相关电力线载波通信技术的油田井下设备通信系统

《相关电力线载波通信技术的油田井下设备通信系统》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、东北石油大学学报第36卷第5期2012年10月JOURNALOFNORTHEASTPETROLEUMUNIVERSITYVo1．36No．5Oct．2012基于电力线载波通信技术的油田井下设备通信系统王中国，徐明，李隆球，张广玉(1．哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2．大庆油田有限责任公司第五采油厂，黑龙江大庆163513)摘要：传统的油田井下设备通信系统难以满足油田井下工况恶劣、电磁干扰强、通信距离长等特殊使用环境要求，通信不可靠．基于新型通信技术——电力线载波通信技术，建立油田井下设备电力线模型并分析特性，选择合适载波频率确定通信系统的硬件设计方案，利用软硬件

2、结合方式进行抗干扰设计，研制一种基于电力线载波通信的井下设备通信系统．实验结果表明：该系统通信距离达到3km，准确率为100，可以满足油田井下及其他恶劣工况环境下设备使用要求，具有一定的应用前景．关键词：油田；井下设备；通信系统；载波通信；电力线；抗干扰中图分类号：TE938文献标识码：A文章编号：2095—4107(2012)05—0105—060引言油田井下空间狭小、高温高压、腐蚀严重，地面用电设备众多、电磁干扰严重，部分井深达到几千米，通信距离非常远，设备对通信系统可靠性的要求非常高口]．传统通信方式难以满足智能化油田设备的要求，研制一套通信距离长、可靠性高、适用于井下设备数据传

3、输的通信系统具有重要意义．电力线载波通信技术是一种新型的通信方式．其将数据调制成载波信号，以电力线作为传输载体，通过一定的耦合方式将信号耦合到电力线上进行数据传输]．该通信方式不需架设专门的通信网络，通信成本低廉；电力线硬件坚固耐用，信号传输可靠性很高]．该技术主要应用于自动抄表领域]，在其他领域应用较少，在油田井下设备通信方面，国内研究尚处在起步阶段l8]．电力线载波通信技术中信号在电力线上的传输还有难点，如信号畸变、难以进行阻抗匹配及通信环境恶劣[g等．笔者分析井下设备电力线性质，利用微波传输线理论，对电力线进行建模仿真并分析特性，选取合适的载波频率，实现信道阻抗匹配；采用软硬件滤

4、波结合的方式抑制噪声，提高系统抗干扰能力，研制一种通信可靠、距离长、成本低的井下设备通信系统．1信道特性模型1．1模型传输线信道是信号传输的载体，伴随通信始终，信道匹配直接影响通信质量．油田设备常用电力线为单芯同轴电缆，按照导行波特性归属于TEM波传输线．为适应我国大部分油田设备的工作需要，选取电缆长度为4km，接近信号波长，按长线处理．长线的分布参数效应无法忽视，传输线不能仅视为连接线，因其形成复杂的分布参数电路，需用微波传输线理论进行研究．对于长的传输线，任取一段无限小的线元d作为研究对象，将其视为一个集总参数电路，用四端网络进行等效，网络模型见图1．其中，G表示传输线单位长度的分

5、布电导；L表示分布电感；R表示分布电阻；c表示分布电容，与传输线的特性相关．以长度为4km的电力线作为传输线，由许多段具有相同特性的微收稿日期：2012一O6—21：编辑：张兆虹基金项目：国家自然科学基金项目(51105099)作者简介：王中国(1968一)，男，博士研究生，高级工程师，主要从事油气田开发方面的研究东北石油大学学报第36卷2012年型四端网络级联而成．1．2特性分析，r一如果信号输入系统与传输线阻抗不匹配，：Uf、氍强埭信号源就不能给出最大输出功率；如果负载与O0O加O5n0dxTCodx：Z传输线阻抗不匹配，信号就产生反射并造成畸变，导致接收端无法对信号正常解调．只有

6、实现≥R2dr2dx阻抗匹配，才能使系统工作在最佳状态．因此，1VVa需要分析电力线特性，选择合适的载波频率，使U地面系统、井下系统与传输线的阻抗匹配，保证图1传输线线元四端网络模型信号在电缆中的传输质量，为载波通信系统电路设计奠定基础．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；根据原始参数和信号频率可算出信号的传播常数和特性阻抗．文中电力线(单芯同轴电缆)的特征参数见表1．根据表1参数计算油田设备所用电力线的各项参数，利用MATLAB对电力线特性进行仿真，根据仿真结果选择载波参数和设计通信系统硬件．表1电力线(单芯同轴电缆)特征参数a

7、＼鞲基拦、嚣0如0加OOO05由于空间限制，油田井下设备中电力线的初始状态为卷曲状，在下井过程中逐渐展开．几何状态的改变使电力线的特征参数随之改变，需分别考虑卷曲和展开2种状态：电力线展开时，电感很小，可以忽略不计；电缆卷曲时，外缆皮完全接触，电阻与电感值基本为0，而内芯缠绕卷曲，形成很大的电感．特性阻抗Z为阻抗匹配时电力线两端所加的负载阻抗．对于电力线，其复数形式为Z—R—jX．其中，X为电力线电抗．电力线卷曲和展开状态引起特征参数变化，利用