专利名称：海底油井的电力线通信装置的制作方法
海底油井的电力线通信装置
本发明涉及电子海底装置、尤其井口控制单元，包含用于海底电力 线通信的调制解调器和交流/直流(AC/DC)电源。
海底电力线通信是一种水下通信的特殊形式。它优选地被用于勘探 和开采位于海床的油气田，海底通信例如用于在顶部控制点与海底井口 之间传输各种数据。往往把使用电子通信向井口或者其它电子装备勘探 或者开采的油气田称为"电子田，，(e-fields)。
在现有技术中公开了不同的海底通信技术。 一方面是有线的电连接 或者光连接，另一方面是无线的连接。有线的连接可以进一步划分成为 与电力线分离开的电连接或者光连接提供通信线路的第一组；以及利用 电力线进行电子通信的第二组。后一情况的有利之处在于不需要单独的 通信线路。
例如，在US 2005/0243983 Al中说明了用于从一个导体接收和
该导体传输数据的调制解调器。它包含用于向所述导体传输数据的输出
驱动器和用于从所述导体接收数据的接收器以及用于匹配接收器输入阻 抗与所述导体阻抗的阻抗匹配装置。可以在该调制解调器调节所述输出
驱动器的增益、接收器的增益和所述接收器输入阻抗。
公知的包含有电力线调制解调器的井口控制单元遭受电子噪音和 干扰、尤其是由外面顶部噪音(干扰)源和电源引入到电力线中的电子 噪音和干扰。这些影响大大限制了传输比特速率和调制解调器的工作范 围。
常规井口控制单元包含具有固定(典型值为75kHz或100kHz )开 关频率的开关电源。这些井口控制单元包含使用高于100kHz的信号频 率的频移键控调制技术的调制解调器以进行电力线通信。为此目的，公 知的调制解调器使用包含用于电信号的低通滤波器和用于调制的二进制 数据的高通滤波器的双工器，分别滤除高于和低于100kHz的频率。一 种结果是电源开关频率和/或其谐波例如通过产生噪音而干扰通信信 号。
本发明的技术问题是提出一种电子海底装置，利用所述的电子海底 装置可以通过降低电子噪音和电力线中的干扰来以显著高的比特速率和较大的工作范围工作。
该技术问题由包含权利要求1中给出的属性的电子海底装置解决。 本发明的有利的实施方式在从属权利要求中进行了说明。
本发明提出使用具有高于400kHz、尤其是500kHz的固定开关频 率的开关电源。通过该技术方案，即使用一个高的开关频率，电力线通 信可以使用低于400kHz的调制频率而没有来自电源的干扰。所述谐波 频率高于所述开关频率，从而对通信频率不会产生干扰和噪音问题。
在一个优选的实施方式中，所述电源包含滤波器电路用于防止 2kHz至400kHz频率范围的信号抵达所述电力线。此方式可以可靠地防
达到海底电力线并干扰所述电力线通信。因此阻塞2kHz至400kHz之 间的电力线载波频率范围。
有利的是，所述电子海底装置包含两个并联连接并且由冗余二极管 分隔开的冗余电源通路。优选的是这两个电源通路按照相同的方式构成。 这保证即使一个电源通路失灵所述调制解调器还能稳定工作。所述冗 余二极管防止短路以及由此使所述电子海底装置完全失效。
优选的是，所述(尤其包含这两个电源通路)电源被设计成用于直 流/直流电源负载，所述电源负载尤其具有75kHz、 100kHz或者一个不 同的值的固定开关频率。这使得所述调制解调器能够稳定工作并且允许 在所述电子海底装置中重新使用基于75kHz、 100kHz或者其它固定频 率的常规电路设计。
在另一个优选的实施方式中，所述电源经一个垫片单元(shim unit)与所述调制解调器的金属结构热接触。这使得能够从所述电源单 元例如向所述海底装置的主电子机架中的金属结构散热。
对于高的比特速率和大的工作范围，优选的是所述调制解调器使用 正交频分复用(OFDM)以把二进制数据调制在所述电力线的一个电信号 上。根据本发明，优选的是，所述正交频分复用在两个通信调制解调器 上都进行，这两个通信调制解调器一个在海底，而另一个在顶部 (topside)。以此方式，例如可以在一个海底电子装置与一个顶部控 制点之间提供一个达3 M bit/s的高比特速率的点对点连接。
利用从电视广播技术公知的正交频分复用技术，发送调制解调器采 用被称为载波频带或者信道的多个不同的正交频率进行发送。如果两个载波频带在相对相位关系方面相互独立，这两个载波频带就被称为是正 交的。所述二进制数据以所谓的正交频分复用符号的形式调制在所述电 信号上。
海底电力线通信使用正交频分复用存在几个优点。在频率上不同的 载波频带可以相互接近。从而使得能够有高的频语效率，允许一种高的 总比特速率。此外，正交频分复用使得能够附加地滤除噪音。如果某个 频率范围受到干扰，可以以较低的比特速率运行甚至于失活相应的载波
频带，以此方式可以达到范围达200km的高工作范围。另外，通过对上 游传输和下游传输指定适当数量的载波频带可以按要求调节相应的比特 速率。
在一个优选的实施方式中对正交频分复用，即所述调制的二进制数 据，使用2kHz至400KHz区间的频率范围。可以使用与该区间相同的 宽度或者窄于该区间的频率范围，例如10kHz至400kHz。该实施方式 为正交频分复用提供一个宽频带，因此使得能够有较大数量的载波频带 并且从而有高的比特速率。与根据本发明所述的电源相结合可以达到一 种最佳的正交频分复用信号传输。这尤其通过使用低于100kHz的频率 达到，这与现有技术相反。从而能够进行宽带传输，得出较高的比特速 率。400kHz的上限降低了由开关电源及其谐波引起的高频噪音，还降低 了从顶部源拾取的噪音。此外在高于400kHz频率的海底电缆的衰减高。
有利的是使所述电信号通过一个低通滤波器，而所述调制的二进制 数据通过一个带通滤波器。这些滤波器优选地包含在所述调制解调器的 一个双工器单元中。所述带通滤波器对于可以最佳实现的信号允许2kHz 至400kHz的频率通过。所述低通滤波器使得能够截除由发自顶部和海 底电源的噪音以及把所述调制解调器信号叠加在所述海底电力线上之前 其它的源的噪音中的干扰。最好，所述低通滤波器从2kHz开始逐渐下降 到OHz。
下面结合附图进一步详细地说明本发明。
图1示出一个海底电力线调制解调器的方框图。
图2示出所述调制解调器的电源的一个方框图。
图3示出所述调制解调器的双工器的一个方框图。
图4以一个侧一见图示出所述电源。
图5示出所述调制解调器的一个效率图解。
5在所有附图中对应的部件用相同的附图标记表示。
图1示出一个示例的电子海底装置1的一个方框图，这是一个井口
控制单元，它包含调制解调器2，用于经海底电力线3向电子田(图中 未示出)通信。所述电力线3也称为脐状线(umbilical)。调制解调 器2包含现场可编程的门阵列4、数字信号处理器5、模数处理线6和数 模处理线7，由2MHz的振荡器8同步。这两个处理线6和7都经一个 不同的接口 (图中未示出)与一个双工器9连接。所述调制解调器2通 过该双工器9可以连接到所述海底电力线3。
所述模数处理线6包含低噪音放大器10、抗混叠
(anti-aliasing)滤波器11和模数转换器12。所述数模处理线7 包含功率放大器13、低通滤波器14和数模转换器15。所述处理线6、 7由以下各项延续为所述现场可编程的门阵列4:高通滤波器16、接收 滤波器和抽取器(decimator)17和接收先进先出緩冲寄存器18
(FIFO)、以及发射滤波器和内插器19和发射先进先出緩冲寄存器20。 所述现场可编程的门阵列4还包含时钟锁相环路21、正交频分复用定时 单元22，包含程序寄存器(图中未示出)的数字信号处理器接口 23，两 个入和出的先进先出缓冲寄存器24和两个通用异步收发射机25
(UART)。所述现场可编程的门阵列4提供两个独立的对外部的电子单 元26的双向外部串行接口， 一个是可以与二进制有效数据的所谓 PROFIBUS连接的RS-485连接27，而一个是用于诊断数据的RS-232 连接28。这些部件安装在单个的六层印刷电路板(PCB，图中未示出) 的两侧。
调制解调器2使用正交频分复用以对所述电力线3的电信号和从该 电信号调制和解调二进制有效数据。所述正交频分复用基本上由所述现 场可编程的门阵列4进行。 一个方面，它从在RS-485连接24得到的二 进制数据，并且如果需要，从RS-232连接28得到的诊断数据，产生一 种正交频分复用调制的信号RF。这些数据在电力线3的电信号Em。dR^上 调制成正交频分复用调制的信号RF。另一个方面，所述现场可编程的门 阵列4把经所述双工器9从电力线3得到的正交频分复用调制的信号 Em。dRF解调成二进制有效数据，并且如果需要，解调成诊断数据，这此数 H》另'J^^出至iRS—485和RS — 232。
因为所述正交频分复用的计算成本高，所述现场可编程的门阵列对
6调制和解调两方面都使用数字信号处理器5。带有程序闪存29和数据存 储器30的适用的数据信号处理器5可以在市场购到。所述数据信号处理 器5经所述数据信号处理器接口 23与所述现场可编程的门阵列4连接。 所述数字信号处理器接口 23由拥有压控振荡器8的例如2 MHz的基准 频率的时钟锁相环路21按照48 MHZ同步。
所述调制解调器2由在其输入侧连接到所述双工器9的交流/直流 电源33供电。
该交流/直流电源33在图2中示出为一个方框图。该交流/直流电 源33是拥有通用交流输入和24V/100W直流输出的单元。由于两个电 源通路24用冗余二极管35分隔开地连接在一起，所以该单元被设计成 冗余地工作。每个电源通路34都在其输入側连接到双工器9。每个电源 通路34包含滤波器和过电压保护单元36、整流桥37、保持电容器38、 直流/直流(DC/DC)转换器39、输出滤波器10和各自的冗余二极管 35。这两个直流/直流(DC/DC)转换器39，例如DAS100F24，都具有 500KHz的固定开关频率。以此方式，不论是所述开关频率还是谐波都在 所述调制解调器2在所述电力线3上所使用的全部载波频率之外。电源 通路34中的电压的存在可以直接在相应的冗余二极管35之间的接点V 处检测。
交流/直流电源33被设计成承受固定的75kHz开关频率和固定的 100kHz的开关频率的直流/直流电源负载。交流/直流电源33被设计用 于通过所述滤波器和过电压保护单元36限制2-400kHz的频率回々赍到 电力线3上。输入电缆41和输出电缆42在物理上被相互隔离开，并且 输入和输出电缆41、 42都使用绞合线对。从而使电力线3上发自交流/ 直流电源33的电子干扰和噪音都最小。以此方式确保海底电力线通信的 最佳质量。
图3示出所述双工器9的方框图，包含电信号E1、 E2的低通滤波 器43和所述调制的二进制数据的带通滤波器4。对海底和顶部调制解调 器2的双工器9是相同的。
在顶部双工器9的情况下，具有电力信号El和E2的电子顶部装 置(图中未示出)的一个顶部电源46连接在所述方框图的右端。射频信 号RF，即调制了的二进制数据，用所谓的正交频分复用电路4至7从所 述现场可编程的门阵列4输入。所述正交频分复用调制的电力信号
7Elm。dRF、 E2m。咖在所述方框图的左侧连接向海底电力线3。
海底用的双工器9在所述方框图的左侧接收所述正交频分复用调 制的电力信号E^。咖。代表所述经过调制的二进制数据的射频信号RF由 连接到所述调制解调器2的正交频分复用电路13至15的带通滤波器44 提取。所述海底电源33连接在所述方框图的右侧。
低通滤波器43滤除发自电源33/46的噪音不让其馈送到所述海底 电力线3的通信部分。带通滤波器44允许10kHz至400kHz的频率通 过。
在图4中示出海底交流/直流电源33的示意性侧视图。它安装在 垫片单元47上。该垫片单元47是用螺丝拧在所述交流/直流电源33单 元上的实心的铝单元。它提供从所述交流/直流电源33单元向主机架(图 中未示出)中的金属结构48的散热。
垫片单元47造成交流/直流电源33要与印刷电路板49颠倒地安 装在一起。所有的部件都胶粘、捆扎或者为了最佳坚固的目的用螺丝拧 住。
图5示出从原型交流/直流电源33得出的效率曲线，所述交流/直 流电源33对多个负载设定进行了检测并且计算功效。可以看出在低输入 电压(在该例中是110V) 20%的负载的效率就满意了。这对于海底应用 是有利的，因为电力与电力线3的长度成正比地下降。海底电子模块 (SEM)譬如调制解调器最佳地总体上是24W的负载。这意味着该额定 功率100W的交流/直流电源33在25%的负载下的效率为80%。这对于 电源稳定性是有利的并且使得所述交流/直流电源33的废热最小。
权利要求
1. 电子海底装置(1)、尤其是井口控制单元，包含用于海底电力线(3)通信的调制解调器(2)和交流/直流电源(33)，其特征在于，所述交流/直流电源(33)是拥有400kHz以上的固定开关频率的开关电源。
2. 如权利要求l所述的电子海底装置(1)，其中，所述固定开关 频率是500kHz。
3. 如权利要求1所述的电子海底装置(1),其中，所述交流/直 流电源(33)包含滤波器(36)用于防止2!cHz至4001cHz频率范围的 信号抵达所述电力线(3)。
4. 如上述权利要求之一所述的电子海底装置(1)，其中所述电子 海底装置包含两个并联连接并且用冗余二极管(35)分隔开的冗余的电 源通路(34 )。
5. 如上述权利要求之一所述的电子海底装置(1)，其中，所述交 流/直流电源(33)被设计成用于直流/直流电源负载。
6. 如权利要求5所述的电子海底装置(1)，其中，所述交流/直 流电源具有75kHz或者100kHz的固定开关频率。
7. 如上述权利要求之一所述的电子海底装置(1)，其中，所述交 流/直流电源(33)经垫片单元(47)与所述电子海底装置(1)的金属 结构(48)热接触。
8. 如上述权利要求之一所述的电子海底装置(1)，其中，所述调制 解调器(2)使用正交频分复用以把二进制数据调制在所述电力线(3)的电^了 ( EmodRF、 ElmodRF、 E2modRF )上。
9 .如权利要求8所述的电子海底装置(1 )，针对所述射频信号(RF )， 该调制解调器(2)使用2kHz至400kHz区间内的频率范围。
10.如权利要求8或9所述的电子海底装置(1)，其中，包含双 工器(9),所述双工器(9)包含用于所述电信号(E、 El、 E2)的低 通滤波器(43)和用于射频信号(RF)的带通滤波器(44)，该射频信 号(RF)包含经过调制的二进制数据。
全文摘要
本发明涉及一种电子海底装置(1)、尤其是井口控制单元，包含用于海底电力线(3)通信的调制解调器(2)和交流/直流电源(33)，所述交流/直流电源(33)是拥有高于400kHz的固定开关频率的开关电源。
文档编号H04B3/54GK101502016SQ200680055472
公开日2009年8月5日 申请日期2006年7月24日 优先权日2006年7月24日
发明者S·赫斯博尔, V·斯泰根, V·霍滕 申请人:西门子公司