專利名稱：電力上通信的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于供應電力和數(shù)據(jù)的電路、電力和數(shù)據(jù)供應系統(tǒng)、用于供應電力和數(shù)據(jù)的方法，以及烴類抽取設(shè)施。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，在水面位置(被稱為“水面上”)與例如為海底流體抽取井的水下裝備之間的數(shù)據(jù)通信常通過將通信數(shù)據(jù)耦合至位于臍帶式電纜中的AC電力線上得以實現(xiàn)，該AC電力線用于為井海底開采樹的控制系統(tǒng)提供電力。在這樣的系統(tǒng)中，模擬數(shù)據(jù)波形在臍帶式電纜的一端疊加在AC電力波形上，并且在另一端，采用電力和數(shù)據(jù)濾波器將電力波形與數(shù)據(jù)波形分離。通過該方法，考慮到通信和電力線組合在一起而不再要求專門的通信和電力線，因此臍帶式電纜中線的數(shù)量可被減少。當水面井控平臺與水下設(shè)施之間的距離很長(即，幾十英里或更長)時，采用這樣的電力上通信(COP)的系統(tǒng)是很普遍的，因為其節(jié)約了臍帶式電纜中的銅從而極大減小了成本。但是，存在一個問題，目前系統(tǒng)中采用的硬件濾波器需要對每個新的海底控制系統(tǒng)的需求進行重新設(shè)計。同時，這些濾波器并不精確，由于需要處理大的功率，因此其為空間密集型，并且它們會帶來失真、噪音以及功率損耗。例如，在US4398178，W000/46923, EP2104240, GB2441811, W02004/028064,US4173714以及EP0463341中提及的現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標在于克服這些問題。該目標通過采用由調(diào)制信號控制的開關(guān)系統(tǒng)直接產(chǎn)生傳輸波形來實施電力上通信的系統(tǒng)而得以實現(xiàn)，該傳輸波形是電力波形和數(shù)據(jù)波形之和。優(yōu)選，采用由脈寬調(diào)制(PWM)信號控制的H橋電氣功率開關(guān)系統(tǒng)，并且接收的數(shù)據(jù)被數(shù)字提取。系統(tǒng)元件還便于對AC電力供應進行功率因數(shù)校正。H橋技術(shù)對于已有的變頻轉(zhuǎn)換器技術(shù)來說是眾所周知的，但是將之應用到COP系統(tǒng)中，并且采用脈寬調(diào)制，以作為大體積模擬濾波器的使用替代，這是具有創(chuàng)新性的。本發(fā)明的優(yōu)點更具體來說，本發(fā)明具有多種優(yōu)點，包括a)因為不同于已有的系統(tǒng)，對于新的應用來說不再需要新的硬件設(shè)計工作，因此具有標準化和模塊化的高潛力；b)更高的數(shù)據(jù)精確性，這是由于-硬件電力/數(shù)據(jù)濾波器被數(shù)字處理替代，以及-數(shù)據(jù)波形列可在最合適的無噪音的位置(例如，在電壓過零點)以最優(yōu)的載波頻率和幅值的選擇被插入到電力波形中。電源是DC，但是沿臍帶式電纜向下傳輸?shù)牟ㄐ问茿C，例如由H橋的高速脈寬調(diào)制開關(guān)產(chǎn)生的50Hz正弦波。但是，該H橋也用作將數(shù)據(jù)疊加 至該AC波形上，并且因此例如可被控制為在AC波形的過零點進行數(shù)據(jù)疊加；c)更高的電力傳輸效率，這是由于
-使用海底CPU在海底實現(xiàn)有源濾波以及改進功率因數(shù)校正(PFC)，-該系統(tǒng)提供可編程水面上電力波形以抵消由電纜引起的臍帶式電纜諧波失真效應，以及-該系統(tǒng)消除了電力損耗，而在已有COP系統(tǒng)的硬件濾波器中，電力損耗極大；d)高功能靈活性，這是由于-電力幅值和電力頻率都是可編程的，以及
-數(shù)據(jù)幅值和數(shù)據(jù)載波頻率是可編程的；e)更高的單位體積功率系數(shù)(power per volume coefficient),這是由于-采用現(xiàn)代功率開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)替代變壓器，以及-消除了大體積的硬件濾波器。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于通過共用的傳輸線供應電力和數(shù)據(jù)至輸出的電路，其包括DC電力源；數(shù)據(jù)信號源；用于根據(jù)該數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生調(diào)制信號的調(diào)制器；以及用于開關(guān)該DC電力的開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置由該調(diào)制信號控制，以使得采用該開關(guān)裝置產(chǎn)生輸出至傳輸線的AC信號。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種電力和數(shù)據(jù)供應系統(tǒng)，其包括根據(jù)第一方面的電路、用于接收來自開關(guān)裝置的AC信號的傳輸線，以及用于從接收自傳輸線的AC信號中提取數(shù)據(jù)的裝置。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種包括根據(jù)第二方面的電力和數(shù)據(jù)供應系統(tǒng)的烴類抽取設(shè)施，其中該電路位于水面位置，傳輸線位于連接在水面位置和水下位置之間的臍帶式電纜中，以及用于從接收自傳輸線的AC信號中提取數(shù)據(jù)的裝置位于水下位置。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種用于供應電力和數(shù)據(jù)至共用的傳輸線的方法，其包括步驟提供DC電力至開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置可操作來開關(guān)該DC電力；調(diào)制數(shù)據(jù)信號以根據(jù)該數(shù)字信號產(chǎn)生調(diào)制信號；以及采用該調(diào)制信號以控制開關(guān)裝置來產(chǎn)生輸出至傳輸線的AC信號。根據(jù)本發(fā)明第五方面，提供了一種用于供應電力和數(shù)據(jù)至位置的方法，包括步驟i)根據(jù)第四方面的供應電力和數(shù)據(jù)至傳輸線輸入；以及ii)從接收自該傳輸線的輸出的AC信號中提取數(shù)據(jù)。


現(xiàn)在將參考附圖對本發(fā)明進行描述，其中圖I示意圖示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)；以及圖2示意圖示出H橋逆變器配置。
具體實施方式
圖I和2中示 意地圖示出了本發(fā)明的第一實施例，其示出了用于實現(xiàn)雙向通信的系統(tǒng)。水面位置，例如船、平臺、鉆探設(shè)備或海岸站被圖示為“水面上”，而水下位置，例如海床烴類抽取井或裝備被圖示為“海底”。在水面位置，被發(fā)送至海底位置的電力和通信分量被分別提供。DC電力被供應至H橋逆變器I。如本領(lǐng)域已知，H橋包括被設(shè)置為橋式配置的四個功率開關(guān)元件。H橋逆變器I在圖2中被更詳細的示出，其包括作為功率開關(guān)元件的功率場效應晶體管(FET) 2，3，4以及5，其被連接為橋式配置。CPU 6也接收模擬數(shù)據(jù)輸入7，這些輸入數(shù)據(jù)為需要被傳輸至海底位置的數(shù)據(jù)。CPU 6根據(jù)數(shù)據(jù)輸入7對脈沖列22進行脈寬調(diào)制，從而產(chǎn)生具有連續(xù)脈沖的信號，其中脈沖寬度取決于數(shù)據(jù)輸入7。逆變器I的FET 2，3，4和5的柵極由脈沖列22驅(qū)動。進而，脈沖列22影響H橋逆變器I的開關(guān)周期，由此，例如，在逆變器I處接收的脈沖觸發(fā)周期的開始，在該點FET 2和5導通以及FET3和4關(guān)斷，接著該脈沖的結(jié)束觸發(fā)FET 3和4的導通，同時關(guān)斷FET 2和5。當然，同樣可應用相反的開關(guān)方案。在任何情況下，通過在H橋逆變器I處接收到的脈沖列22的每個脈沖則重復該周期，由此，逆變器I產(chǎn)生AC輸出。該AC輸出饋送至傳輸線8，典型地該傳輸線8被容納入臍帶式電纜中，其從水面位置引導至海底設(shè)施。由于FET 2，3，4，和5的開關(guān)是根據(jù)數(shù)據(jù)輸入7來進行脈寬調(diào)制，來自H橋的輸出AC承載了疊加到電力信號上的數(shù)據(jù)7的信息，由此傳輸?shù)妮敵鯝C波形是電力波形和數(shù)據(jù)波形之和。傳輸?shù)碾妷翰ㄐ问茿C正弦波，例如在50Hz左右。電流波形也可以是大約正弦的(但由于元件的電流抑制而不是“純”正弦波，元件例如是在用戶電源中的半導體整流器，例如在開采樹的海底電子模塊(“SEM”-未示出)中的電源單元)，但是由于用戶的電感(例如SEM中的變壓器)而與電壓不同相。傳輸線8的海底端被連接至設(shè)備，該設(shè)備根據(jù)設(shè)施構(gòu)建可被設(shè)置在例如井開采樹上，或者當為多井復合體的情況下位于臍帶式電纜終端組件(UTA)處。在任何情況中，數(shù)字通信數(shù)據(jù)由模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 9從電力信號中提取。ADC 9產(chǎn)生并且輸出信號24，其包括電力信號波形的分量以及數(shù)字數(shù)據(jù)，其中電力信號波形的分量即電流和電壓。該信號24被饋送至設(shè)置在海底的CPU 10。CPU 10在頻域分析該波形并且提取數(shù)據(jù)信息18，接下來數(shù)據(jù)信息18被發(fā)送至井開采樹17上的所需目的地。由此可以看出CPU 10有效用作從接收到的AC波形中分離數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波器。電流傳感器14設(shè)置在海底并且串聯(lián)在傳輸線8的海底端和整流單元11之間從而感測接收自傳輸線8的信號的電流波形，并且將之饋送至CPU 10，其將在下面進行描述。在臍帶式電纜8的海底端的AC電力在整流單元11中被整流以提供DC輸出。該DC輸出接下來被饋送至海底H橋逆變器12，其采用與圖2中所示類似的形式。該H橋逆變器12由海底CPU 10控制以在FET對之間產(chǎn)生規(guī)律定時的開關(guān)，從而產(chǎn)生AC電力供應13，其輸出至井采油樹17。CPU 10的另一功能是將電力波形分解為其諧波，電力波形即電流和電壓。通過控制由H橋海底功率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓波形相對于傳輸線8中電流的定時，即，相位，該諧波含量被用于應用功率因數(shù)校正(PFC)，其中傳輸線8中的電流由電流傳感器14感測。如上所述，傳輸?shù)碾娏鞑ㄐ瓮ǔ⑴c電壓波形不同相。雖然這使得電力傳遞有些低效，但是CPU10的功率因數(shù)校正可以最小化該問題。電力供應13可進一步模塊化以達到井開采樹設(shè)備滿意操作的要求。
由于電功率僅在一個方向上傳輸，即，從水面DC電力源朝向海底井開米樹17,需要H橋逆變器的脈寬調(diào)制的替代方法以將數(shù)據(jù)從井開采樹17返向水面?zhèn)鬏?。這由海底CPU10的另一功能實現(xiàn)，其將接收自井開采樹17 (尤其是來自開采樹17的SEM)的數(shù)字數(shù)據(jù)19轉(zhuǎn)換為模擬信號并且相應地調(diào)制載波信號。載波信號可例如為幅值或相位/頻率，其通過傳統(tǒng)的方式調(diào)制。調(diào)制的載波信號20被饋送至功率放大器15，其提供足夠的驅(qū)動以通過變壓器16對電力傳輸線引起幅值調(diào)制。變壓器16優(yōu)選為體積不大的設(shè)備，并且可包括在繞線筒上的多圈初級繞組，電力線穿過繞線筒。一旦在水面位置處接收到調(diào)制的數(shù)據(jù)信號，則由位于傳輸線水面端的水面上ADC 21將其轉(zhuǎn)換回數(shù)字信號。ADC 21輸出至CPU 6，以從載波信號中提取數(shù)據(jù)并且將“上行”數(shù)據(jù)(即從井開采樹17發(fā)送至水面位置的這些數(shù)據(jù))和“下行”數(shù)據(jù)(即從水面位置發(fā)送至井開采樹17的這些數(shù)據(jù))一起多路復用。上述實施例僅為示例，處于本發(fā)明范圍中的其他可能以及替代對于本領(lǐng)域技術(shù)人
員是顯而易見的。例如，本領(lǐng)域已知的，H橋可由除FET之外的器件，例如絕緣柵極雙向晶體管(IGBT)實現(xiàn)。另外，雖然上述實施例采用脈寬調(diào)制技術(shù)，但是也可以采用H橋的其他形式的調(diào)制。
權(quán)利要求
1.用于通過共用傳輸線供應電力和數(shù)據(jù)至輸出的電路，包括 DC電力源； 數(shù)據(jù)信號源； 用于根據(jù)數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生調(diào)制信號的調(diào)制器；以及 用于開關(guān)DC電力的開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置由調(diào)制信號控制從而使用中的開關(guān)裝置產(chǎn)生用于輸出至傳輸線的AC信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的電路，其中調(diào)制器能操作成根據(jù)數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2中任一權(quán)利要求的電路，其中開關(guān)裝置包括H橋。
4.一種電力和數(shù)據(jù)供應系統(tǒng),包括 如權(quán)利要求I至3中任一權(quán)利要求的電路， 用于從開關(guān)裝置接收AC信號的傳輸線，以及 用于從接收自傳輸線的AC信號中提取數(shù)據(jù)的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中該數(shù)據(jù)提取裝置包括模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，包括用于將接收到的AC信號轉(zhuǎn)換成DC信號的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，進一步包括用于將DC信號轉(zhuǎn)換成AC輸出的另一開關(guān)裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述另一開關(guān)裝置包括H橋。
9.根據(jù)權(quán)利要求7和8中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，包括用于控制所述另一開關(guān)裝置的開關(guān)定時的控制裝置，該控制裝置能操作成采用根據(jù)接收到的AC信號的電流的定時來實現(xiàn)開關(guān)。
10.一種烴類抽取設(shè)施，包括如權(quán)利要求4至9中任一權(quán)利要求的電力和數(shù)據(jù)供應系統(tǒng)，其中該電路位于水面位置，該傳輸線位于在水面位置和水下位置之間連接的臍帶式電纜中，并且 所述用于從接收自傳輸線的AC信號中提取數(shù)據(jù)的裝置位于水下位置。
11.一種用于供應電力和數(shù)據(jù)至共用傳輸線的方法，包括步驟 提供DC電力至能操作成開關(guān)該DC電力的開關(guān)裝置； 調(diào)制數(shù)據(jù)信號以根據(jù)該數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生調(diào)制信號；以及 采用調(diào)制信號控制開關(guān)裝置以產(chǎn)生輸出至傳輸線的AC信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中調(diào)制數(shù)據(jù)的步驟包括脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求11和12中任一權(quán)利要求的方法，其中開關(guān)裝置包括H橋。
14.一種用于供應電力和數(shù)據(jù)至位置的方法，包括步驟 i)根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一權(quán)利要求的方法，供應電力和數(shù)據(jù)至傳輸線輸入；以及 )從接收自傳輸線的輸出的AC信號中提取數(shù)據(jù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中提取數(shù)據(jù)的步驟包括模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力上通信的系統(tǒng)。一種電力和數(shù)據(jù)供應系統(tǒng)，包括用于通過共用傳輸線供應電力和數(shù)據(jù)至輸出的電路，該電路包括DC電力源；數(shù)據(jù)信號源；用于根據(jù)數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生調(diào)制信號的調(diào)制器；以及用于開關(guān)DC電力的開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置由調(diào)制信號控制從而使用中的開關(guān)裝置產(chǎn)生用于輸出至傳輸線的AC信號；用于從開關(guān)裝置接收AC信號的傳輸線，以及用于從接收自傳輸線的AC信號中提取數(shù)據(jù)的裝置。
文檔編號H04B3/54GK102647207SQ201210091970
公開日2012年8月22日 申請日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者S·普基亞努 申請人:韋特柯格雷控制系統(tǒng)有限公司