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基于电力线载波通信技术的油田井下设备通信系统

发表时间：2020/4/30 来源：《文化时代》2020年2期作者：熊炜

[导读] 油田井下设备通信系统可以帮助油田企业提升开采效率，通过对油田井下设备通信系统的研究可以检测出井下的异常情况，可以帮助企业及时发现问题，以便能够及时解决这种问题的出现，但是以往的通信方式比较慢，而且通信距离比较短，不能够及时发现问题，目前油田企业使用电力线载波通信技术可以很好地解决这种问题的出现，进而可以提高油田企业的开采效率。

油田综合服务中心甘肃省敦煌市 736200
        摘要：油田井下设备通信系统可以帮助油田企业提升开采效率，通过对油田井下设备通信系统的研究可以检测出井下的异常情况，可以帮助企业及时发现问题，以便能够及时解决这种问题的出现，但是以往的通信方式比较慢，而且通信距离比较短，不能够及时发现问题，目前油田企业使用电力线载波通信技术可以很好地解决这种问题的出现，进而可以提高油田企业的开采效率。
        关键词：电力线载波；通信技术；通信系统


油田的井下空间小，高温高压，严重腐蚀，地面上大量电器和严重的电磁干扰，有些井深达几公里，通讯距离很长，并且设备要求通讯系统具有很高的可靠性。传统的通讯方式难以满足油田智能设备的需求，开发长距离通信系统，提高可靠性并适用于井下设备的数据传输是至关重要的，电力线载波通信技术是一种新型的通信方式，它将数据调制为载波信号，将电源线用作传输载波，然后通过指定的耦合方法将信号合并到电源线中以进行数据传输，这种通信方法不需要创建单独的通信网络，并且通信成本低，电力线设备坚固稳定，信号传输的可靠性很高。
        1电力线载波通信技术特性分析
        1.1电力线载波通信技术的特点
        电力线网络并不是专门为满足通信需求而构建的，并且它们的应用未考虑到作为通信通道的需求，因此普通的电力线网络不适合进行数据通信，并且在网络端，用户端以及电缆的上下传输中都有许多混乱的连接。电缆传输会导致反射和电阻特性发生变化，另一个网络更改其结构，尤其是在家庭网络中，每个交换机都可以更改网络拓扑。
        该网络还具有多径传播特性，这主要是由于电缆连接和各种阻抗引起的大量反射。这导致信号倍增的效果，以及选择性的频率衰减，线路损耗是影响可靠信号传输的最重要因素。损耗是由于分支点的反射，电缆端口的差异以及频率的选择性衰减引起的。
        网络的衰减取决于导线电阻的长度和特性，大量测试表明，电源线的衰减相对较短，可以接受，但是长电缆的衰减非常大，因此长电缆必须配备中继器。
        1.2信道的输入阻抗分析
        电力线传输特性主要由电力线输入阻抗决定，输入电源线阻抗是重要的电源线参数，研究电力线的输入电阻特性对提高数据传输效率，延长通信距离，减轻发射机传输负荷具有重要意义。总之，电力线网的阻抗主要包括三个部分：第一，电力线中变压器产生的阻抗，该电阻将随着载波信号的频率而变化。载波频率越高，电阻越大。第二，电力线的固有阻抗。电线是电阻性和电容性的，它们可以被认为是由电阻器和电容器组成的，导线的特性阻抗也随载波信号的频率而变化，不同导线的阻抗也不同。第三，并联连接到电力线电网的电气设备的电阻，这些设备的特性阻抗变化很大，有些是电阻性的，有些是电感性的，有些是电容性的，并且电感性阻抗随载波频率的增加而增加。
        1.3信道衰减特性分析
        由于电网结构的复杂性，时间可变性和负载变化，传输信号到电力线的传输将被衰减，并且衰减特性是高度可预测的，这给线载波通信带来超负荷运行。
        使用电力线作为通信通道本身具有很大的时间可变性，在相同的频率下，每秒钟的衰减变化与噪声干扰强度的变化一样高。另一方面，电力线中的载波信号的衰减率随着载波信号的频率增加而增加。平坦度越高，减弱的程度就越严重，发生共振的可能性就越大，因此减弱是在一定频率下进行，就会快速增长。

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        2硬件设计
        2.1调制解调电路
        选择KSF调制技术将数字信号转换为频率信号，并且两个载波频率分别表示二进制中的数字0和1。具有设备简单，抗干扰能力强的优点，可以满足地下设备通信系统的要求。
        选择MSM7512芯片作为基本调制解调器芯片。该芯片集成了调制和解调功能，以半双工模式运行，传输速度为1.2kbps，是基于KSF原理的调制和解调芯片。
        对应于0和1的数字调制信号的载波频率分别为2.1 kHz和1.3 kHz，参见调制和解调电路。调制解调电路分为外围芯片电路和载波信号处理电路，MSM7512通过串行端口连接到井下控制器。控制器发送的数字信号被调制为载波信号，以增加系统的输入电阻，接收到信号后解调为数字信号。
        2.2耦合电路
        电力线耦合电路的功能是将调制解调器连接到电力线网络，以执行诸如信号发送和接收，电力线电阻匹配，高压直流隔离和系统之类的功能。保护和控制。耦合电路主要包括信号耦合器，控制系统保护器和高压电流隔离器。
        电力线在弯曲和展开状态下的两端必须分别匹配阻抗：接地系统与电源线的弯曲部分匹配井下系统与电源线设置匹配。通过采用分支匹配法，将支线连接到电源线上，并产生新的反射波以抵消原来的反射波，从而实现阻抗匹配，电容器和电阻器用于强弱电流绝缘和电阻匹配，用于稳定信号输入端的电压，以保护控制系统，压敏电阻用于防止高压电流波动并断开电容器时，电力线电压立即升高，从而引起电路损坏。
        3抗干扰分析
        3.1滤波网络
        采用不同的滤波器和多反馈低通滤波器两种不同的方式来进行滤波，通过这种方式可以抑制电力线所传输的噪声，进而提高油田井下的通信系统的抗干扰能力，另外多反馈低通滤波器的通用性比较强，而且成本比较低，效果也非常不错。
        3.2通信协议
        对于接近载波频率或与载波频率一致的噪声，很难从滤波设备中去除噪声，这对通信系统的影响最大，解调为有价值的数据，并与有价值的数据混合，这也将导致数据突变并降低系统通信的质量，因此，有必要分析干扰产生的机理并制定严格的通信协议，以确保系统能够消除干扰，提取有价值的数据并在各种异常情况下提供可靠的通信。
        4结束语
        基于电力线载波通信技术使用的通信系统，在通信方面的距离比较长，成本比较低，对于数据的传输非常有可靠性，对油田井下的通信系统非常有帮助，根据电力线的特性来选择不同的传输线模型，在保证通信速度的基础上，来进一步降低信号衰弱，提高油田井下设备的利用率。
        参考文献：
        [1]孙凤喜.基于电力线载波通信的油田电信设备监控系统[J].油气田地面工程，2014，33（9）：64-65.
        [2]石绍福.基于电力线载波通信的油田钻井通信系统设计与实现[D].武汉理工大学，2013.
        [3]孙伟，宋海芝.基于电力线载波的注水测调通信系统的研究[J].中国测试，2010（02）：9-11.