基于電力線載波通信的油井通信系統(tǒng)

摘要 油田采油過(guò)程中常常需要對(duì)井下溫度和壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以充分了解井下信息。文中就此問(wèn)題提出了一種井下數(shù)據(jù)傳輸方案，該系統(tǒng)的核心是采用SSC P485擴(kuò)頻通信芯片，結(jié)合SSC P111放大芯片，利用電力線載波通信技術(shù)，通過(guò)油井中的電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)證明，該方案便于監(jiān)測(cè)人員對(duì)數(shù)據(jù)的采集和及時(shí)了解井下情況。
關(guān)鍵詞 電力線載波；擴(kuò)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(jié)構(gòu)、測(cè)試油井的工作狀態(tài)對(duì)保持資源的可持續(xù)利用有著重要的意義。測(cè)井系統(tǒng)在這些工作中有著重要的作用，其中一項(xiàng)重要的功能就是信息采集，即將井下信息采集完成，傳輸?shù)骄弦怨┓治?。針?duì)下潛泵式的抽油井，可以利用泵的供電電纜，設(shè)計(jì)一個(gè)基于電力線載波的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時(shí)將接收終端接收到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給計(jì)算機(jī)，以便監(jiān)測(cè)人員對(duì)參數(shù)進(jìn)行查詢，及時(shí)了解井下情況。
實(shí)現(xiàn)低壓電力線通信的技術(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(fù)載千變?nèi)f化，同時(shí)由于用戶用電的隨機(jī)性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(yán)重。另外電力線信道還具有復(fù)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。所以低壓電力線載波通信的主要問(wèn)題是如何解決電力線信道的噪聲對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，因此該系統(tǒng)采用擴(kuò)頻通信芯片SSC P485利用chirp擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)，針對(duì)高頻噪聲，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶通濾波器濾除帶外噪聲。另外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)電容耦合與電感耦合相結(jié)合的耦合電路，用以從工頻噪聲中分離出擴(kuò)頻信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室用1 200 m的電力線實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的成功傳輸，試驗(yàn)結(jié)果較為理想，證明了擴(kuò)頻通信能有效解決電力線上的噪聲和干擾問(wèn)題。

1 SSC技術(shù)
1．1 CEBus簡(jiǎn)介
CEBus(Consumer Electrics Bus，消費(fèi)電子總線)是EIA位消費(fèi)電子產(chǎn)品制定的一種通信和產(chǎn)品互操作性的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的家用電器設(shè)備可以即插即用，并能共同工作，實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化，CEBus采用了簡(jiǎn)化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。CEBus的物理層使用了5種不同的媒介：電力線、雙絞線、同軸電纜、射頻廣播和紅外線。CEBus是一個(gè)完全面向報(bào)文分組的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，使用載波偵聽(tīng)多重訪問(wèn)和沖突檢測(cè)與沖突分辨協(xié)議。目前，電力線是CEBus中使用最廣泛的介質(zhì)。CEBus定義了一種“公共應(yīng)用語(yǔ)言”(Common Application Language，CAL)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通訊。
1．2 CEBus的物理層通訊
電力線最初設(shè)計(jì)是用作提供電力，而不是用作進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。因而要用電力線進(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(hào)失真。鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性，CEBus在以電力線作為物理層的傳輸介質(zhì)時(shí)，采用擴(kuò)頻載波(Spectrum Spread carrier)通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)控制流。擴(kuò)頻載波通信就是用帶寬遠(yuǎn)大于發(fā)送信息所需最小頻帶寬度的信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。依據(jù)是信息論和抗干擾性理論，即香農(nóng)公式。香農(nóng)關(guān)于噪聲信道的主要結(jié)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(hào)功率。公式表明，在高斯通道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比S／N下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W保持信道容量C不變。對(duì)于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可用增大傳輸帶寬獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)頻通信技術(shù)正是利用這一理論，用高速的擴(kuò)頻碼擴(kuò)展要傳輸?shù)臄?shù)字信息的帶寬。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)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(kuò)頻通信具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力。CEBus在電力線上有4種編碼，分別是：“0”、“1”、“EOF”和“EOP”如表1所示。

1．3 SSC PL信號(hào)
SSC PL信號(hào)利用一系列短促、可自同步的掃頻Chirps信號(hào)作為載體，它代表了最基本的通信符號(hào)時(shí)間(UST)。它們都是擴(kuò)頻掃描范圍為100～400kHz的線性掃頻Chirp)信號(hào)：總是以200～400 kHz的頻率開(kāi)始，繼而以100～200 kHz的頻率結(jié)束。從203 kHz經(jīng)過(guò)19個(gè)周期線性地變?yōu)?00 kHz，再在1個(gè)周期內(nèi)變?yōu)?00 kHz，然后在5個(gè)周期中變?yōu)?03 kHz，整個(gè)時(shí)間長(zhǎng)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(hào)的線性掃描帶寬比信號(hào)帶寬要大得多，其線性加速度是較高的，而等幅振蕩波干擾的頻率加速度一般較穩(wěn)定，所以，只要將濾波器設(shè)計(jì)成只能通過(guò)具有特定角加速度的信號(hào)，就可以將等幅干擾排除在外。另外，此種Chirps波形還具有很強(qiáng)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(shè)備，可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步，從而避免了使用復(fù)雜的同步設(shè)備，降低了系統(tǒng)成本。