电潜泵采油井下电力线载波通信系统设计

张家田，万景涛，张庆彬

(西安石油大学，陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西西安 710065)

0 引言

电潜泵举升技术是在油井井底安装多级离心泵的一种人工举升系统。系统通过增加井内的压力，以克服流动压力产生的损失，从而提高油藏的石油产量[1]。然而，大功率电潜泵在井下狭窄、密闭的空间内工作必将引发众多工作故障。于是在电潜泵设备上安装工况仪，将井下数据实时传输至地面，使得地面工作人员或者自动化仪器能够根据井下状况进行合理的操作，是解决电潜泵井事故多发的主要手段[2]。所以保证井下数据快速、准确的传输是整个采油系统稳定的先决条件。由于井口较为窄小，为满足系统扬程需求，下入井内的电潜泵应尽可能地大，所以只能为通信电缆预留较小的空间。于是为了节省空间以及额外的材料成本，采用一种利用动力电缆进行数据通信的手段。采用电力线载波通信技术(PLC)能够满足潜油电缆为电潜泵供电的同时进行井下数据传输。系统设计通过简化井下通讯电路、选取耐温芯片、设计滤波电路进而应对复杂的井下环境，使其最高工作温度可达105 ℃，能够完成井下4 km以内的数据传输。

1 信道模型建立与特性分析

1.1 潜油电缆信道模型建立

根据油井开采需求，潜油电缆长度在2～6 km之间，而信号在电缆上采用高频方式进行传输。高频信号在长导线上的传输，应考虑其传输信道的分布参数效应，所有电缆上分布的电容、电感均不能忽视[3]。取极小的一段电缆进行微分处理，则整体电缆是由无数个微分单元组成。把微分单元视作集总参数二端口网络dl，电缆等效模型如图1所示。

其传播常数可用式(1)所示，它反映了信号的传播特性：

(1)

式中：α为波的衰减常数，描述波振幅在潜油电缆内的衰减程度；β为波的相移常数，描述了电缆复电抗引起的相位特性[4]；R为电缆电阻；G为电导；L为电感；C为电容；ω为频率。

其中电缆的特性阻抗可以表示为

(2)

根据基尔霍夫定律可列出下列电流电压方程：

(3)

(4)

(5)

由双曲线函数可知：

(6)

将式(6)代入式(5)可得：

(7)

通过输出电流电压关系的电力传输方程，可计算出输入信号的衰减曲线。

1.2 信道特性分析

潜油电缆分为圆电缆和扁电缆两种，均可作为动力电缆。由于井筒内尺寸的限制，潜油电机引接电缆一般采用扁电缆。其线芯分为实心铜线和铜绞线，又因集肤效应的影响，大多采用铜绞线电缆。为结合工程实际情况，本系统研究针对铜绞线扁型潜油电缆进行信道特性分析，其结构如图2所示。

根据传输线理论，通过电力线的相关特征参数即可算出实际线路的电阻、电容、电导和电感等原始参数[5]。表1为潜油电缆各项参数。

表1 扁形潜油电缆特征参数

为保证井下仪器能够最大功率进行信号传输，地面设备在数据接收时不产生反射现象造成信号的畸变，则应保证井下仪器、潜油电缆以及地面设备进行阻抗匹配[6-7]。因此则需要对电缆的特性阻抗进行计算，分析在不同载波频率下的特性阻抗，得到阻抗频率关系如图3所示。

图3 特性阻抗与载波频率关系

由于电缆电感量只和材质及几何形状有关，和频率无关。所以随着频率的增大，电缆的阻抗随感性阻抗的增强而较小，直到频率足够高时将保持平稳[8]。通信系统整体进行合理的阻抗匹配后，需要选择合适的载波频率，利用MATLAB对长度分别为2km、3km、4km的潜油电缆进行信号衰减计算，观察其随频率的变化而产生的变化。仿真图如图4所示。

图4 信号随频率衰减曲线

由以上结果可以发现，2km潜油电缆带宽处于240kHz附近；4km电缆带宽为150kHz左右，载波频率超过这一数值衰减将达到-40dB，地面设备接收信号后将产生较高的误码率。根据上述分析可以选择合适的硬件电路，在保证信号能够较好地传输同时，尽可能选择足够大的载波频率以保证传输速率。

2 系统硬件设计

通过电力线载波通信系统将井下数据向地面进行单相传输，硬件主要包括控制和数据处理、滤波电路、放大电路以及耦合电路，图5为系统框图。

图5 系统设计总体框图

2.1 控制和数据处理单元

本系统选取ST8500可编程电力线通信(PLC)片上系统，其载波频率最高可达500 kHz，工作温度为-40～105 ℃，可以满足井下4 km以内的载波通信。芯片内部集成32位CortexTM-M4F完全可编程内核，用于协议上层和外设管理；具有自动增益控制的PGA和ADC，带发送预驱动器的DAC；高性能、完全可编程的实时引擎，专用于PLC的OFMD多载波调制解调模块[9]。ST8500内部功能结构图如图6所示。

图6 ST8500内部功能结构图

2.2 滤波及放大电路

该模块采用PA12集成功率放大器，PA12是一款大电流型集成功率放大器件，内部耗散功率为125 W，宽电源电压工作范围为±10～±50 V，大电流输出范围为±15 A[10]。由于井下工况较为恶劣，为了尽可能避免硬件电路元器件过多所导致的不稳定状况，滤波电路直接采用ST8500内部的二阶萨伦和凯低通滤波单元。整体实现电路如图7所示。

图7 滤波放大电路

2.3 耦合电路

电力线耦合电路主要任务是将调制解调后的信号连接到潜油电缆，且需和电缆进行阻抗匹配。由于主控芯片采用ST8500，设计的耦合电路应尽可能与之相匹配，图8是其内部电路结构，两者之间具有较好的兼容性。

图8 耦合电路结构图

该耦合电路本质上是一个二阶带通滤波器，它允许接收PLC信号9～500 kHz的带宽，同时阻断50 Hz/220 V的交流电。除了滤波功能外，耦合电路还保证了信号传输电路与测量装置之间的阻抗匹配；其中变压器起到电力线和仪器之间的高压隔离作用[11]。为了设计一个有效的耦合端口，必须正确考虑其内部阻抗，以实现信号接收的功率最大化。

3 仿真分析

3.1 电力线噪声特性仿真分析

为了评估电力线噪声特性，对潜油电泵井下环境进行模拟仿真，并对噪声结果进行测量，其范围在0～500 kHz之间。由图9可知，噪声的功率在0～375 kHz频段随着频率的增加而减弱，在375～500 kHz频段趋于增强，大功率噪声主要集中在0～60 kHz之间。但在60、138、350 kHz处于噪声波动的拐点，此处噪声是相邻频段功率最低处。

图9 电力线噪声衰减

3.2 电力线载波OFDM仿真实验

为了检验电力载波通信的性能，对OFDM信号在电力线上的性能进行仿真实验。根据信道模型的建立分析可知潜油电缆的带宽为150 kHz左右，由噪声实验可知在138 kHz处噪声最小，为保证4 km以内的井下信号传输的准确性以及实时性，数据传输载波频率选取为138 kHz。图10为系统仿真结果。

图10(a)为经潜油电缆传输至地面的载波信号，噪声几乎把调制信号所淹没。图10(b)为滤波后的信号，其中仍然夹杂着噪声信号，但这些信号和调制后的信号相比幅值不同，在传送至地面设备后进行软件滤波处理。图10(c)、图10(d)分别为井下仪器发送的数字信号以及地面设备接收到的数字信号。通过数据对比两者完全一致，表明设计的电力线载波通信系统具有较高的可靠性。通过进一步对比，接收信号时间上具有一定的延迟。此现象是由于载波通信采用OFDM调制解调方式，则需要井下MCU进行快速傅里叶变换计算，但芯片在高温中运行会极大地降低CPU运算速度，因此调制速率受到了严重影响，进而导致地面系统接收到的解调信号具有较高的延迟。

(a)载波信号

4 结论

将电力线载波通信技术应用于电潜泵采油井中是一个较为可行的手段，既能避免额外铺设通信电缆又具有较高的传输速率，在设计较为合理的情况下具有较低的误码率；系统实现较为简单，在原有电潜泵油井就能进行快速改造。但是井下环境较为恶劣，高温高压下对芯片具有较高要求。电机振动、配电网络、地面变频器都会产生各种噪声，在硬件以及软件上要进行针对性的合理滤波设计。下一步工作将通过改进信号处理算法，以减小井下MCU数据处理压力，来更好地应对高温环境下CPU处理速率过低的现象，进而提高数据传输的实时性。