损失Table 3 Voltage loss of 3 equivalent circuits for 10 km umbilical cable while the power is 1 V,20 kHz

由表3可知，图2b典型T型等值电路在高频信号传输特性上不能实现真实电缆的等效，其负载处电压大于输入端电压，对高频信号产生了增益效果，而图2a典型π型等值电路和图2c改进版π型等值电路负载处电压小于输入端。根据欧姆定律，在只考虑电路电阻特性的条件下，输入电压为707.00 mV时，负载处电压应为631.81 mV。当输入为高频信号时，电缆的电感特性会对高频信号产生阻抗效应，因此负载端电压应小于纯电阻条件下的计算结果。分析表3中数据可知，图2a典型π型等值电路负载处电压值为656.80 mV，大于纯电阻条件下的计算结果，因此在高频信号传输特性上亦不能实现真实电缆的等效。只有图2c改进版π型等值电路能实现电力及高频信号传输特性的等效。因此，选用改进版π型等值模型能更好地模拟真实脐带缆的电传输特性。

2 脐带缆电力传输特性仿真分析

2.1 电力传输计算模型搭建

脐带缆中的电缆为电力线，因此对于电缆线路传输计算应采用π形等值电路模型进行计算[8]，如图3所示。

图3 π形等值电路Fig .3 PI equivalent circuit

图3中Z为线路阻抗和感抗，Y为电路容抗，因脐带缆电缆间空气介质较少，且系统所用电压较低，线路的电导忽略不计，即G=0，于是有

(1)

式(1)中：R=r1l，其中r1为电缆单位长度电阻，Ω/km；l为电缆长度，km。X=x1l，其中x1=2πfL1为电缆单位长度感抗，Ω/km；f为电源频率，Hz；L1为电缆单位长度电感，H/km。B=1/(b1l)，其中b1=2πfC1为电缆单位长度容抗，F/km；C1为电缆单位长度电容，F/km。

由脐带缆电缆π形等值电路，可得电缆线路首末端的电压、电流为

(2)

将式(2)写成矩阵方程式为

(3)

脐带缆电力传输特性可根据式(3)进行电力传递的计算，根据水下负载所需电压、功率数据即可推导出水上电力设备所需提供的输出参数，确定电力设备性能参数及电力线上的功率损耗。

2.2 电力传输仿真模型搭建

利用Multisim软件搭建长度为25 km、线径为16 mm2的脐带缆电力传输特性仿真模型，如图4所示。该仿真模型中等值电路的电阻、电容、电感值取自表1中脐带缆电缆特性参数。

图4 长度为25 km、线径为16 mm2的脐带缆电力 传输特性仿真模型Fig .4 Simulation model of power transmission characteristics for length 25 km,diameter16 mm2 umbilical cable

2.3 不同电压窗口下电力传输特性仿真分析

目标油田共6口井，SCM的静态功率为200 W，动态功率为250 W。整个油田最大负载为一个SCM处于动态工况，5个SCM处于静态工况，因此整个系统最大功率为1 250 W。考虑到不同电压窗口下脐带缆的电力传输特性的不同，对200、450、600、850 V电压窗口下长度为25 km、线径为16 mm2的脐带缆电缆电力传输特性进行仿真，结果见表4(其中V1为EPU供电电压，V2为SCM实测供电电压，I为线路中电流)。

表4 长度为25 km、线径为16 mm2的脐带缆电力 传输特性仿真结果Table 4 Simulation results of power transmission characteristics for length 25 km,diameter16 mm2 umbilical cable

为了验证仿真结果的准确性，利用上述电力传输计算模型进行理论计算验证，结果如表5。由表4与表5数据对比可知，两者误差在允许范围内，说明仿真结果是可信的。

表5 长度为25 km、线径为16 mm2的脐带缆电力传输 特性理论计算结果Table 5 Theoretical calculation result of power transmission characteristics for length 25 km,diameter16 mm2 umbilical

由图4所示的仿真结果可知，当脐带缆电缆线径为16 mm2、电压窗口为200 V时，压降为65.08%，其功耗超过了30%，这样会造成电力的极大浪费，不符合电力系统的设计要求；随着电压窗口的升高，系统压降会降低，当电压窗口为850 V时，系统功耗最低，仅为9.17%。因此，当系统压降大于30%时，可以适当提高窗口电压，然后采用终端变压器降压的方法来提高电力传输效率。

3 脐带缆电力载波传输特性仿真分析

3.1 仿真电路搭建

图5展示了某水下生产控制系统电力和通信结构。该水下生产控制系统水上与水下电力和通信单元通过长25 km、线径为16 mm2的主脐带缆连接，其中水下分支终端共有6个SCM，电缆的分布参数值同样取自表1。整个仿真模型由脐带缆电缆等值电路、电力载波发射机、电力载波接收机以及负载组成，根据电缆的特性参数，等值电路利用改进版π型等值电路串联得到，见图6。

注：EPU为电力单元，TUTA为平台端接口，SCM为水下控制模块，EFL为电飞线，SUTU为终端分配单元。

图5 某水下生产控制系统电力和通信结构图

Fig .5 Structure of one subsea production control system power and communication

图6 某水下生产控制系统脐带缆电缆等值电路Fig .6 Umbilical cable equivalent circuit of one subsea production control system

图7、8分别为电力载波发射机和接收机仿真模型，电力载波形式选用相地耦合方式，采用K式带通结合滤波方式[9]。

图7 发射机仿真模型图Fig .7 Transmitter simulation model

图8 接收机仿真模型Fig .8 Receiver simulation model

在K式带通结合滤波器中

(5)

(6)

(7)

(8)

式(5)～(8)中：L2、L3、L4为电感，H；R为线路等效阻抗，Ω；fc为带通滤波器带宽，Hz；ω0为带通滤波器中心频率，Hz；C0为电容，F。经计算得各元件参数值为：L2=L3=100 μH,C1=C2=507 nF,L4=907 μH,C0=55.9 nF。

3.2 电网噪声对电力载波信号影响的仿真分析

分析电力载波信号在背景噪声(高压直流电、高压交流电)影响下的衰减情况。仿真分析的输入条件包括：①通信信道受外部电磁波等环境的影响忽略不计；②调制解调方式为PBSK；③误码率不高于1×10-6；④发射机的发射功率为5 W(37 dBm)，幅值为1，相位为0，频率范围为2～100 kHz；⑤接收机的接收功率大于等于-45 dBm，否则信号淹没在背景噪声中无法被接收机提取。

图9为高压交流电电网噪声时脐带缆通信的仿真模型。通过调整电力载波发射机供电电源频率，便可测得不同频率下电力载波信号的衰减情况。将图9的仿真模型输入端交流电源去掉，便可得到无电网噪声时脐带缆通信仿真模型；将图9中仿真模型输入端交流电源改为直流电源，便可得到高压直流电电网噪声时脐带缆通信仿真模型，高压直流电电压为600 V。

通过对以上3种情况进行仿真，得到的电力载波信号衰减曲线如图10所示。通过分析可知:

1) 在无电网噪声时，脐带缆电力载波信号的衰减比加入电网噪声时小。当频率为2～20 kHz时，信号衰减趋于平缓；当频率为20～35 kHz时，信号衰减急剧下降；当频率为35～100 kHz时，信号衰减又趋于平缓。在2～100 kHz频段内，信号衰减均小于45 dBm，均能被接收机提取。

2) 当有高压直流电电网噪声和高压交流电电网噪声时，由于仿真模型中视电阻、电容、电感值为固定值，因此其衰减曲线基本一致。当频率为2～20 kHz时，信号衰减基本保持不变，为-14.27 dBm；当频率在20～25 kHz时，信号衰减急剧下降；当频率在25～100 kHz时，信号衰减又趋于平缓；当频率为48.92 kHz时，信号衰减到-45 dBm，此时接收机无法提取到有用信号。因此，在2.00～48.92 kHz这一频带范围内均可用电力载波进行通信。

图9 高压交流电电网噪声时脐带缆通信仿真模型Fig .9 Umbilical cable communication simulation model under the high volege abterhating currene

图10 不同背景噪声影响下电力载波信号衰减Fig .10 Power carrier signal attenuation under different grid roises

3.3 传输距离对电力载波信号影响的仿真分析

为分析传输距离对信号衰减的影响，进行不同长度脐带缆电缆等值电路信号衰减仿真，仿真电缆长度取5、10、15、20、25、30、35、40 km，线径为16 mm2。仿真模型中电源为600 V、50 Hz，负载为100 Ω，载波信号的幅值为1，频率为20 kHz。通过仿真得到图11所示的信号衰减曲线，可以看出在信号频率一定的情况下，随着脐带缆长度的增加，信号的衰减呈增大趋势，类似指数曲线形式。

图11 不同长度脐带缆信号衰减曲线Fig .11 Relationship betueen length of the oionulation line and poner carrier carrer signal atbenuation

4 结论

1) 利用Multisim仿真软件对典型π型、典型T型、改进版π型等值电路进行了电力传输特性仿真，结果表明改进版π型等值模型为脐带缆中电缆最佳等值模型。

2) 通过搭建长度为25 km、线径为16 mm2的电力载波仿真电路，分析了电网噪声和传输距离对通信信号的影响以及不同频带内信号的衰减趋势，结果表明在2.00～48.92 kHz这一频带范围内均可用电力载波进行通信，且在频率一定的情况下，信号衰减随传输距离增加而增大，类似指数曲线形式。

[1] 张姝妍,刘培林,曾树兵,等.水下生产系统研究现状和发展趋势[A].中国造船工程学会近海工程学术委员会.2009年度海洋工程学术会议论文集(上册)[C]∥中国造船工程学会近海工程学术委员会,2009.

[2] 陈家庆.海洋油气开发中的水下生产系统(一)[J].石油机械,2007,35(5):54-58. CHEN Jiaqing.Subsea production system in offshore oil and gas development (1) [J].China Petroleum Machinery,2007,35(5):54-58.

[3] 王玮,孙丽萍,白勇.水下油气生产系统[J].中国海洋平台,2009,24(6):41-45. WANG Wei,SUN Liping,BAI Yong.Investigation on subsea production systems[J].China offshore Platform,2009,24(6):41-45.

[4] 陈斌,苏锋,姚宝恒,等.水下生产系统浅水测试技术研究[J].中国测试,2014,40(6):10-13. CHEN Bin,SU Feng,YAO Baoheng,et al.Study of shallow water testing technology of subsea production system[J].Ocean Engineering Equipment and Technology,2014,40(6):10-13.

[5] 郭宏.水下生产控制系统供电电压降落分析及方案设计[J].中国海上油气,2015,27(3):150-153.DOI:10.11935/j.issn.1673-1506.2015.03.24. GUO Hong.Analysis on the voltage drop in power supply to subsea production control systems and power supply design[J].China Offshore Oil and Gas,2015,27(3):150-153.DOI:10.11935/j.issn.1673-1506.2015.03.24.

[6] 陈珩.电力系统稳态分析[M].北京：中国电力出版社,2008. CHEN Heng.Steady state analysis of power system [M].China Electric Power Press,2008.

[7] 王书斌,刘颖,曹海量,等.水下控制电力载波通信信道特性仿真研究[J].海洋工程装备与技术,2015,2(1):64-71. WANG Shubin,LIU Ying,CAO Hailiang,et al.Simulation study on power Line Carrier communication design for subsea production control system[J].Ocean Engineering Equipment and Technology,2015,2(1):64-71.

[8] 胡雪峰,封延松.电液复合式控制系统的组成及分析工况[J].中国造船,2012,53(增刊1):189-199. HU Xuefeng,FENG Yansong.Composition of multiplex electro-hydraulic control system and operation modes[J].Ship Building of China,2012,53(S1),189-199 [9] 张立建.基于阻抗匹配的电力线载波通信结合滤波器的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2007. ZHANG Lijian.Development of coupe filter for power line communication based on impedance matching[D].Harbin：Harbin Institute of Technology,2007.

(编辑：吕欢欢)

Simulation analysis of electric transmission characteristics for subsea umbilicals

LIU Peilin1SU Feng1ZHANG Zhiyuan2CHEN Bin1ZHANG Rubin1LI Yufang2ZHAO Honglin2ZHANG Lei1

(1.OffshoreOilEngineeringCo.Ltd.,Tianjin300451,China; 2.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

To design the best power supply and communication scheme for deep and high sea production systems, it is necessary to analyze the electric transmission characteristics of the umbilicals used in the system. In this work, Multisim software was chosen to simulate typical PI equivalent circuit, typical T equivalent circuit and improved version of PI equivalent circuit to optimize the equivalent model of cable in umbilicals. The equivalent circuit built on the basis of optimal equivalent model was used to verify the accuracy of simulation results by contrasting voltage drop in different voltage windows, and by comparing the simulation results with the calculation ones. The simulation circuit of power line communication was also developed to analyze effects of power grid noise and the transmission distance on communication signals, as well as the various trends of signals in different frequency bands. The observations here provide a reference for the future projects of long-distance power supply for subsea production control systems and future plans for communication solutions.

subsea; umbilical; electric transmission characteristic; simulation analysis; equivalent circuit; voltage drop; grid noise; transmission distance; communication signal

*工业和信息化部海洋工程装备科研项目“水下控制系统与关键设备研发”部分研究成果。

刘培林，男，教授级高级工程师,1988年毕业于原石油大学(华东)，现主要从事海洋石油研究设计工作。地址：天津市塘沽区丹江路1078号616信箱(邮编：300451)。E-mail：peilin@mail.cooec.com.cn。

1673-1506(2017)02-0135-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.019

TH137

A

2016-09-18 改回日期：2016-11-08