数据通信系统的制作方法
【专利摘要】设置有用于在诸如油田电潜泵的布置的表面与表面下位置之间通过三相电力系统来传输数据的数据通信系统的三相电力系统和相关联的数据传输方法，该数据通信系统包括：从表面系统至表面下系统的电缆连接；电力模块，经由调谐为第一频率的调谐电路而耦合至电缆连接；以及数据信号模块，独立于所耦合的电力模块而经由调谐为第二频率的调谐电路来耦合至电缆连接，以便在操作期间使电力信号模块与数据信号模块之间的干扰最小化。
【专利说明】数据通信系统
[0001] 本发明涉及往返于井下装备的数据传输，并且具体地，但不排他地，涉及表面下与 表面位置之间的通过三相电力系统的数据传输的改进的数据通信系统及方法。
[0002] "井下装备"被理解为是指用于井孔中的任何工具、装备或仪器。
[0003] 出于各种原因，需要在井下装备与表面之间传输数据。例如，监视电机/泵的性 能；传输控制信号，以便控制阀；测量装置取向和位置；以及进行物理测量。
[0004] 对于机动化的井下装备，诸如电潜泵（ESP)电机系统，需要从装备下面的包括电机 绕组的电路和装备的电力电缆中发送数据，该电力电缆能够被认为是三相电力系统。在这 样的布置中，由于已经存在电力电缆，因而基本原理是，使用这些电力电缆的解决方案的成 本应当相称地小于还供给适当的长度的通信电缆的解决方案。通常还认为，能够维持在未 给主三相电力系统加电时所需要的针对井下监视仪器使用的电力，因为这提供在泵关闭的 情况下或井中的其他主要的情况下的基本信息。
[0005] 因而，这些系统挑战设计并操作来确保顺利地传输数据并始终维持独立电源。
[0006] 由于三相电力系统的电机和电力电缆特性，已开发并广泛地采用使用电感耦合来 耦合至电力系统的基于DC电流的装置。从表面处的低电流DC电源提供电力，并且，通过调 制从该电源流出的电流来将数据传输至表面。
[0007] 在US 5, 515, 038、GB 2283889以及US 6, 396, 415中公开了基于数字和处理器的 装置的示例。这些系统利用注入电力信号上并通过电感Y点耦合而提取的DC电流。由于任 何故障都与独立电源并行，因而在对电力电缆的绝缘丧失或被损坏时，这些系统全部都易 受失效影响，并且，故障成为另一个电流调制源，因而引起信号完整性丧失。这些现有技术 的系统还典型地在本质上是模拟的，因而将噪声引入测量中，或在传输数字数据的情况下， 处于非常慢的数据速率。
[0008] 使用AC电力和/或信号传输的基于AC的系统已开发来克服这些问题。然而，这 些基于AC的系统引入其自身的缺点。在US 7, 982, 633中公开了典型的现有技术的基于AC 的系统，该系统是用于在井下应用中使用的数据传输系统，其中，电能通过多导体电力电缆 而供给至ESP电机组件。井下单元通过ESP电机组件的Y点而AC耦合至电力电缆的导体。 表面单元AC耦合至电力电缆的导体。遥测数据的上行通信通过由井下单元和表面单元支 持的AC通信方案而进行。远程控制命令数据的下行通信通过由表面单元和井下单元支持 的不同的AC通信方案而进行。这些AC通信方案提供电力至井下环境的独立的供给。不使 用另外的通信线路，通过电力电缆就完成表面与井下环境之间的全部通信。如果发生电力 电缆上的接地故障，则维持数据通信。
[0009] 该现有技术的基于AC的系统具有接口电路，该接口电路包括ESP电机的Y点与井 下单元的构件之间的AC耦合电容器，从而为DC信号隔离作准备。在表面处也同样地，AC耦 合电容器电耦合至三相电力电缆上的三个导体的每个的不同的一个，以便进行DC信号隔 离。不利地，该布置意味着使用相同的用于注入AC电力的电容器来对电机的电力系统进行 传感。这引起信号振幅减小，并且，因而，由于电源系统可能引起所传输的数据和所接收的 数据的失真和衰减，因而数据被损坏，这导致数据不可恢复。
[0010] 因此，本发明的目标是，提供用于通过三相电力系统来传输数据的数据传输的方 法，其中，能够使电力系统对数据信号完整性的作用最小化。
[0011] 根据本发明的第一方面，提供用于在表面与表面下位置之间通过三相电力系统来 传输数据的数据通信系统，该数据通信系统包括：表面系统模块；表面下系统模块；以及设 置于表面系统模块与表面下系统模块之间的电缆连接，其中，表面系统模块和表面下系统 模块的至少一个设置有AC电力模块和数据信号模块，使得AC电力模块和数据信号模块经 由在表面和表面下的至少一个处被调谐为不同的频率的调谐电路而彼此独立地耦合至电 缆连接。
[0012] 具有带有彼此独立地耦合至电缆连接的电力模块和数据信号模块的表面下系统 的数据通信系统意味着，能够针对所施加的电力信号和数据信号而使电力耦合和信号耦合 优化，以便所施加的信号不彼此干扰或干扰主三相电力系统。通过提供AC电源和AC数据 信号，从而能够对这些输入的频率进行选择或调谐，以确保使输入之间的干扰最小化。电力 模块中和数据信号模块中的调谐电路的装备还意味着，每个独立的耦合能够相应地被调谐 为电力信号和数据信号的精确的频率，因而确保两者彼此不干扰。另外，电力模块和数据信 号模块的阻抗在系统的数据或载波频率下相对地较高，因而确保使信号和电力衰减和失真 最小化。
[0013] 优选地，调谐电路进行电容耦合。这与会限制任何传输的数据或电力频率的带宽 的电感耦合形成对比，并且，不会固有地防止干扰数据信号的AC电力，反之亦然。通过针对 往返于表面下的AC电力和数据信号两者而使用电容耦合和调谐耦合两者，从而电力频率 和数据频率两者都可能是相对于三相主频率而相对地较高的频率，但还可能彼此充分地不 同，使得耦合调谐防止互相干扰，并且具体地，防止电力频率干扰所传输的数据。
[0014] 优选地，电力模块和数据信号模块在表面下位置处耦合至共同的Y点。这使构造 简化。更优选地，电力模块和数据信号模块还在表面位置处耦合至共同点。以该方式，在共 同点处提供并行调谐耦合。
[0015] 该系统还可以包括设置有电力模块和数据信号模块的表面系统模块和表面下系 统模块的每个。
[0016] 通过提供具有电力模块和数据信号模块的表面和表面下系统模块的每个，从而能 够针对所施加的电力信号和数据信号而使表面处和表面下位置处的电力耦合和信号耦合 两者都优化，以便所施加的信号不彼此干扰或干扰主三相系统。
[0017] 优选地，该系统包括表面下位置处的电机。更优选地，电机是电潜泵电机。在实施 例中，共同的Y点位于电机处。以该方式，能够使用标准工业零件。
[0018] 优选地，该系统包括表面下位置处的井下计量器，其中，三相电源用于给电机提供 电力，并且，电力和数据信号模块用于井下计量器。以该方式，电力模块的频率能够选择为 大于电机电力频率且也不处于电机电力频率的谐波。电力模块的频率不必太高，因为如果 你仅仅使电力模块频率非常高，所以滤波器使电机电力频率与电力模块频率分开，你将以 电力模块频率结束，该电力模块频率如此高，电缆和电机中的损耗将太大以致实际上不能 允许电力递送至井下计量器。使该方案运作的唯一的方法是，使用如此选择使得高于电力 频率，但不高至导致电力将不到达计量器(或要求过度的表面电压和电力）的程度的频率， 并且，使用经调谐的选择性的电力耦合来克服仍然相当大的来自电机的电力。
[0019] 根据本发明的第二方面，提供用于在表面与表面下位置之间通过三相电力系统来 传输数据的数据传输的方法，该方法包括：提供表面系统与表面下系统之间的电缆连接； 提供经由调谐为第一频率的第一调谐电路而耦合至电缆连接的至少一个AC电力模块；以 及提供经由调谐为与第一频率截然不同的第二频率的第二调谐电路来独立于电力模块而 耦合至电缆连接的至少一个数据信号模块。
[0020] 该方法还可以包括在表面系统和表面下系统的每个处提供电力模块和数据信号 模块。
[0021] 通过在表面和表面下位置之一或两者处提供独立于彼此而耦合至电缆连接的电 力模块和数据信号模块，从而能够针对所施加的电力信号和数据信号而使电力耦合和信号 耦合优化，以便它们不互相干扰。电力耦合和数据信号耦合还能够设计为使主三相电力系 统对独立的电力传输和数据传输的作用最小化。通过提供AC电源和AC数据信号，从而能 够对这些输入的频率进行选择并调谐，以确保使输入之间的干扰最小化。
[0022] 优选地，该方法还包括将AC数据信号提供给数据信号模块。通过提供AC电源和 AC数据信号，从而能够对这些输入的频率进行选择并调谐，以确保使输入之间的干扰最小 化。
[0023] 优选地，AC数据信号在10kHz至300kHz的频率范围内传输，并且，AC电力频率在 500Hz至lOKhz的频率范围内传输。
[0024] 优选地，该方法包括将AC电力模块电容耦合至电缆连接。同样地优选地，该方法 包括将数据信号模块电容耦合至电缆连接。优选地，该方法包括通过电缆连接上的共同点 而将AC电力模块和数据信号模块耦合。
[0025] 现在，将参考附图而仅经由示例来描述本发明，其中： 图1示出井中的井下装备的典型的设置，示出表面处的装备、电机以及控制接口的位 置； 图2示出根据本发明的第一实施例的数据通信系统的示意框图； 图3示出已知的三相电源传输系统布置的示意框图； 图4示出根据本发明的第二实施例的数据通信系统的表面下单元的示意框图；以及 图5示出根据本发明的第三实施例的表面至表面下的数据通信系统的示意图。
[0026] 井下装备的一个种类是人工举升系统，该人工举升系统用于在蓄水池中的压力不 足以将井的流体(例如，石油、水或气体)举升至表面的井中使用。人工举升系统的类型包括 液压泵、杆式泵、电潜泵（ESP )、喷射泵、螺杆泵（PCP )以及气举装置。
[0027] 首先，参考附图的图1，图1说明井孔中的典型的ESP完井。ESP电机10通过密封 件12而耦合至离心泵14,并且，用于以本领域技术人员已知的方式通过管16而将流体举 升至井20的表面18。为了监视操作，将传感器或计量器22定位于ESP 10下面。典型地， 电机10是三相Y配置。该电机由变速驱动系统24驱动，并且，经由三相电力电缆26而连 接。该系统能够被认为包括两个截然不同的部件，通常由参考标号28指示的表面系统和通 常由参考标号30指示的井下系统。这两个部件28、30使用ESP电力电缆26来通信。
[0028] 在图1中示出与计量器系统有关的表面装备，在该表面装备中，存在HV单元13， HV单元13直接地连接至专为井下电机所用的三相电源，并且，存在从高电压系统安全地隔 离的另一个LV或低电压单元8。LV系统主要地用于数据恢复和处理以及数据显示等。HV 单元用于注入AC电力，并且，还使来自三相电力系统的原始数据恢复。
[0029] 现在，参考附图的图2,说明根据本发明的实施例的通常由参考标号40指示的数 据传输系统的功能框图。在该布置中，能够将数据沿表面装备28与表面下或井下装备30 之间的任一方向传输至三相电力电缆26上。
[0030] 在表面28,将该装备分成高电压侧32和低电压侧34。高电压侧32将电力提供给 井下系统30。经调谐的高电压AC耦合36a用于连接至电力电缆26中的每相。因而，在高 电压装备32中使用三倍电路。微处理器38对分配至三相电缆26上的配电进行控制，并 且，链接至低电压侧34的相应的微处理器40。另外，与截取三相电缆26上的数据信号并行 地，高电压侧32使用经调谐的高电压AC耦合36c。然后，通过已知的方法来对这些信号进 行滤波42并进行解调44。然后，数据信号经由用于显示器46的微处理器40而传递或输送 至数据记录器或SCADA系统。另外，该处理能够相反地工作，其中，如在本领域中已知的，微 处理器40经由高电压侧32的经调谐的高电压AC耦合36而将数据提供至电力线26上。
[0031] 参考图1，如在本文中所描述地设置井下ESP系统48。同样的部件具有相同的参 考标号，从而有助于清楚表达。电机10下面是标准Y点连接器50。在Y点连接器50处，布 置有井下系统52。井下系统52以经由微处理器56而联接的测量装置传感器或计量器54 的形式提供监视。用于驱动计量器54的电力经由经调谐的HV AC耦合电路36b而提供给 电力调节器58。类似地，在微处理器56中处理来自测量装置54的数据。使用信号驱动器 60和经调谐的HV AC耦合电路36d，将数据传输至电力线62上，以便传输至Y点50,并且， 在三相电力电缆26上向前传输至表面单元28。
[0032] 在本发明中，存在四个经调谐的HV AC耦合电路36a_d，三个布置在表面28处，并 且，一个布置在表面下52。在现有技术中，在表面和表面下仅设置单个经调谐的HV AC耦合 电路，各自耦合至电力和数据。在图3中示出该现有技术的耦合布置的说明。
[0033] 在图3中，表面系统84和表面下系统88提供专为井下位置所用的三相电源，在表 面系统84与表面下系统88之间存在电缆连接85。独立电源80与数据信号恢复单元79 - 起设置于表面，以便使用井下仪器。电源80和数据信号恢复单元79两者都通过相同的耦 合电容器83而耦合至电缆85。同样地，表面下系统88通过诸如电容器86的单个耦合电路 而奉禹合至电缆85。在该现有技术的系统中，表面下电力系统89持续输入来自信号驱动器 87的电力。另外，耦合86未选择性地耦合数据、电力或主三相电力频率，并且，所以，电力系 统能够经受来自主系统的电力的大的变化。此外，通过电力调节器89和主系统85而将更 多的负荷强加于信号驱动器87上，因而创建对发送器中的更高得多的电力电平的要求。该 要求增加比在另外的情况下将需要的对系统的电力传输要求更大的电力传输要求，因而进 一步加剧该问题。在表面84处出现这一相同的情形，在表面84处，从独立电源80和主三 相电力系统85直接地对信号恢复电路79馈送电力，并且，所以，使数据恢复更难。另外，通 过独立电源80和主三相电力系统85而使从表面下88发送的经恢复的数据信号的振幅衰 减，独立电源80和主三相电力系统85两者在信号频率下都是低阻抗。
[0034] 现在，参考附图的图4,图4说明通常由参考标号90指示的表面下系统，其中，根 据本发明的实施例，高电压供电电缆62耦合至电力模块92,并且，还独立地耦合至数据信 号模块94,在电力模块92内，设置有第一调谐电路92a，在数据信号模块94内，设置有第二 调谐电路94a。然后，将电力模块92连接至电源单元96,从电源单元96输出经调节的电源 96a。然后，将数据信号模块94连接至数据源模块98。将意识到，第一调谐电路92a和第二 调谐电路94a可以是无源调谐电路。在优选的实施例中，电路92a、92b是电容调谐电路。
[0035] 在使用中，在数据通信通道操作时，也就是说，在可以通过电缆62而传输数据时， 将AC电压施加至该电缆62,并且，由数据源模块98创建AC数据信号。第一调谐电路92a 被调谐为与电力信号频率相对应的第一频率。同时，第二调谐电路94a被调谐为与数据信 号频率相对应的第二频率，使得能够选择第一和第二频率，以便使电力信号与数据信号之 间的干扰最小化，这意味着能够以最小的、由电力模块92引起的所传输的和/或所接收的 数据的失真实现通过高电压系统电缆62而从数据源98传输数据。
[0036] AC数据信号典型地处于10kHz至300kHz的频率范围内，并且，独立电力频率将典 型地处于500Hz至lOKhz的频率范围内，并且，通过使耦合至电缆62的电力模块和数据信 号模块的每个彼此独立，从而能够对各自的频率进行调谐，以使系统性能优化。能够通过选 择无源电路或有源电路而相应地执行这样的对第一调谐电路92a和第二调谐电路94a的调 谐，谐振频率与所施加的电力或数据频率相匹配。调谐电路将在期望的频率下提供低阻抗 低损耗耦合，并且，还在另外两个频率两者下提供高阻抗(和低衰减)，并且，还在主三相电 力系统操作频率下提供高阻抗(和低衰减)。这能够导致数据通信系统的表面位置处的所接 收到的数据信号分量的高质量。这还减少独立电力系统至主三相电力系统和数据耦合中的 损耗。另外，这样的布置还导致数据信号分量与电力信号分量之间的干扰的最小化。
[0037] 参考图5，说明根据本发明的实施例的系统40的表面和表面下布 置。在该情况下，简单的调谐耦合158、159、165以及169相应地包括彼此串联 的电容器154、155、163、167以及电感器156、157、164以及168，在以f=lA2Ji )谐振的情况下，调谐耦合158、159、165以及169的阻抗由2=+_]_此+1/>(：给出。
[0038] 通过选择匹配的耦合158 (表面处的电力注入点处)和耦合165 (位于提取电力的 表面下)，从而主要地在电源150的频率下从电源150提取表面下电力166,该频率施加至系 统40,并且，并非来自主三相电力系统频率。另外，表面下电力166不从表面下单元171中 的信号驱动器170持续输入电力。
[0039] 类似地，使用数据传输单元159和169的相匹配的耦合，这确保表面单元151处的 数据恢复电路152不从主三相电力系统和独立电力系统150接收相对地较高的振幅频率信 号，但优选地从相匹配的信号源170和表面下稱合169接收信号。
[0040] 这样的系统40在如下的情况下可能极其有效：三个频率，即数据、电力以及三相 系统频率良好地分离，例如，三相主系统在50-60HZ下运转，并且，独立电力系统在500至 10kHz下运转，并且，数据频率以10kHz至300kHz运转。
[0041] 本发明的原理优点是，本发明提供通过三相电力系统来进行数据传输的方法，在 该方法中，使电力信号、数据信号以及主三相电力系统之间的干扰最小化。
[0042] 本发明的另一个优点是，本发明提供通过三相电力系统来进行的数据传输的方 法，在该方法中，使所传输的和/或所接收的数据信号的失真最小化。
[0043] 本发明的又一优点是，本发明提供用于通过三相电力系统来对数据进行通信的数 据通信系统，其中，数据信号耦合和电力信号耦合彼此完全地独立。
[0044] 在不背离本文中所描述的本发明的范围的情况下，可以对本发明作出各种变型。 例如，该系统能够具有两个传输频率，该传输具有多个调谐耦合，每个频率对应一个调谐耦 合。调谐耦合可以具有处理器控制的中心频率。耦合能够由无源调谐电路和有源或数字调 谐滤波器这两者组成。
【权利要求】
1. 一种数据通信系统，用于在表面与表面下位置之间通过三相电力系统来传输数据， 所述数据通信系统包括： 表面系统模块； 表面下系统模块；以及 设置于所述表面系统模块与所述表面下系统模块之间的电缆连接， 其中，所述表面系统模块和表面下系统模块的至少一个设置有电力模块和数据信号模 块，使得所述电力模块和所述数据信号模块经由被调谐为不同的频率的调谐电路而彼此独 立地耦合至所述电缆连接。
2. 如权利要求1所述的数据通信系统，其中，所述调谐电路被电容耦合。
3. 如权利要求1或2所述的数据通信系统，其中，所述电力模块和所述数据信号模块 耦合至所述表面下位置处的共同的Y点。
4. 如任何先前的权利要求所述的数据通信系统，其中，所述电力模块和所述数据信号 模块耦合至所述表面位置处的共同点。
5. 如任何先前的权利要求所述的数据通信系统，其中，所述表面系统模块和表面下系 统模块的每个设置有电力模块和数据信号模块。
6. 如任何先前的权利要求所述的数据通信系统，其中，所述系统包括所述表面下位置 处的电机。
7. 如权利要求6所述的数据通信系统，其中，所述电机是电潜泵电机。
8. 如权利要求6或7所述的数据通信系统，其中，所述共同的Y点位于所述电机处。
9. 如先前的权利要求6至8的任一项所述的数据通信系统，其中，所述系统包括所述 表面下位置处的井下计量器，所述三相电源用于给所述电机提供电力，并且所述电力和数 据信号模块用于所述井下计量器。
10. -种数据传输的方法，用于在表面与表面下位置之间通过三相电力系统来传输数 据，所述方法包括： 提供从所述表面至表面下系统的电缆连接； 将至少一个AC电力模块经由调谐在第一频率的调谐电路而耦合至所述电缆连接；以 及 独立于所述至少一个耦合的电力模块而将至少一个数据信号模块经由调谐在第二频 率的调谐电路而耦合至所述电缆连接。
11. 如权利要求10所述的数据传输的方法，还包括在表面系统和所述表面下系统的 每个处提供电力模块和数据信号模块。
12. 如权利要求10或11所述的数据传输的方法，还包括：将AC数据信号提供至所述 数据信号模块。
13. 如权利要求10至12的任一项所述的电力传输的方法，还包括在10kHz至300kHz 的频率范围内传输所述AC数据信号，并且在500Hz至lOKhz的频率范围内传输所述AC电 力频率。
14. 如权利要求10至13的任一项所述的电力传输的方法，还包括将所述AC电力模块 电容耦合至所述电缆连接并将所述数据信号模块电容耦合至所述电缆连接。
15. 如权利要求10至14的任一项所述的电力传输的方法，还包括通过所述电缆连接 上的共同点而将所述AC电力模块和所述数据信号模块耦合。
【文档编号】H04B3/54GK104303424SQ201380012798
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年2月28日 优先权日:2012年3月8日
【发明者】D.S.尚克斯 申请人:鼎盛油田技术有限公司