本公开整体涉及井下电力系统，并且更具体地讲涉及用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统。
背景技术：
人工举升系统，例如电潜泵(esp)系统，通常用于碳氢化合物生产井，以将流体从井中向上泵送到地面。传统的esp系统通常包括离心泵，该离心泵由均位于地面的三相电压源和变速驱动器驱动，所述三相电压源通过三相电力电缆将三相电力输送到井下马达。另外，地面和井下传感器之间的数据信号也通过电力电缆传输。这种信号包括与井下部件的性能和井下测量有关的各种数据。
然而，当一个或多个相位沿着电力电缆接地时会出现问题。当发生这种情况时，取决于电缆接地的位置，数据传输不可靠或不可能通过电力电缆。
因此，本领域需要一种用于井下环境的接地故障免疫电力和数据传送系统。
附图说明
根据以下给出的具体实施方式以及本公开的各种实施方案的附图，将更全面地理解本公开的各种实施方案。在附图中，相同的附图标记可以表示相同或功能类似的元件
图1是根据本公开的某些说明性实施方案的利用接地故障免疫电力和数据传送系统的井系统的示意图。
图2是示出了接地故障免疫电力和数据传送系统的说明性实施方案的操作和特征的简化框图图解。
图3是用于调整图2所示的接地故障免疫电力和数据传送系统中实施的电源并切换相位的工作流的流程。
图4是可以实现本公开的实施方案的说明性计算机系统的框图。
具体实施方式
下文描述本公开的说明性实施方案和相关方法，因为它们可以用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统。本公开的实施方案涉及开发用于具有电潜泵的油井的井下传感器的电源，所述电源即使当潜油马达的相位中的一个接地时也可操作并且不干扰数据通信和耦合到潜油马达的驱动器的开关频率。为了清楚起见，在本说明书中没有描述实际实现方式或方法的所有特征。当然可以理解的是，在任何这样的实际实施方案的开发中，必须做出许多实现方式特定的决定以实现开发者的特定目标，诸如遵守与系统相关和商业相关的约束，这些约束将在一种实现方式与另一种实现方式间变化。此外，应理解，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员，这将是常规任务。考虑以下描述和附图，本公开的各种实施方案和相关方法的其他方面和优点将变得显而易见。
如本文所述，本公开的说明性实施方案提供了用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统。在通用的实施方案中，在地面的三相电源通过三导线电缆向井下马达(例如esp马达)提供三相电力。井下传感器模块通过y形点连接与井下马达连接。在地面的交流(ac)电源在某时间电连接到从三根导线(相位)中选择的两根导线(相位)中的一根，以由此将ac电力信号提供给井下传感器模块。在地面的传感器数据模块在两根导线(相位)的时间也电连接到相同的一根导线(相位)，以进行数据信号向/从井下传感器模块的通信。隔离模块连接在ac电源和传感器数据模块与两根导线之间，以响应于沿着隔离导线发生的接地故障而选择性地隔离两根导线中的一根。因此，ac电源和传感器数据模块均一次连接到一根导线(相位)。当在连接的导线(相位)上检测到接地故障时，将从该导线切换到连接至隔离模块的两根导线中的另一根导线(相位)。
在这个通用实施方案的正常操作期间，井下传感器电力和数据信号仅在两根连接导线中的一根上传输。因此，如果在第三根未连接的导线上检测到接地故障，则电力和数据信号继续通过连接到电力和数据传送系统的单根导线传输。当在两根连接的导线中的一根上检测到接地故障时，隔离模块将接地的连接导线隔离，并在必要时切换到未接地的导线。结果，电力和数据信号继续通过唯一剩下的连接导线进行通信。
本文描述的某些说明性实施方案不提供比维持接地故障免疫和稳健的数据通信所需的更多的电路。由于当三根导线中的两根接地时大多数井下马达关闭，所以本公开的电力和数据系统不需要连接到两根以上的导线。然而，许多现有技术系统连接到所有三根导线，从而向其设计添加不必要的复杂和昂贵的电路。然而，本公开的实施方案利用这种关闭特征，因为三根导线中仅有两根连接到电力和数据传送系统。在三根导线中的任何一根发生接地故障时，电力和数据传送系统继续通过两根连接的导线之一进行通信。如果三根导线中的两根发生接地故障，即使马达已关闭，电力和数据传送系统仍然允许传输电力和数据信号(假设未接地的导线是连接的导线)，这在马达暂时关闭的条件下是特别有用的。该系统被设计成与接地的三根导线(相位)中的任何导线一起连续工作。在一个或多个实施方案中，利用两根或更多根接地的导线(相位)，系统可以取决于接地故障的严重性和位置而仍然工作。因此，以较低的成本提供有效且稳健的接地故障免疫和数据通信。
图1是根据本公开的某些说明性实施方案的利用接地故障免疫电力和数据传送系统的井系统的示意图。井系统10包括延伸穿过各个地层的井筒12，包括生产区20。井筒12在其中安装有套管16和工具管柱14，在该实例中，工具管柱是生产管柱。示出了被定位在固定阀组件22上方的封隔器组件18，密封环24在生产管柱14和井筒套管16之间形成并且隔离生产层段。井下马达19(例如井下潜油泵，诸如esp或其他人工举升系统)从固定阀组件22定位在井下，用于将生产流体从地层泵送至地面26。井下马达19通过密封件21联接到泵23。如本领域中所理解的，当泵23关闭以进行维护、注入过程、压力测试等时，固定阀组件22防止流体回流到井下马达19中。
接地故障免疫电力和数据传送系统100位于地面26处。如下面将更详细地描述的那样，电力和数据传送系统100通过三相电力电缆30(其是三导线电缆)向井下马达19供应三相电力。电力和数据传送系统100还经由电力电缆30将ac电力供应到连接到井下马达19的井下传感器模块11。另外，电力和数据传送系统100还使得能够通过电力电缆30实现传感器数据模块(未示出)和井下传感器模块11之间的双向数据通信。
尽管在本文中描述了用于井下esp传感器应用，但是本公开的各种实施方案可以用于任何使用三导线电力线载波通信的井下系统，例如一些测井电缆应用、随钻测井(lwd)应用、随钻测量(mwd)应用、滑线应用等，如受益于本公开的本领域的普通技术人员将会理解的那样。而且，虽然在图1中在下套管的垂直井筒中示出，但是本公开的说明性实施方案将在任何取向上以及在裸井或下套管的井中工作。应该理解的是，本公开的实施方案可以用于各种方法，包括生产、修井、完井、测试、钻井、压裂、补救程序等。
图2是示出接地故障免疫电力和数据传送系统100的说明性实施方案的操作和特征的简化框图图解。如前所述，电力和数据传送系统100经由电力电缆30在井下提供电力和数据通信。电力和数据传送系统100包括三相电压输入102(例如，频率为60hz的480v的均方根电压)，其馈送使用控制器(未示出)来控制井下马达19的速度的变速驱动器(vsd)104。例如，变速驱动器104的输出可以是具有由变速驱动器104的开关电路(未示出)产生的可变频率的480v(均方根)的三相电压输出，其中可变开关频率控制井下马达19的速度。可选的升压变压器106可连接在变速驱动器104和电力电缆30之间，以通过电力电缆30增加供应井下马达19的三相电压输出的电压电平。电力电缆30可以延伸数千英尺进入其最终连接到井下马达19的井筒中。通过改变变速驱动器104的输出电压和开关频率，与之相关联的控制器控制井下马达19的速度。
电力电缆30包括第一导线108a、第二导线108b和第三导线108c，其共同向井下马达19提供三相电力。井下马达19经由y形点连接110连接到导线108a,b,c。井下传感器模块112连接到y形点110，由此电力和数据信号通过电力电缆30传送，如下所述。传感器模块112可以利用多种传感器，包括例如电阻率、磁或电传感器。
在地面26，电力和数据传送系统100还包括可变(电压、频率和相位)ac电源114，以向井下传感器模块112提供ac电力信号。ac电源114具有高频ac电力输出。在该说明性实施方案中，ac电源114仅连接到第一导线108a和第二导线108b，从而提供ac电力信号。一般而言，来自ac电源114的ac电力在三根导线108a,b,c中的一根上传送，从而将ac电力馈送到井下潜油马达19。第一隔离模块118连接到ac电源114以响应于沿着隔离导线108a或108b发生的接地故障而选择性地隔离第一导线108a或第二导线108b。结果，ac电力信号继续通过单根连接导线108a或108b供应。在一个或多个实施方案中，电力耦合器在井下实施，以便当其中一个马达相位接地时滤除低频马达电力。
第一隔离模块118包括电流传感器116、高压开关120和与其耦合的处理电路138，以实现开关140在第一导线108a和第二导线108b之间的切换。电流传感器116与ac电源114串联连接，从而检测从ac电源114供应的电流。检测到的电流电平是在导线108a,b之一中是否存在接地的指示。处理电路138(例如，具有非易失性存储器的微处理器)耦合到电流传感器116和高压开关120以控制隔离。处理电路138可以是一些独立的电路，或者可以是用于控制变速驱动器104和其他系统部件的相同控制器。第一调谐阻抗耦合器122连接在电流传感器116和高压开关120之间以过滤不需要的信号。第二调谐阻抗耦合器126位于传感器数据模块124和高压开关120之间，也用以过滤不需要的信号。高压开关120可以是例如高压继电器或接触器。
还应该注意的是，处理电路138可以包括至少一个处理器、或者基于电流阈值触发的模拟电路、以及全部通过系统总线互连的非暂时性和计算机可读存储器。可由处理器执行的用于实现本文所描述的说明性电力和数据通信方法的软件指令可以存储在本地存储器或一些其他计算机可读介质中。还将认识到的是，相同的软件指令也可以通过有线或无线方法从cd-rom或其他适当的存储介质加载到存储器中。
此外，本领域普通技术人员将会理解，本公开的各个方面可以用多种计算机系统配置来实践，包括手持装置、多处理器系统、基于微处理器的或可编程消费者电子装置、小型计算机、大型计算机等等。任何数量的计算机系统和计算机网络都可用于本公开。可以在分布式计算环境中实施本公开，在所述环境中由通过通信网络加以链接的远程处理装置来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储装置的本地和远程计算机存储介质中。因此，本公开可以结合各种硬件、软件或其组合在计算机系统或其他处理系统中实施。
回头参考图2，为了在操作期间控制隔离技术，第一隔离模块118沿着第一导线108a或第二导线108b检测接地故障。这种故障检测可以以多种方式完成。在第一说明性实施方案中，处理电路138通过读取由传感器116检测的电流电平来确定位置(a)(即，连接到导线108a)中的开关120处的电流和位置(b)(即，连接到导线108b)中的开关120处的电流，然后比较读数。例如，位置(a)和(b)中的开关120处的电流电平的读数可以通过以下方式实现：在时间a将开关120定位在位置(a)上，检测电流，然后存储读数。在时间b，开关120被置于位置(b)，检测电流，然后存储读数。处理电路138此后比较两个电流以确定开关120需要放置在哪个位置。当第一导线108a或第二导线108b中的一根接地时，接地导线上的电流增加。当处理电路138连续监测第一导线108a和第二导线108b处的电流时，所得的较高电流读数提示处理电路138将开关120置于某个优选位置。一旦开关120处于位置(a)或位置(b)，开关120就通过连接的导线108a或108b维持向井下传感器模块112提供ac电力信号。在图2中，开关120处于位置(b)，因此第二导线108b是连接的导线，而第一导线108a是隔离的导线。
在检测接地故障的替代方法中，处理电路138可以连续监测开关120处的位置(a)和(b)中的电流，并且将电流读数与预设的阈值电流值进行比较。在某些说明性实施方案中，阈值可以由处理电路138基于ac电源114的电压和与其连接的整个电路的阻抗来预先计算。一旦确定任一电流超过预设值，就将开关120置于适当的(优选的)位置。
仍然参照图2，接地故障免疫电力和数据传送系统100还包括连接在ac电源114和开关120之间的调谐阻抗耦合器122。如受益于本公开的那些普通技术人员将理解的那样，调谐阻抗耦合器122允许ac电源114的频率传递到第一导线108a和第二导线108b，同时针对其他频率呈现高阻抗，从而防止由vsd104和变压器106供应的低频马达电压进入数据/传感器电源电路。这种耦合器可以以多种方式来设计，包括例如与电感器串联的电容器或其他必要的设计。
接地故障免疫电力和数据传送系统100还包括传感器数据模块124，其经由第一导线108a和第二导线108b控制与井下传感器模块112的数据通信(单向和双向通信)。除其他功能之外，传感器数据模块124主要解调从井下传感器电路接收的数据信号。在第一导线108a和第二导线108b之一上发生接地故障的情况下，开关120可以如上所述置于适当的(优选的)位置，并且数据信号可以通过导线108a或108b中的一根进行通信。
传感器数据模块124和开关120之间连接有调谐阻抗耦合器126。调谐阻抗耦合器126被设计成允许传感器数据模块124和井下传感器模块112发送的数据信号的频率从中通过，而针对其他频率呈现高阻抗，以防止数据电路因来自vsd104和变压器106的高电压而发生故障。它还针对传感器电源频率提供高阻抗，从而减少电源信号的衰减。如前所述，这种耦合器可以以多种方式来设计。
参照图2，现在将描述接地故障免疫电力和数据传送系统100的操作。在正常操作期间，ac电力和数据信号仅在导线108a或108b中的一根上传输。在正常操作期间的某些实施方案中，处理电路138最初可以随机选择以隔离第一导线108a或108b，而在其他实施方案中，选择具有最低电流的导线。然而结果是，在正常操作期间，只有一个相位连接到ac电源114和传感器数据模块124。如果在第三导线108c上存在接地故障，则ac电力和数据信号继续在连接的导线108a,b上传输。然而，如果在第一导线108a或第二导线108b上检测到接地故障，则接地检测器上的电流将会出现尖峰。处理电路138检测位置(a)中开关120处的电流尖峰或位置(b)中开关120处的电流尖峰，并且使用上述检测技术之一相应地隔离接地导线108a或108b。
在接地故障状态下，电力和数据信号仍然会见到一些衰减。这是因为，例如，即使108c上接地，也存在经由变压器106或马达19从108a或108b到108c上的接地的路径。因此，在某些说明性实施方案中，以这样的方式选择电力和数据信号的频率，该方式使得变压器106和马达19的阻抗对于这些频率而言较高。
在接地故障状态期间，保持连接到ac电源114和传感器数据模块124的导线108a或108b继续沿着连接的导线108a或108b传送ac电力和数据信号。在图2所示的实例中，第一导线108a是接地导线。结果，处理电路138通过将开关120置于位置(b)中以使得能够沿着第二导线108b进行通信而隔离了第一导线108a。这样，ac电力和数据信号被允许沿着第二导线108b穿过y形耦合器110行进到井下传感器模块112上。在这里，ac电源遇到电力耦合器132，其滤除由第二导线108b的接地引起的来自井下马达19的低频电力。ac电力继续传到为传感器数据调制解调器140以及传感器和测量换能器142供应ac电力的电力转换模块134。
电力转换模块134将ac电力转换为井下处理电路(例如，传感器数据调制解调器140的处理电路)所需的电压电平。传感器和测量换能器142容纳测量井特性(诸如注入压力、排放压力和温度)的换能器。传感器和测量换能器142还容纳测量井下马达19的特性(诸如绕组温度以及水平和垂直方向上的加速度)的换能器。数据信号(例如，传感器测量数据)从传感器142和传感器数据调制解调器140经由耦合器136传回通过y形点110，向上通过第一导线108a传输到传感器数据模块124以用于进一步处理。传感器数据调制解调器140包括：与传感器和测量换能器142接口的模数转换器(adc)，其用于将模拟测量转换为数字值；耦合到adc的数字信号处理器(dsp)，其被配置用于处理从adc获得的数字测量；以及耦合到dsp的模拟前端，其将数字测量结果转换成模拟数据信号，所述模拟数据信号经由耦合器136传回通过y形点110，向上通过第二导线108b传输到传感器数据模块124以用于进一步处理。
对于某些实施方案，如前所述，调谐阻抗耦合器122被设计为防止数据信号(例如基于频率)传递到电流传感器116和ac电源。调谐阻抗耦合器122还防止为esp马达馈电的高压进入电流传感器116和ac电源114，而调谐阻抗耦合器126被设计为使得数据信号被允许传递到传感器数据模块124上。然而，同时，调谐阻抗耦合器126还防止ac电力信号和为马达19馈电的高压传播回到传感器数据模块124，如受益于本公开的本领域普通技术人员将理解的那样。
在接地状态期间，三相电力继续经由电缆30供应到井下马达19，从而为马达19提供动力。然而，如果三根导线108a,b,c中的两根以某种方式接地，则井下马达19关闭。尽管如此，只要未接地的导线是108a或108b，ac电力和数据信号就会继续传输。然而，如果导线108a,b是接地导线，则防止ac电力和数据信号通过y形点110通信。因此，本公开的实施方案利用井下马达的设计中的这种关闭特征来简化系统100的电路，由此仅第一导线108a和第二导线108b可以进行ac电力和数据信号通信。因此，提供了更具成本效益的电力和数据传送系统，因为所需的电力和信号传送部件更少。
当导线108a和108b均接地时，处理电路138将开关120置于“隔离位置”(i)以隔离导线108a和108b两者，以防止ac电源和数据通信电路受到任何损坏。在某些实施方案中，当两根导线接地时，马达19可能需要一些时间才能关闭。在这种情况下，在马达19关闭之前的瞬间时间内，处理电路138将开关120置于位置(i)。
如同在本文描述的其他实施方案一样，处理电路138可以以多种方式检测第一导线108a和第二导线108b上的接地故障。在某些说明性实施方案中，例如，处理电路138基于第一导线108a和第二导线108b上的电流的比较来执行检测和切换。在其他实施方案中，处理电路138可以基于导线108a,b上的电流与预设电流值的比较来确定切换到哪根导线。如在其他实施方案中那样，处理电路138基于电流传感器116的读数来检测电流。高压开关120被致动以顺序地连接到两根导线108a,b。如前所述，两个电流都被记录下来然后进行比较。
在电力和数据传送系统100的正常操作期间，仅使用导线108a或108b中的一根来进行ac电力和数据信号的传达。在图2中，正在使用第二导线108b。最初，在检测到接地故障之前，处理电路138可以随机选择其中要进行电力和数据信号通信的导线108a或108b；或者，可以使用具有最低电流电平的导线。然而，一旦检测到接地故障(在该实例中，在第一导线108a上已经检测到故障)，处理电路138就向开关120发送信号以切换到第二导线108b，如图所示。之后，如前所述，ac电力和数据信号通过第二导线108b通信。同时，继续通过电力电缆30向井下马达19供应三相电力。在三根导线108a,b,c中的两根发生接地故障的情况下，井下马达19关闭。
可以选择由ac电源114产生的电压信号的频率，使得其与一个或多个数据通信频率(即，用于井下传感器模块112和地面的传感器数据模块124之间的单向或双向数据通信的频率)正交。选择相互正交的频率减少ac电源114的电压信号的频率及其谐波分量对一个或多个数据通信频率的干扰。此外，可以选择控制井下马达19的操作的变速驱动器104的开关频率，使得其与ac电源114的电压信号的频率以及与一个或多个数据通信频率正交。这种方法减轻了开关频率及其谐波分量对ac电源114的电压信号的频率和一个或多个数据通信频率的干扰。
在一个或多个实施方案中，ac电源114的电压、频率和相位可以由与ac电源114接口的处理电路138可执行的软件指令来控制。如下面将更详细地描述的，ac电源114的电压电平被斜升(例如，由处理电路138控制)，直到建立与井下传感器模块112通过电力电缆30的未接地导线进行的通信。该方法消除了对于电力电缆30的每个长度的预设电压的使用。此外，在某些替代性实施方案中，建立与井下传感器模块112的通信所处的ac电源114的电压电平可以被存储在处理电路138的非易失性存储器中，以在关闭之后更快地/优化地重启系统。
如果通过电力电缆30与井下传感器模块112进行的通信由于导线108a,b之一的接地故障或其他系统错误而丢失，则ac电源114的电压电平进一步上升(例如由处理电路138控制)。如果ac电源114的电压电平达到(预定的)阈值电平并且与井下传感器模块112的通信仍未建立，则ac电源114被切换为连接到未接地相位(例如，如果第一导线108a接地，则如图2所示从第一导线108a切换到第二导线108b)。
如果在接地故障之后，即使在将ac电源114切换到另一根导线(相位)并且ac电源114达到阈值电平之后也没有建立通过电力电缆30与井下传感器模块112的通信，则在预定义的重试过程之后，将开关120置于位置(i)，并且第一导线108a和第二导线108b都与ac电源114和传感器数据模块124隔离。在一个实施方案中，预定义的重试过程可以基于执行自动恢复尝试达预定义的次数，以尝试建立第一导线108a或第二导线108b上的通信。在自动恢复尝试失败预定义的次数之后，将开关120置于位置(i)，并且可以请求用户干预以建立第一导线108a或第二导线108b上的通信。
对于本公开内容的某些实施方案，地面到井下通信(例如，ac电源114与井下传感器模块112的电力转换模块134之间的通信)可以通过井下电压电平(例如，用于为传感器数据调制解调器140和传感器142供电的电压电平)进行。例如，地面到井下通信可以通过以下方式进行：调整地面电压(例如，通过处理电路138调整ac电源114的电压电平)，使得达到等同于预定义的期望配置的井下电压电平(例如，用于为传感器数据调制解调器140和传感器142供电的电压电平)。在一个实施方案中，关于预定义配置的信息可以从井下传感器模块112反馈回耦合到ac电源114的处理电路138。因此，地面到井下通信(例如，ac电源114与井下传感器模块112的电力转换模块134之间的通信)可以由处理电路138可执行的软件指令来控制。因此，可以实现不同的基于软件的系统配置。
对于其他实施方案，也可以通过改变ac电源114的电压频率而进行地面到井下通信(例如，ac电源114与井下传感器模块112的电力转换模块134之间的通信)。ac电源114的电压频率可以由处理电路138可执行的软件指令来控制。对于另外其他实施方案，地面到井下通信可以通过改变由ac电源114产生的电压信号的相位而进行。由ac电源114生成的电压信号的相位可以由处理电路138可执行的软件指令来控制。
对于某些其他实施方案，能量储存装置144(例如，电容电路)可以与电力转换模块134在井下耦合使用，以在与井下传感器模块112相关联的峰值电力时段期间提供增压，其中峰值电力的时段通常是短。与电力转换模块134耦合的能量储存装置144允许在地面处的ac电源114针对平均电力而不是峰值电力调整大小。因此，地面系统和井下系统之间的协调被建立，以仅将来自地面处的ac电源114的平均电力传输到置于井下的电力转换模块134，从而降低地面处的ac电源114的电力和大小要求。
图3是用于调整可在图2所示的接地故障免疫电力和数据传送系统中实施的电源并切换相位的工作流300的流程。对于某些实施方案，工作流300可以由处理电路138(例如，与非易失性存储器耦合的微处理器)执行的软件指令来控制。在判定方框302处，可以确定与处理电路138耦合的非易失性存储器中是否存在井场优化的井下马达相位和ac电力斜坡曲线。如果曲线存在于存储器中，则在方框304处，可以从非易失性存储器加载存储的ac电力斜坡曲线和井下马达相位选择，以便在方框306处将ac电源114连接到所选的相位。如果在非易失性存储器中不存在井场优化的井下马达电位和ac电力斜坡曲线，则可以在方框308处使用默认的ac电力斜坡曲线和井下马达相位选择。
在方框310处，ac电源114可以阶跃通过ac电力斜坡曲线(例如，由处理电路138可执行的软件指令控制)，直到建立地面上的ac电源114与井下传感器模块112之间的通信，或者达到ac电力斜坡的末尾(例如，在判定方框312处确定的)。如果使用来自非易失性存储器的ac电力斜坡曲线(例如，在判定方框314处确定的)，则处理电路138在方框316处继续对ac电源114的电压进行斜升直到达到ac电力斜坡的末尾。否则，如果未使用来自非易失性存储器的ac电力斜坡曲线(例如，在判定方框314处确定的)，则处理电路138可以在方框318处搜索优选的ac电力，该ac电力在ac电源114和井下传感器模块112之间以可能最小的功耗产生可靠的通信。在方框320处，将新找到的ac电力斜坡曲线和与可能最小的功耗相关联的选定相位存储在非易失性存储器中。
在方框322处，处理电路138监视地面到井下通信(例如，ac电源114与井下传感器模块112的电力转换模块134之间的通信)的可靠性和ac电源阈值。如果地面到井下通信的可靠性低于预定义的可接受标准(例如，在判定方框324处确定的)，则如果ac电源114的电力高于阈值(例如，在方框326处确定的)并且如果没有达到最大允许的自动恢复尝试次数(例如，在方框328处确定的)，则在方框330处将井下传感器模块112与ac电源114断开，并且在方框332处将ac电源114切换为连接到其他相位。
对于其他实施方案，如果地面到井下通信的可靠性低于可接受标准(例如，在判定方框324处确定的)并且ac电源114的电力不高于阈值(例如，在方框326处确定的)，则处理电路138在方框334处调整ac电源114的设置，并且在方框322处继续监视地面到井下通信的可靠性和ac电源阈值。对于其他实施方案，如果地面到井下通信的可靠性低于可接受标准(例如，在判定方框324处确定的)，则如果ac电源114的电力高于阈值(例如，在方框326处确定的)并且如果达到了最大允许的自动恢复尝试次数(例如，在方框328处确定的)，则在方框336处需要用户干预以在导线108a或108b上建立通信。在这种情况下，当在预定义的重试过程之后没有在第一导线108a和第二导线108b上建立通信时，将开关120置于位置(i)，并且第一导线108a和第二导线108b都与ac电源114和传感器数据模块124隔离。在一个实施方案中，预定义的重试过程可以包括执行自动恢复尝试达最大允许次数以建立第一导线108a或第二导线108b上的通信。在自动恢复尝试失败了最大允许次数之后，将开关120置于位置(i)，并且在方框336处请求用户干预以尝试建立第一导线108a或第二导线108b上的通信。
图4是其中可以实现本公开的实施方案的说明性计算机系统400的框图，该计算机系统适于控制图2中所示的接地故障免疫电力和数据传送系统的操作。例如，可以使用系统400来实现如上所述的图3的工作流300的方法。系统400可以是计算机、电话、个人数字助理(pda)、处理系统(例如图2中所示的接地故障免疫电力和数据传送系统的处理电路138)或任何其他类型的电子装置。这样的电子装置包括各种类型的计算机可读介质和用于各种其他类型的计算机可读介质的接口。如图4所示，系统400包括永久存储装置402、系统(非易失性)存储器404、输出装置接口406、系统通信总线408、只读存储器(rom)410、处理单元412、输入装置接口414和网络接口416。
总线408共同表示通信地连接系统400的多个内部装置的所有系统、外围装置和芯片组总线。例如，总线408通信地将处理单元412与rom410、系统存储器404和永久性存储装置402连接。
处理单元412从这些各种存储器单元中检索要执行的指令和要处理的数据以便执行本公开的过程。处理单元可以是不同实现方式的单个处理器或多核处理器。
rom410存储处理单元412和系统400的其他模块所需的静态数据和指令。永久性存储装置402另一方面是读写存储器装置。该装置是非易失性存储器单元，即使在系统400关闭的情况下也能存储指令和数据。本公开的一些实现方式使用大容量存储装置(诸如磁盘或光盘及其相应的盘驱动器)作为永久存储装置402。
其他实现方式使用可移动存储装置(诸如软盘、闪存驱动器及其相应的盘驱动器)作为永久性存储装置402。像永久性存储装置402一样，系统存储器404是读写存储器装置。然而，与存储装置402不同，系统存储器404是易失性读写存储器，例如随机存取存储器。系统存储器404存储处理器在运行时需要的一些指令和数据。在一些实现方式中，本公开的过程被存储在系统存储器404、永久性存储装置402和/或rom410中。例如，各种存储器单元包括用于控制图2中所示的接地故障免疫电力和数据传送系统的操作的指令。处理单元412从这些各种存储器单元中检索要执行的指令和要处理的数据，以便执行一些实现方式的过程。
总线408还连接到输入和输出装置接口414和406。输入装置接口414使得用户能够向系统400传送信息并选择命令。与输入装置接口414一起使用的输入装置包括例如字母数字、qwerty或t9键盘、麦克风和定点装置(也称为“光标控制装置”)。输出装置接口406使得例如能够显示由系统400生成的图像。与输出装置接口406一起使用的输出装置包括例如打印机和显示装置，诸如阴极射线管(crt)或液晶显示器(lcd)。一些实现方式包括诸如作为输入和输出装置的触摸屏的装置。应该意识到，可以使用包括用于实现与用户的交互的各种类型的输入和输出装置中的任何一种的计算机来实现本公开的实施方案。这样的交互可以包括以不同形式的感觉反馈向用户或从用户反馈，所述感觉反馈包括但不限于视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。此外，可以以任何形式接收来自用户的输入，所述形式包括但不限于声学、语音或触觉输入。另外，与用户的交互可以包括经由上述接口向用户发送和从用户接收不同类型的信息，例如以文档的形式。
而且，如图4所示，总线408还通过网络接口416将系统400耦接到公共或专用网络(未示出)或网络的组合。这样的网络可以包括例如局域网(lan)(诸如内联网)或广域网(wan)(诸如因特网)。系统400的任何或所有部件都可以与本公开结合使用。
上述这些功能可以在数字电子电路、计算机软件、固件或硬件中实现。这些技术可以使用一个或多个计算机程序产品来实现。可编程处理器和计算机可以包含在移动装置中或作为移动装置包装。过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程处理器以及一个或多个可编程逻辑电路来执行。通用和专用计算装置和存储装置可以通过通信网络互连。
一些实现方式包括电子部件，诸如微处理器，将计算机程序指令存储在机器可读或计算机可读介质(或者称为计算机可读存储介质、机器可读介质或机器可读存储介质)中的存储装置和存储器。这样的计算机可读介质的一些实例包括ram、rom、只读光盘(cd-rom)、可记录光盘(cd-r)、可重写光盘(cd-rw)、只读数字通用光盘(例如dvd-rom、双层dvd-rom)、各种可记录/可重写dvd(例如dvd-ram、dvd-rw、dvd+rw等)、闪存(例如sd卡、迷你sd卡、微型sd卡等)、磁和/或固态硬盘驱动器、只读和可记录的
虽然以上讨论主要涉及执行软件的微处理器或多核处理器，但是一些实现方式由一个或多个集成电路(例如专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga))来执行。在一些实现方式中，这样的集成电路执行存储在电路本身上的指令。相应地，图2中所示的接地故障免疫电力和数据传送系统的操作以及图3的工作流300的方法(如上所述)可以使用系统400或具有包括存储在其中的指令的处理电路或计算机程序产品的任何计算机系统来实现，所述指令在由至少一个处理器执行时使处理器执行与这些方法有关的功能。
如在本说明书和本申请的任何权利要求中所使用的，术语“计算机”、“服务器”、“处理器”和“存储器”全部是指电子或其他技术装置。这些术语排除人或人群。如本文所用，术语“计算机可读介质”通常是指以计算机可读形式存储信息的有形的、物理的和非暂时性的电子存储介质。
本说明书中描述的主题的实施方案可以在包括后端部件(例如数据服务器)或包括中间件部件(例如应用服务器)或包括前端部件(例如具有用户可以通过其与本说明书中描述的主题的实现方式交互的图形用户界面或web浏览器的客户端计算机)、或者一个或多个这样的后端、中间件或前端部件的任何组合的计算系统中实现。系统的部件可以通过数字数据通信的任何形式或介质(例如通信网络)互连。通信网络的实例包括局域网(lan)和广域网(wan)、互联网络(例如因特网)以及对等网络(例如，自组对等网络)。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系依靠在相应计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。在一些实施方案中，服务器将数据(例如，网页)发送到客户端装置(例如，用于向与客户端装置交互的用户显示数据和从用户接收用户输入的目的)。可以在服务器处从客户端装置接收在客户端装置处生成的数据(例如，用户交互的结果)。
应该理解，所公开的过程中的操作的任何特定顺序或层次是说明性方法的例示。基于设计偏好，应该理解的是，可以重新排列过程中的操作的特定顺序或层次，或者执行所有示出的操作。一些操作可以同时执行。例如，在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施方案中的各种系统部件的分离不应该被理解为在所有实施方案中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序部件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。
此外，本文描述的说明性方法可以由包括含有指令的处理电路或计算机程序产品的系统来实现，所述指令在由至少一个处理器执行时使得处理器执行本文所述的任何方法。
一种用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统已得到描述并且包括：三相电源，所述三相电源连接到电力电缆，从而向沿着井筒定位的井下马达供电，所述电力电缆包括第一导线、第二导线和第三导线，在所述第一导线、第二导线和第三导线上传输电力信号和数据信号；井下传感器模块，所述井下传感器模块连接到所述井下马达；交流(ac)电源，所述交流(ac)电源仅连接到所述第一导线和第二导线，从而将所述电力信号提供给所述井下传感器模块；和第一隔离模块，所述第一隔离模块连接到所述ac电源，从而响应于沿着所述第一导线或第二导线发生的接地故障而选择性地隔离所述第一导线或第二导线中的一根，从而允许电力信号仅在第一导线或第二导线中的一根上传输，其中所述电力信号的频率与所述数据信号的一个或多个频率正交。
对于任何上述实施方案，接地故障免疫电力和数据传送系统可包括以下元件中的任一个(单独地或彼此组合)：与ac电源接口的计算机，所述计算机具有其中存储有指令的计算机可读存储器介质，所述指令在由计算机执行时使计算机执行多项功能，包括以下功能：控制由ac电源供应的电力信号的电压、频率或相位中的至少一个，斜升ac电源的电压电平直到建立与井下传感器模块的通信，将建立通信所处的ac电源的电压电平存储在计算机的存储器中，如果由于接地故障或与接地故障免疫电力和数据传送系统有关的错误导致通信丢失则进一步斜升ac电源的电压电平，如果ac电源的电压电平达到阈值并且通信的可靠性低于限定水平则触发第一隔离模块将ac电源切换到第一导线或第二导线的未接地导线，通过调节ac电源的电压电平使得对井下传感器模块供电的电压电平被校正达到预定义的配置值来执行ac电源和井下传感器模块之间的通信，其中预定义的配置值从井下传感器模块传达到与ac电源接口的计算机，改变来自ac电源的电力信号的频率以与井下传感器模块通信，以及改变来自ac电源的电力信号的相位以与井下传感器模块；与井下传感器模块接口的能量储存装置，所述能量储存装置被配置为在与井下传感器模块相关联的峰值电力时间期间提供电力提升；所述第一隔离模块包括：用于检测从ac电源供应的电流的电流传感器，连接到第一导线和第二导线的开关，以及用于基于第一开关和第二开关处的电流的比较或电流与预设电流值的比较检测接地故障的处理电路；传感器数据模块，所述传感器数据模块连接到第一导线和第二导线，从而在第一导线或第二导线上与井下传感器模块双向地进行数据信号的传达；第二隔离模块，所述第二隔离模块连接到传感器数据模块，从而响应于接地故障选择性地隔离第一导线或第二导线中的一根，从而允许数据信号仅在第一导线或第二导线中的一根上通信；
耦合到三相电源和电力电缆的变速驱动器(vsd)的开关频率与电力信号的频率和数据信号的一个或多个频率正交；第一导线或第二导线之一上的ac电源与井下传感器模块之间的通信基于给井下传感器模块供电的电压的电平；井下马达是电潜泵。
同样地，一种用于给井下传感器供电的方法已得到描述并且通常可以包括：使用包括第一导线、第二导线和第三导线的电力电缆向沿着井筒定位的井下马达供应三相电力；仅在第一导线或第二导线上将交流(ac)电力信号和数据信号传输到井下传感器模块；检测第一导线或第二导线上的接地故障；基于检测到的接地故障选择性地隔离第一导线或第二导线，由此得到隔离的导线和连接的导线；以及仅在连接的导线上传输ac电力信号和数据信号，其中ac电力信号的频率与数据信号的一个或多个频率正交，并且连接到产生三相电力的三相电源的变速驱动器的开关频率与电力信号的频率和数据信号的一个或多个频率正交。
对于上述实施方案，所述方法可以包括以下操作中的任一个(单独地或彼此组合)：控制ac电力信号的电压、频率或相位中的至少一个；斜升与ac电力信号相关的电压电平，直到建立与井下传感器模块的通信；存储建立通信所处的电压电平；如果由于接地故障或至少一个系统错误而导致通信丢失，则进一步斜升电压电平；如果在斜升之后的电压电平达到阈值并且通信的可靠性低于限定水平，则将ac电力信号的传输切换到第一导线或第二导线的未接地导线；如果在预定的重试过程之后没有在第一导线和第二导线上建立通信，则将第一导线和第二导线从ac电力信号和数据信号隔离，其中预定义的重试过程包括执行自动恢复尝试达预定以的次数以在第一导线或第二导线上建立通信；如果自动恢复尝试失败了预定义的次数，则请求用户干预以建立第一导线或第二导线上的通信；基于给井下传感器模块供电的电压的电平，在第一导线或第二导线上与井下传感器模块通信；与井下传感器模块通信包括调整与ac电力信号相关联的电压电平，使得对井下传感器模块供电的电压电平被校正达到预定义的配置值；将来自井下传感器模块的预定义的配置值传送到与ac电力信号的源接口的处理电路；改变ac电力信号的频率以与井下传感器模块通信；改变ac电力信号的相位以与井下传感器模块通信；在与井下传感器模块相关联的峰值电力时间期间提供电力提升；操作耦合到ac电力信号的源和耦合到处理数据信号的传感器数据模块的开关，以隔离第一导线或第二导线。
如本文所用，术语“确定”涵盖各种各样的动作。例如，“确定”可以包括计算、运算、处理、导出、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一数据结构中查找)、断定等。而且，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如访问存储器中的数据)等。而且，“确定”可以包括解析、选择、选取、建立等。
如本文所用，提及项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。举例来说，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。
利用本公开的电力和数据传送系统提供了许多优点。首先，替代用于给井下传感器供电的常规dc电力，本文提供的ac电源即使在井下马达的一个相位接地时也是可操作的。因此，本公开中呈现的供电方案是接地故障免疫的。相反，当系统(例如电缆/马达)中发生接地故障时，传统的dc电力不能到达井下传感器。其次，ac电力和数据部件只连接到两相，因此与传统的设计相比，所需的电力和信号传送部件更少。第三，本公开的实施方案使用彼此干扰最少的与井下通信信号频率正交的ac电源和马达驱动频率。第四，本公开的实施方案允许从地面到井下的下行链路通信，所述下行链路通信由可由处理器执行的软件指令控制，所述软件指令可用于将命令从地面发送到井下。第五，本文呈现的供电方案学习系统的特性，因为它将所学习的信息改变并保存到系统的非易失性存储器中，其可用于实现快速启动时间和更优化的操作。此外，本文呈现的供电方案检测接地故障事件，并相应地改变其传送的电力。当检测到严重的接地故障时，系统切换到未接地相位并无缝地恢复运行。此外，本文呈现的供电系统由可由处理电路执行的软件指令精确地控制，所述处理电路可实时且高分辨率地控制ac电源的电压、相位和频率，从而为系统提供稳健性。
前面的公开内容可能在各种实例中重复参考标号和/或字母。这种重复是为了简单和清楚起见，本身不指示所讨论的各种实施方案和/或配置之间的关系。此外，诸如“在下方”、“之下”、“下部”、“之上”、“上部”等空间相对术语可以在本文中出于方便描述一个元件或特征与另外元件或特征如图所示的关系的目的而使用。空间相对术语除了在图中描绘的取向之外还旨在涵盖设备在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件将被定向在其他元件或特征“之上”。因此，术语“之下”可以包括之上和之下的取向。可以以其他方式使设备取向(旋转90度或以其他取向)，且可以同样地相应解释本文所使用的空间相对描述语。
尽管已经示出和描述了各种实施方案和方法，但是本公开不限于这样的实施方案和方法，并且将被理解为包括对于本领域技术人员来说显而易见的所有修改和变化。因此，应该理解的是，本公开无意受限于所公开的特定形式。相反，意图是覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。