一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于宽带电力线载波通信模块、中压整流电源模块、充电电池组构成的油井通信系统。该系统用于油田1140V电力线的钻井电机远程控制系统中，该系统通过改造现有的电力线载波模拟前端电路、耦合电路以及后端PA功率放大电路，提高电力线载波通信的载波频率，进而提高载波通信速率和稳定性，降低时延。另外，通过改进原有系统对井下载波模块的供电方式，避免高频电源带来的高次谐波噪声干扰，也对载波通信的实时性和稳定性有很大的提升。基于本系统的设计，大幅度提升了石油钻井平台系统电力线载波通信性能。

An oil well communication system based on broadband power line carrier communication

The invention discloses an oil well communication system based on the broadband power line carrier communication module, the medium voltage rectifier power supply module and the charging battery group. The system of remote control system for oil drilling motor 1140V power line in the system through the transformation of the existing power line carrier analog front-end circuit, coupling circuit and back-end PA power amplifying circuit, improve the carrier frequency power line carrier communication, and then improve the carrier communication rate and stability, reduce the delay. In addition, by improving the power supply mode of downloading wave module of the original system, the high-frequency harmonic noise disturbance caused by high-frequency power supply is avoided, and the real-time performance and stability of carrier communication is greatly improved. Based on the design of this system, the power line carrier communication performance of the oil drilling platform system is greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统
本专利技术专利涉及一种基于宽带电力载波通信技术的油井通信系统在石油钻井平台中的运用，提升石油钻井平台系统电力线载波通信性能；主要应用于石油钻井平台电力线载波通信领域。
技术介绍
新一代研制的石油钻井平台采用的是同步电动钻机，为了实现对井下电机的同步实时控制，需要建立起井下电机与井上控制平台的油井通信系统，将井下电机的实时参数（如电机旋转角度位置信号、当前的压力数据和当前电机内部转子及定子的温度数据），上传至井上控制平台；并要求通信时延小于3ms，且必须保证通信的实时性和稳定性。由于钻井平台只能允许A/B/C三相电力线连接井下电机和井上控制平台，为井下电机提供1140V交流变频电源，频率范围为20Hz~80Hz；而无法增加更多的通信数据线；故在原有的油井通信系统中，采用的是窄带电力线载波通信技术。现有的钻井平台系统图见附图1，其中井下电力线载波模块、井下电源模块安装在井下电机内的仪器仓里。现有的窄带电力线载波通信模块的载波频率范围为200KHz-2MHz，信号传输时延约3ms。一般包括耦合电路、模拟前端电路、基带处理器、及微控制器，见附图2。井下电机的实时参数经电机内部数据线传输至井下电力线载波模块，数据经微控制器处理后，再传输至窄带基带处理器中调制好，再经过由数模转换器、及功放组成的模拟前端电路，再通过由耦合器、隔离电容组成的耦合电路，注入到电力线中。当接收载波信号时，信号通过耦合电路从电力线中提取出来，并经过可配置增益放大器、及模数转换电路组成的模拟前端电路，输出给基带处理器进行解调，进而还原出接收数据。微控制器在这里负责电力线载波通信设备和其他外设接口之间的协议转换。整个石油钻井平台电力线载波通信模块是并联于石油钻井平台电力线中。现有的钻井平台的供电电源系统设计中，采用双电源系统并存的供电方式，即在A/B/C三相电力线中传输电机工作所需要的变频交流电源，并利用在A/B两相电力线的低频交流电源中同时叠加23KHz/400V高频载波交流电源，在井下的通信仪器仓内增加高频载波交流电源整流模块，将23KHz/400V交流电整流为560V直流电，再通过DC-DC降压模块，将560V直流电降至24V，为井下载波通信模块提供供电电源。故现有石油钻井平台电力线通信信道中，存在23KHz的高频交流电源（~260V-~500V），由其产生的高次谐波干扰，见附图3，高次谐波干扰经过隔离电容和耦合器进入到电力线载波模块的发送端和接收端，干扰到电力线载波发送端和接收端的正常工作，严重影响电力线载波的通信质量，严重影响石油钻井平台电力线载波通信的实时性和稳定性。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，通过增加宽带载波模块和井下中压整流电源模块，避免高次谐波干扰，实现电力线载波通信的实时性和稳定性。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其包括逆变器控制柜、2个宽带载波模块、井下中压整流电源模块、充电电池组和电机，一个所述宽带载波模块连接所述逆变器控制柜，所述宽带载波模块和井下中压整流电源模块并联在所述电机上，所述宽带载波模块和井下中压整流电源模块之间连接所述充电电池组，所述宽带载波模块的载波频率范围为2MHz~30MHz，信号传输时延为100μs，所述宽带载波模块包括耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器，所述模拟前端电路包括集成芯片AFE和功率放大器PA，所述AFE的型号为AD9866，且该AFE芯片集成了功率放大器VGA以及转换器ADC、DAC；所述耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器依次进行电连接，所述耦合电路用来接收来自电力线的信号，并将此信号送至所述高通滤波器进行滤波处理，经过滤波处理后的信号送至所述模拟前端电路中进行放大及模/数转换，经过放大及模/数转换后的信号送入所述基带处理器中解调出有用信号，并将该有用信号送入所述微控制器中，同样，所述微控制器控制所述基带处理器生成出信号，通过所述模拟前端电路进行数/模转换及信号放大，再通过所述耦合电路发送至电力线中。在本专利技术的基于宽带电力线载波通信的油井通信系统中，所述耦合电路包括耦合变压器和隔离电容CA1、CA2，所述耦合变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述隔离电容CA1、CA2分别连接在所述第一绕组的接收端和发送端，所述第二绕组的两端分别连接所述高通滤波器，所述第三绕组的两端分别连接所述功率放大器PA。在本专利技术的基于宽带电力线载波通信的油井通信系统中，所述第一绕组、第二绕组和第三绕组的线圈匝数比为1:1:1。在本专利技术的基于宽带电力线载波通信的油井通信系统中，所述井下中压整流电源模块包括依次连接的输入EMI滤波器单元、桥堆整流单元、DC-DC降压电路单元、半桥电路单元、高频变压器单元、整流滤波单元、12V直流输出单元、隔离反馈单元和PWM脉宽调制单元，所述PWM脉宽调制单元连接所述半桥电路单元，所述输入EMI滤波器单元连接钻井平台电力线，所述12V直流输出单元连接所述充电电池组。实施本专利技术的这种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，具有以下有益效果：1.低时延，高通信带宽：时延小于0.5ms，通信速率可达1Mbps。2.小体积：宽带电力线载波模块整体设计尺寸由原有的370mm×65mm，缩小为200mm×65mm。3.低功耗：宽带电力线载波模块的整体功耗由原来的12W降至5W以内。4.稳定性高：由于通信系统的改进，电力线信道中避免了高频交流电源的存在，而变频交流电源所带来的谐波噪声干扰都是百KHz以下的低频干涉，故提高载波通信频率后，将完全避免电力线信道的噪声干扰，提供通信稳定性。附图说明图1为现有石油钻井平台系统的示意图；图2为现有的窄带电力线载波模块的示意图；图3为现有的高频交流电源带来的电力线信道底噪的示意图；图4为本专利技术的石油钻井平台系统的示意图；图5为本专利技术的宽带电力线载波模块的示意图；图6为本专利技术的井下中压整流电源模块的示意图；图7为本专利技术的集成芯片AFE的针脚连接结构示意图；图8为本专利技术的高通滤波器的电路结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本专利技术的这种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其包括逆变器控制柜1、2个宽带载波模块2、井下中压整流电源模块3、充电电池组4和电机5，一个所述宽带载波模块2连接所述逆变器控制柜1，所述宽带载波模块2和井下中压整流电源模块3并联在所述电机5上，所述宽带载波模块2和井下中压整流电源模块3之间连接所述充电电池组4，所述宽带载波模块2的载波频率范围为2MHz~30MHz，信号传输时延为100μs，所述宽带载波模块2包括耦合电路21、高通滤波器22、模拟前端电路23、基带处理器24和微控制器25，所述模拟前端电路23包括集成芯片AFE和功率放大器PA，所述AFE的型号为AD9866，且该AFE芯片集成了功率放大器VGA以及转换器ADC、DAC。所述耦合电路21、高通滤波器22、模拟前端电路23、基带处理器24和微控制器25依次进行电连接，所述耦合电路21用来接收来自电力线的信号，并将此信号送至所述高通滤波器2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其特征在于，包括逆变器控制柜、2个宽带载波模块、井下中压整流电源模块、充电电池组和电机，一个所述宽带载波模块连接所述逆变器控制柜，所述宽带载波模块和井下中压整流电源模块并联在所述电机上，所述宽带载波模块和井下中压整流电源模块之间连接所述充电电池组，所述宽带载波模块的载波频率范围为2MHz~30MHz，信号传输时延为100μs，所述宽带载波模块包括耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器，所述模拟前端电路包括集成芯片AFE和功率放大器PA，所述AFE的型号为AD9866，且该AFE芯片集成了功率放大器VGA以及转换器ADC、DAC；所述耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器依次进行电连接，所述耦合电路用来接收来自电力线的信号，并将此信号送至所述高通滤波器进行滤波处理，经过滤波处理后的信号送至所述模拟前端电路中进行放大及模/数转换，经过放大及模/数转换后的信号送入所述基带处理器中解调出有用信号，并将该有用信号送入所述微控制器中，同样，所述微控制器控制所述基带处理器生成出信号，通过所述模拟前端电路进行数/模转换及信号放大，再通过所述耦合电路发送至电力线中。...

【技术特征摘要】
1.一种基于宽带电力线载波通信的油井通信系统，其特征在于，包括逆变器控制柜、2个宽带载波模块、井下中压整流电源模块、充电电池组和电机，一个所述宽带载波模块连接所述逆变器控制柜，所述宽带载波模块和井下中压整流电源模块并联在所述电机上，所述宽带载波模块和井下中压整流电源模块之间连接所述充电电池组，所述宽带载波模块的载波频率范围为2MHz~30MHz，信号传输时延为100μs，所述宽带载波模块包括耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器，所述模拟前端电路包括集成芯片AFE和功率放大器PA，所述AFE的型号为AD9866，且该AFE芯片集成了功率放大器VGA以及转换器ADC、DAC；所述耦合电路、高通滤波器、模拟前端电路、基带处理器和微控制器依次进行电连接，所述耦合电路用来接收来自电力线的信号，并将此信号送至所述高通滤波器进行滤波处理，经过滤波处理后的信号送至所述模拟前端电路中进行放大及模/数转换，经过放大及模/数转换后的信号送入所述基带处理器中解调出有用信号，并将该有用信号送入所述微控制器中，同样，所述微控制器控制所述基带处理器...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹楠，蔡蔚，蔡晨霞，
申请(专利权)人：中软电科智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江西,36