电力／信号传输技术在水下生产系统的应用.pdf

工程设计及标准 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 0 8 ，5：2 9 AUTOM ATI oN I N P ETR0一 CH EM I CAL I NDU S TRY 电力 信号传输技术在水下生产系统的应用 苏锋 ， 刘 鸿雁 ， 王强 ( 海洋石油工程股份有限公司 ， 天津3 0 0 4 5 1 ) 摘 要 ：为了更深入全 面地掌握水下 生产系统这一技术领域 ， 结合乐东水下生产控制 系统设计 ， 对水下生产 系统 电力 信号 传输模块的工作原理 、 组成结构以及控 制方式进行 了详细分析 ， 深化了电力线通信在水下 生产系统应用 中的理解 ， 为今后在 同 类工程中完成电力 通信设计的可行性 分析和优化设计奠定 了理论基础。 关 键 词 ：水下生产系统 ； 电力线通信 ； 电力 信号传输 中图分类号 ： T P 2 7 4 文献标识码 ： B 文章编号 ：1 0 0 7 7 3 2 4 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 0 2 9 0 3 Ap p l i c a t i o n o n T r a n s p o r t a t i 0 n o f El e c t r i c a l P o we r S i g n a l i n t h e Und e r wa t e r Pr o du c t i o n S y s t e m S u F e n g，Li u Ho n g y a n， W a n g Qi a n g ( Ch i n a Of f s h o r e Oi l En g i n e e r i n g Co L t d ，Ti a n j i n，3 0 0 4 5 1 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o c o mp r e h e n d t h e t e c h n o l o g y o f e l e c t r i c a l p o we r s i g n a l t r a n s p o r t a t i o n i n s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e m，t h e p r i n c i p l e ，c o mp o s i t i o n a n d c o n t r o l mo d e o f t h e p o we r s i g n a l t r a n s p o r t a t i o n i n s u bs e a p r od uc t i o n s ys t e m a r e a n a l yz e d i n de t a i l ba s e d o n t he f i n i s h e d de s i g n o f s ubs e a pr o du c t i on c o n t r o l s y s t e m a nd t he s t ud y on PLC Th i s wor k wi l l a l s o he l p bu i l di n g t h e t h e o r e t i c a l b a s e f o r v e r i f y i n g a nd o p t i mi z i n g t h e d e s i g n o n t h e e l e c t r i c a l p o we r s i g n a l t r a n s p o r t a t i o n i n s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e m Ke y w o r d s ：s u b s e a p r o d u c t i o n s y s t e m；P LC；p o we r s i g n a l t r a n s p o r t a t i o n 1 水下生 产 系统 电力 信号 传输 的基本 原理 水下生产系统电力 信号传输是应用 电力线通 信技术 进行 的 ， 电力 线 通 信简 称 P L C( P o we r L i n e C o mmu n i c a t i o n ) ，出现于 2 0世 纪 2 O年代初 期 ， 是 以电力网作为信道进行载波通信 的一种有线通信 方 式 。P L C与 其 他 通 信 方 式 相 比 ， 能 充 分 利 用 电 力 线资 源 ， 因此 P L C具 有很 好 的开 发 前 景 和 应 用 价 值 。 P L C在原理上和邮 电有线通信 基本相 同， 所 不 同的是 它在 电力 线 路 输送 5 0 Hz 6 0 Hz电 能 的 同时， 利用电力线路来实现数据通信的传输 ， 简化 的 P LC原理 如 图 1所示 。 输入信号卜 _ _ 电力线调制器H电力线接口 输出信号H电力线解调器H电力线接I： 1 图 1 电力线通 信原理 其 中按 照 随信 号变 化 的 高频 振 荡参 数 ( 幅 度， 频率和相位) 的不 同， 调制方式可分 为振 幅调 制( AM) ， 频率调制( F M) 和相位调制 ( P M) ， 按 照 不同的调制信号 ， 调制 方式又可分为模拟信号调 制和数字信号调制 。有三种基本数 字调制技术 ， 分别 为 幅 移 键 控 ( AS K) ， 频 移 键 控 ( F S K) 和 相 移 键 控 ( PS K) 1 3 。 电力线通信的缺点是通信信道不稳定 ， 尤其是 低压电力线上的干扰非常大 ， 各种用电设备的通断 会在线路上产生瞬时的脉冲干扰 ， 这些干扰脉冲的 峰值最高可达上 千伏 ； 各种 大功率 开关器件 的开 关 ， 会产生很宽频谱分布的驻波干扰， 载波信号衰 减很 快 。其次 ， 线路 不 同位置 的低压 电力 线特 征可 能完全不同 ， 使用线路的种类及线路上的负荷情况 都会对高频信号在 电力线上 的传输特征产生很大 的影 响 ， 即使是 同 一段 电力 线 路 ， 其 传输 特 性 也会 随各种 电力负荷 的改变而改变 ， 因此 ， 在低压电力 线上进行通信， 如何抑制干扰， 减小衰减提高通信 的可靠性以及适应不同线路的通信能力是该技术 收稿 日期 ： 2 0 0 8 0 6 1 0 。 作者简介 ： 苏锋 ( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 山西太原人 ， 2 0 0 6年毕业 于天 津大学仪表及 自动化装置专业 ， 博士生 ， 现 工作于海洋石油工程股 份有限公司设计公 司， 任工程师 ， 主要从事海洋石油平 台仪表专业 的各阶段的设计 工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 的研究 重点l 2 J 。 2 电力 通信 传输技 术在水 下生产 系统 的应用 2 1 水下 生产 系统 组成 水下生产系 统 ( S P S ) 从 1 9 7 5年北 海 A R G Y I I 油田开发应用开始 ，已经有 3 0余年 的发展历程， S P S技术 主要应 用于深水 油 田、 边 际油 田和 区块 分 散的大型油 田， 它满足了当今中深水域边际油气田 多和深 水油 田规模 和数 目增 加 的需 要 。作 业水 深 从几 米到 上千米 ( 集 中在 1 8 5 3 2 3 0 0 m 之 间) ， 具 有环境适 应性 强 、 生产 稳定 性 好 、 安 全性 高 和可 回 收 的优势 ， 同时其 费用 逐 年下 降 ， 具有 广 阔的发 展 空 问 。 S P S主要包 括 以下 部分 ： 水 下井 口与 管 汇 、 采 油树 、 海底 管线 ( 生产 、 测 试 、 控 制和 动力 ) 、 控 制 系 统 ， 水 面设施 或 陆 上 处 理 站 以及 作 业 工 具 ( ROv R OT) 。S P S叮以依 托 周边设 施 进行 开 发 ， 其 工作 模式通常是 S P S +固定平台、 T L P或 S P AR， 即在 浅水 区 S P S接到 固定 平 台 ， 而 在 深水 区 S P S则 接 回到深水平 台 ； 同时还有利 用 F P S 0或 F P S设备 的 独立开发模式； 此外， 如果海底地势坡度大则可以 采 用 S P S直接连接 上岸 的方法 。 以乐 东水下生 产项 目开发为例 ， 根据其 气藏 的 特 点及开 发计划 ， 气 田群 的基本 开发 按 照乐 东 1 5 1 生产 平 台+乐东 2 2 1中心 平 台+乐 东 2 2 1回 接 的 四井式 S P S来 进行 ， 如图 2所示 。 图 2 四井 式水下 生产 系统 为实现对水下生产设备的控制 ， S P S采用 了复 合 电液控制 系统 ， 电液控制 系统按 照所要 完成 的任 务和功能， 可以分解为电力 通信、 液压液及化学药 剂 3组模块 ， 其中采用基于脐带缆的电力通信传输 技术 能很好 地适应 深水生 产 系统 的工 作 特点 ， S P S 电力 通信 如 图 3所 示 ， 从 中可 以看 出 电力 波传输 与控制信号的传输采用混合传输 ， 其本质就是通过 电力线路加载测控信号 的 P I C技术 ， 即在原有 的 提供 电能的电力线路上叠加控制指令信号 ， 到达水 下控 制模块 后实现 电力供应 与水下设 备 的控 制 ， 同 时将 水下 变送器所 测得压 力 、 温度 、 流量 、 液 位等过 程参量通过电力线路通信技术上传到主控制系统。 水下 生产控 制系统是 水下生 产系统 的核心部 分 ， 其 中 P I C技 术更是决 定 了整个 水下生 产 系统 的测量 和控 制水平 。 工作电力、指令 压 力 、温 度 、 流量 等过 程 参数 I 水下控制管汇终端 I l 水下控制模块 I 图 3 水 下生产 系统 电力 通 信 示意 2 2 S P S的 电力 通信 传输 系统 电力线通信在乐东水下生产系统 的应用就是要 实现水上部分对水下设备的电力输送以及相互之间 的通信 ， S P S电力 信号传输原理如图 4所示 。 在 P L C系统 中 ， 水下生 产主控 制系统 ( MC S ) 、 水 下 电力 通 信控 制单 元 ( S P C U) 、 水 上 控 制 管缆 管 汇 ( T UTA) 、 控 制 管 缆 ( UMB I L I C AI ) 、 水 下 控 制管缆终端单元 ( S UT U) 和水下控制模块 ( S C M) 是 控制 系统 的主要组成 部分 。 通 过主控 制系统 的控制面 板 ， 操作 人员可 以监 测到整个 控 制 系 统 的 状 态 ， 并 对 水 下 阀 门 进 行 控 制 。控制信号经过水下电力 通信控制单元调制后 加载到电力传输线上 ， 电力 通信传输线连接到水 上控制 管缆管 汇上 ， 经 控制管缆 传输至 水下控 制管 缆终端单元后 ， 由水下控制模块将信号从电力线上 解调出来， 从而实现电力和信号的传输。每个水下 控制模块可以连接出油管压力 温度传感器、 井口压 力 温度传感器及环形空 间压力传感器 等远端设 备 ， 实现对温度 、 压力实 施监控 的功 能 。水下 控制 模块 还包 含基 于微 处 理 器 的水 下 电 子模 块 ( S E M ) ， 对 来 自主控制单元的电力载波信号进行解码 ， 从而对 水下阀门进行操作 ； 同时对水下采油树及井 口的压 力、 温度等过程参数信号进行编码后调制在电力线 上实现上传， 当发生电力 信号传输中断等意外情 况 时 ， 电力 电子模 块 会 自动 向主控 制 系统 报警 ， 提 示维修和使用备用设施 。 在电力线载波通信的调制解调方式上， 该控制 系统采用二进制频移键控 ( 2 F S K) 3 模式 ， 其 中对 于相位不 连续 的调频方 式 ， 数字 调频信 号可 以看 成 是 2 个数 字调 幅信号之 和 ， 如 图 5所示 ， 图中“ 1 ” 码 对应载波频率 _ 厂 ， “ O ” 码对应载波频率 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 苏锋等 电力 信 号传输技术在水下生产系统的应用 图 4 乐东水 下生产 系统 电力 信 号传 输原 理 ( ) - i 2 图 5 2 FSK 数 字 调 频 信 号 其调 频信 号可 以表示 为 ： P ( ) 一口 g ( t n T b ) c o s ( o o t +0 ) + g ( 一n T b ) c o s ( co 2 t +0 2 ) ( 1 ) n 一 0 1 P 1一 P c 2 。 n一 概 率为 一 ( ) 式中 g ( ) 形成滤波器的冲击脉冲响应 ； a 第 个数字信号幅度 ； n 的反 码 ； 0 ， 0 2 两个独 立振荡 的相 位 ； T 码元 间隔 ， T 一 1 f b ， f 是 码 元速 率 ， 表 示 单 位 时 间 内通 过 信 道 传 输 的信号 单元数 ， 在 二进制 中就是单 位 时 问内通过 的比特数 。 在知道载波频率 厂 和 -厂 2 后， 可以根据式( 3 ) 来 确定 信号 的带宽 ： B一 2 f b + 厂 一 l ( 3 ) 该 项 目由于是数 据 的远距离 传输 ， 所 以选用 了 2 4 k Hz的传 输 速 率 ， 同 时 载 波 频 率 分 别 设 定 为 1 5 k Hz和 1 6 k Hz ， 根据式 ( 3 ) 可以得到通 信信号 的带 宽为 5 8 k Hz 。 该系统控制信号调制和解调原理如图 6所示 。 i信号 l 儡 图 6 传 输信 号 的调制 与解调 图 6中所示滤波器均为有源滤波器 ， 其 中电力 滤波器为阻挡高频控制信号而通过低频 电力波的 带阻滤波器， 信号滤波器则是通过高频控制信号而 阻挡低 频 电力波 的带 通滤 波器 。此外 ， 从水 下控制 单元所获得的信号还需要经 由信号检测器来处理 ， 图 7给出了信号检测器的原理 图。 输 入 信 号 H H锁 相 环 卜 输 出 信 号 图 7信 号检 测器原 理 图 7中所示 检测 器不 仅包括 带通 有源 滤波器 ， 同时包括为了滤去与控制信号频率接近 的干扰频 率而具有一定门限制值的门限检波器 ， 最后还设置 了保证与输入信号同频的锁相环。 3 结 束语 S P S技术是应用于深水油田、 边际油田和区块 分散的大型油 田的开采方式 ， 满足了当今中深水域 ( 下 转第 9 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m J 告索 0 石 油 化 工 自 动 化，2 0 0 8 ，5： 9 8 AUTOM ATI ON I N PETRO CHEM I CAl I NDUS TRY 彩色广告 封面上海科 力达 自控 阀 门有 限公 司 封二 伟 业( 美 国) 有 限公 司北京 办事 处 封三 上 海恩德 斯一 豪斯 自动 化设备有 限公 司 封 底 北京科 力赛克科技 有 限公 司 前 插 1 盖米 阀 门( 上 海) 有 限公 司 2 。 3 上 海一 齐 电子有 限公 司 4 上海树诚 智能科技 有 限公 司 5 厦 门宇电 自动 化科技 有限公 司 6 北京航 天时空科技 有 限公 司 7 横 河 川仪 有限公 司 8 上海辰 竹仪表 有限公 司 9 上海横 河电机有 限公 司 1 0 重庆 市伟 岸测 器制造有 限公 司 1 1 北京 大陆力达仪表 科技 有限公 司 1 2 苏州 兰炼富士仪表 有 限公 司 1 3 德 泰斯 ( 北京) 电缆 密封技 术有 限公 司 1 4 ， 1 5 ， 1 6 ， 1 7 西 门子( 中国) 有 限公 司 1 8 天津 市协 力 自动化 工程 有限公 司 1 9 北京德 菲世 纪仪表 有 限公 司 2 0 美 国福尼 公 司北京 办事处 2 1 上 海柯普 乐 自动化 仪表 有限公 司 2 2 北京埃希 尔控制技 术有 限责任公 司 2 3 魏德米勒电联接 国际贸易( 上海) 有限公司 2 4 施 耐德 电气公 司 2 5 图尔克( 天津) 传感 器有限公 司 2 6 中国国际石 油石化技 术装备展 览会 2 7 艾默 生 高准公 司 2 8 意 大利 森斯特 北京代表 处 2 9 南京优倍 电气有 限公 司 3 0 ， 3 1 南京菲尼克斯电气有限公 司 3 2 北京凯泰汇龙机 电设备有限公 司 3 3 上海依 成克控 制 阀有 限公 司 3 4 龙飞 集 团有 限公 司 3 5 埃迈诺 冠商 贸( 上 海) 有 限公 司 3 6 美国百通有限公司北京办事处 3 7 上 海模数仪 表有 限公 司 3 8 希望森 兰科技 股份 有 限公 司 3 9 北 京利德 华福 电气技 术有 限公 司 4 O 北京民和 电气有 限公 司 中插 1 艾默 生过程控 制有 限公 司 2 浙 江 中控技 术股份 有限公 司 3 浙江 中控 自动化仪 表有 限公 司 4 天 津市 中环 温度仪表 有 限公 司 5 无锡科 士特安 全设备 有 限公 司 6 上 海威 力 巴 自控设备 有 限公 司 7 德国弗莱克森公司上海代表处 8 重庆耐得正奇流量仪表有限公 司 9 通 用电气传 感仪 器仪表 ( 上 海) 有 限公 司 1 0 威海 天诚仪表 有 限公 司 1 1 福建顺 昌虹 润精 密仪 器有 限公 司 1 2 开封仪 表有 限公 司 1 3 德和 盛 电气( 上海 ) 有限公 司 1 4 新加坡 P+F私人 有 限公 司北 京代表 处 后插 1 天 津市 中力防雷技 术有限公 司 2 。 3 阿美特 克公 司 4 北 京菲舍 波特 仪 器仪 表有 限公 司 黑 白广告 目次页 上 海树诚 智能科技 有限公 司 插页 1 欧特 艾远 东( 南京 ) 计算机 有限公 司 2 天华化 工机械及 自动化研 究设计院分析仪表所 3 深圳市华 夏盛科技 有 限公 司 4 天津 市中环温度仪 表有 限公 司 5 陕西帅克传感仪器制造有限公司 6 天华化 工 机 械 及 自动 化 研 究 设 计 院测 量 控 制 所 ( 上 接 第 3 1页 ) 边 际油 气 田多和深水油 田规模 和数 目增加 的需要 ， 中国利 用 S P S所开 发 的油 气 田越 来 越 多 ， 除 了乐 东水 下生产项 目， 还 包括工程 深水边 际油气 田的开 发典范水深 3 3 3 m 的 I F 2 2 1油田、 卫星油气 _I 开 发范例 HZ 3 2 5， 2 6 1 N油 田 ； 此外 还 有 采用多项世界新技术开发 的南海大型油气 田的成 功范例 L H4 1油 田和 具 有 7项 创 新 技 术 的 L HI 1 1油 田等 ， 其 中 S P S的 P L C技术 在 水 下 生产 系统 的运行 中起 到了至关 重要 的作 用 ， 该 技 术 一定会 为今后 在类似设 计 中更 好完成 电力 通 信 设 计 的优 化设计 奠定理论 基础 。 参考文献 ： 1 康华光 电子技术基础 ( 模拟部分) 高等教育出版社 ， 1 9 9 7 4 8 4 2 张涛 低压 电力线载波 集中抄表 系统的研究 ： 学位 论文 南 京 ： 河海大学 ， 2 0 0 0 3 殷小贡， 刘 涤尘 电力 系统通 信工程 武汉水 利 电力 大学 出版 社 ， 2 0 00 3 5 ， 3 7 4 张波 尖端科技应用于深水边 际油田的典范 中国海上 陆丰 2 2 1油田 中国石油学会海 洋石油学会 ( 三新 三化) 研 讨会 ， l 9 9 9， 1 1 5 1 38 5 李伟 在开发更加智能化、 更 加可靠 的完井系统方面的竞争 测 井技术信息 ， 2 0 0 0 ， 1 3 ( 6 ) ： 2 6 6 2 6 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m