基于電力線(xiàn)載波通信的油井通信系統

摘要 油田采油過(guò)程中常常需要對井下溫度和壓力等參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，以充分了解井下信息。文中就此問(wèn)題提出了一種井下數據傳輸方案，該系統的核心是采用SSC P485擴頻通信芯片，結合SSC P111放大芯片，利用電力線(xiàn)載波通信技術(shù)，通過(guò)油井中的電力線(xiàn)實(shí)現數據傳輸。實(shí)驗證明，該方案便于監測人員對數據的采集和及時(shí)了解井下情況。
關(guān)鍵詞 電力線(xiàn)載波；擴頻通信；SSC P485

在石油資源勘探和開(kāi)采過(guò)程中，探明油層的地質(zhì)結構、測試油井的工作狀態(tài)對保持資源的可持續利用有著(zhù)重要的意義。測井系統在這些工作中有著(zhù)重要的作用，其中一項重要的功能就是信息采集，即將井下信息采集完成，傳輸到井上以供分析。針對下潛泵式的抽油井，可以利用泵的供電電纜，設計一個(gè)基于電力線(xiàn)載波的遠程監控系統，用以實(shí)現遠程數據的采集和傳輸，同時(shí)將接收終端接收到的數據及時(shí)傳遞給計算機，以便監測人員對參數進(jìn)行查詢(xún)，及時(shí)了解井下情況。
實(shí)現低壓電力線(xiàn)通信的技術(shù)難點(diǎn)之一是解決噪聲干擾問(wèn)題，由于低壓電力網(wǎng)上的負載千變萬(wàn)化，同時(shí)由于用戶(hù)用電的隨機性，導致網(wǎng)絡(luò )負載處在不停的變化之中，具有較大的時(shí)變性，而且它們還會(huì )因地點(diǎn)的變化而變化，因此網(wǎng)絡(luò )干擾嚴重。另外電力線(xiàn)信道還具有復雜的噪聲，包活背景噪聲、突發(fā)性噪聲、非同步噪聲、同步噪聲等。另一方面是電力線(xiàn)上存在固有的工頻噪聲，即100 Hz噪聲干擾，而且其幅值比背景噪聲大許多。所以低壓電力線(xiàn)載波通信的主要問(wèn)題是如何解決電力線(xiàn)信道的噪聲對信號傳輸的干擾，因此該系統采用擴頻通信芯片SSC P485利用chirp擴頻通信技術(shù)實(shí)現信號的收發(fā)，針對高頻噪聲，設計了一個(gè)帶通濾波器濾除帶外噪聲。另外，還設計了一個(gè)電容耦合與電感耦合相結合的耦合電路，用以從工頻噪聲中分離出擴頻信號。在實(shí)驗室用1 200 m的電力線(xiàn)實(shí)現了數據的成功傳輸，試驗結果較為理想，證明了擴頻通信能有效解決電力線(xiàn)上的噪聲和干擾問(wèn)題。

1 SSC技術(shù)
1．1 CEBus簡(jiǎn)介
CEBus(Consumer Electrics Bus，消費電子總線(xiàn))是EIA位消費電子產(chǎn)品制定的一種通信和產(chǎn)品互操作性的標準，該標準定義了在家用電器之間通信所使用的通信介質(zhì)和協(xié)議，使得遵循同樣標準的家用電器設備可以即插即用，并能共同工作，實(shí)現家庭自動(dòng)化，CEBus采用了簡(jiǎn)化的OSI模型，分為物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。CEBus的物理層使用了5種不同的媒介：電力線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、同軸電纜、射頻廣播和紅外線(xiàn)。CEBus是一個(gè)完全面向報文分組的對等網(wǎng)絡(luò )，使用載波偵聽(tīng)多重訪(fǎng)問(wèn)和沖突檢測與沖突分辨協(xié)議。目前，電力線(xiàn)是CEBus中使用最廣泛的介質(zhì)。CEBus定義了一種“公共應用語(yǔ)言”(Common Application Language，CAL)來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )設備的通訊。
1．2 CEBus的物理層通訊
電力線(xiàn)最初設計是用作提供電力，而不是用作進(jìn)行數據通信。因而要用電力線(xiàn)進(jìn)行通信就要面臨高噪聲、高衰減和可變阻抗等造成的信號失真。鑒于家庭中電力線(xiàn)載波通訊的特殊性，CEBus在以電力線(xiàn)作為物理層的傳輸介質(zhì)時(shí)，采用擴頻載波(Spectrum Spread carrier)通訊來(lái)實(shí)現控制流。擴頻載波通信就是用帶寬遠大于發(fā)送信息所需最小頻帶寬度的信號傳輸數據。依據是信息論和抗干擾性理論，即香農公式。香農關(guān)于噪聲信道的主要結論是：任何帶寬為WHz，信噪比為S／N的信道，其最大傳輸速率

式(1)中，C為最大傳輸速率；N為噪聲功率；W為帶寬；S為信號功率。公式表明，在高斯通道中當傳輸系統的信號噪聲功率比S／N下降時(shí)，可用增加系統傳輸帶寬W保持信道容量C不變。對于任意給定的信號噪聲功率比，可用增大傳輸帶寬獲得較低的信息差錯率。擴頻通信技術(shù)正是利用這一理論，用高速的擴頻碼擴展要傳輸的數字信息的帶寬。擴頻通信系統的帶寬比常規的通信體制大幾百至幾千倍。所以在相同的信噪比條件下，擴頻通信具有較強的抗噪聲干擾能力。CEBus在電力線(xiàn)上有4種編碼，分別是：“0”、“1”、“EOF”和“EOP”如表1所示。

1．3 SSC PL信號
SSC PL信號利用一系列短促、可自同步的掃頻Chirps信號作為載體，它代表了最基本的通信符號時(shí)間(UST)。它們都是擴頻掃描范圍為100～400kHz的線(xiàn)性?huà)哳lChirp)信號：總是以200～400 kHz的頻率開(kāi)始，繼而以100～200 kHz的頻率結束。從203 kHz經(jīng)過(guò)19個(gè)周期線(xiàn)性地變?yōu)?00 kHz，再在1個(gè)周期內變?yōu)?00 kHz，然后在5個(gè)周期中變?yōu)?03 kHz，整個(gè)時(shí)間長(cháng)度為100μs，也就是1個(gè)UST(Unit Symble Time)，其波形如圖1所示。由于Chirps信號的線(xiàn)性?huà)呙鑾挶刃盘枎捯蟮枚?，其線(xiàn)性加速度是較高的，而等幅振蕩波干擾的頻率加速度一般較穩定，所以，只要將濾波器設計成只能通過(guò)具有特定角加速度的信號，就可以將等幅干擾排除在外。另外，此種Chirps波形還具有很強的自相關(guān)特性，這種模糊邏輯的相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò )上的設備，可以同時(shí)識別從網(wǎng)上任意設備發(fā)出的這種獨特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設備間進(jìn)行同步，從而避免了使用復雜的同步設備，降低了系統成本。