基于電力線(xiàn)載波技術(shù)的測(cè)井通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)﹡

杜 堅(jiān)， 彭 熙﹡﹡， 王其軍， 文翔宇， 白 翔

（①西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500；②西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，四川 成都 610500；③西南油氣田分公司，四川 成都 610400）

0 引言

在石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中時(shí)常會(huì)用測(cè)井獲取地層的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)及井身幾何特性等各種地質(zhì)信息及工程技術(shù)資料，作為油、氣井開(kāi)發(fā)的原始數(shù)據(jù)。測(cè)井的井場(chǎng)作業(yè)由地面儀器、絞車(chē)、測(cè)井電纜和井下儀器等組成。通過(guò)測(cè)井電纜把井下儀器放到井底，在提升測(cè)井電纜過(guò)程中由井下儀器完成測(cè)量，同時(shí)測(cè)井電纜還負(fù)責(zé)地面儀器與井下儀器之間的數(shù)據(jù)交互及電源供給。本系統(tǒng)基于OFDMA電力線(xiàn)載波技術(shù)，可同時(shí)完成下傳供電和上傳信號(hào)。

1 測(cè)井電纜信道分析及OFDMA技術(shù)

1.1 測(cè)井電纜信道分析

單芯測(cè)井電纜中心為一根銅質(zhì)芯線(xiàn)，最外層為鋼絲鎧裝，芯線(xiàn)與鎧裝之間是一層絕緣介質(zhì)，是一種典型的雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)。單芯鎧裝電纜作為雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)的一種，其信號(hào)傳輸特性可由傳輸線(xiàn)的特性阻抗ZC和傳輸常數(shù)γ決定[1]：

式中，衰減系數(shù)α和相移系數(shù)β分別為：

其中主要參數(shù) r：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度電纜的阻抗（Ω/m）；l：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度電纜的電感（H/m）；g：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度電纜的電導(dǎo)（S/m）；c：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度電纜的電容（F/m），分別為[2]：

式中，f（Hz）為頻率，μ（H/m）為內(nèi)外導(dǎo)體間介質(zhì)磁導(dǎo)率，μC（H/m）為導(dǎo)體磁導(dǎo)率，σ（S/m）為內(nèi)外導(dǎo)體間介質(zhì)電導(dǎo)率，σC（S/m）為導(dǎo)體電導(dǎo)率，ε（F/m）為介質(zhì)材料的介電常數(shù)，a和 b分別為內(nèi)導(dǎo)體外徑和外導(dǎo)體內(nèi)徑。

當(dāng)傳輸線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、材料和環(huán)境溫度確定，根據(jù)式（1）可以仿真出電力線(xiàn)特性阻抗隨頻率變化的曲線(xiàn)?？梢缘贸銎涮匦宰杩沟奶攸c(diǎn)：特性阻抗的模值隨頻率而變；傳輸線(xiàn)的特性阻抗一般呈容性，當(dāng)頻率很高時(shí)，由于容抗分離所占比重極小，可近似認(rèn)為傳輸線(xiàn)具有電阻性的特性阻抗。

由此，可以建立如圖1所示的單芯電纜測(cè)井通信系統(tǒng)簡(jiǎn)化信道模型，ZC為測(cè)井電纜電力線(xiàn)等效阻抗，Zf是井下儀器的等效阻抗。

圖1 單芯電纜測(cè)井通信系統(tǒng)簡(jiǎn)化信道模型

根據(jù)上述信道模型和式（2），對(duì)不帶負(fù)載和帶有負(fù)載的長(zhǎng)度為500 m、1000 m、2 000 m、3 000 m的低壓電力線(xiàn)的衰減特性分別進(jìn)行仿真研究?？芍?，信號(hào)的衰減與傳輸距離、頻率、負(fù)載有關(guān)[3]。傳輸距離越遠(yuǎn)，信號(hào)的衰減越大；信號(hào)頻率越大，衰減也越大；負(fù)載隨機(jī)變化，信號(hào)衰減也會(huì)隨機(jī)地發(fā)生變化。因此測(cè)井電纜電力載波通信信道模型和當(dāng)前電網(wǎng)載波通信信道模型類(lèi)似，可將低頻電網(wǎng)載波通信技術(shù)應(yīng)用于 測(cè)井電纜電力載波通信。

1.2 正交頻分多址OFDMA工作原理

正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）是在高噪聲信道（例如，電網(wǎng)）中大量傳送數(shù)字信息的一種主要技術(shù)。該技術(shù)是將一個(gè)信號(hào)分成多個(gè)子信號(hào)，再以不同的正交頻率進(jìn)行同步傳送。隨后，每條子信號(hào)（較小的數(shù)據(jù)流）被映射給相應(yīng)的數(shù)據(jù)子載波，并利用類(lèi)型適宜的PSK（相移鍵控）或 QAM（正交幅度調(diào)制），即 BPSK和QPSK進(jìn)行調(diào)制。除了具有較高的頻譜效率而外，OFDM系統(tǒng)還能夠減少信號(hào)傳輸中的串?dāng)_，并有效克服因多路徑引起的干擾和頻率選擇性衰減[4]。

OFDMA是OFDM技術(shù)的多用戶(hù)版本。OFDMA技術(shù)與OFDM技術(shù)相比，每個(gè)用戶(hù)可以選擇通道條件較好的子通道進(jìn)行通信，而不像OFDM技術(shù)在整個(gè)頻帶內(nèi)發(fā)送，從而保證了各種子載波都被對(duì)應(yīng)通道條件較優(yōu)的用戶(hù)使用，獲得了頻率上的多用戶(hù)分集增益，如圖2所示。

圖2 OFDM技術(shù)和OFDMA技術(shù)對(duì)比

一個(gè)OFDMA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，軟件上通常是采用離散傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，硬件上通常采用FPGA完成對(duì)信息的調(diào)制和解調(diào)，需要對(duì)發(fā)送的信息進(jìn)行擾碼、RS編碼、星座映射、QAM調(diào)制、IFFT處理和插入循環(huán)前綴等處理[5-6]。其設(shè)計(jì)的難度較大，效果不理想，從而限制了其進(jìn)一步推廣使用。本設(shè)計(jì)采用Semitech半導(dǎo)體公司的SM2200芯片，僅需要MCU通過(guò)SPI配置其寄存器即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的OFDMA通信，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由地面儀器、地面通信接口模塊、單芯電纜、井下通信接口模塊、井下儀器組成。地面儀器經(jīng)地面通信接口模塊，通過(guò)電力線(xiàn)載波的串行通信方式經(jīng)單芯電纜發(fā)送、接收數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下儀器的監(jiān)控。只有地面通信接口模塊與井下通信接口模塊成功握手，井下儀器才執(zhí)行收到的指令和操作。同時(shí)井下儀器完成對(duì)井下數(shù)據(jù)的采樣及處理，并將相應(yīng)信息數(shù)據(jù)包通過(guò)電力線(xiàn)載波反饋至地面儀器，以此充分了解井下信息。整個(gè)系統(tǒng)如圖3所示。

發(fā)送信號(hào)過(guò)程：地面儀器或井下儀器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)送入各自的通信接口模塊，ATmega16單片機(jī)完成數(shù)據(jù)信號(hào)的接收、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)在SM2200內(nèi)進(jìn)行調(diào)制后，輸出已調(diào)信號(hào)。經(jīng)功率放大器放大后，耦合進(jìn)入測(cè)井單芯電纜電力線(xiàn)。

圖3 基于電力線(xiàn)OFDMA載波技術(shù)的單芯測(cè)井電纜通信系統(tǒng)

接收信號(hào)過(guò)程：由測(cè)井單芯電纜電力線(xiàn)傳來(lái)的信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)電力線(xiàn)耦合進(jìn)入接收電路，將信號(hào)調(diào)理后，在SM2200內(nèi)部完成解調(diào)處理，得到原始數(shù)據(jù)，再經(jīng)單片機(jī)送至地面儀器或井下儀器。

（1）主控制器。本系統(tǒng)采用的是ATMEL公司的ATmega16單片機(jī)，這是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期的指令執(zhí)行時(shí)間，使它的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz。

ATmega16有豐富的外設(shè)，包括兩個(gè)可編程的串行USART、可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口、JTAG接口以及多達(dá) 21種中斷源，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，其工作溫度為-55～+125℃，能確保它在深度小于3 500 m的油井中正常工作。

（2）SM2200。SM2200是Semitech半導(dǎo)體公司推出的業(yè)界首款基于OFDMA技術(shù)的電力線(xiàn)載波通信芯片。它內(nèi)置了一個(gè)具備簡(jiǎn)單物理層通信協(xié)議的完整數(shù)據(jù)包調(diào)制解調(diào)器，采用 18個(gè)載波通道、54個(gè)子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7]，每個(gè)載波通道的工作頻率和調(diào)制方式可由微控制器通過(guò)SPI接口編程控制。本系統(tǒng)采用它實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)及收發(fā)。

SM2200的載波頻率為5～500 kHz，調(diào)制方式包括BPSK-1、BPSK-3、QPSK。它通過(guò)先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，不僅解決了速率的自適應(yīng)調(diào)整問(wèn)題，還能夠?qū)崿F(xiàn)“頻率捷變”?？筛鶕?jù)不同的噪聲環(huán)境，自動(dòng)選擇最高效率的傳輸頻率。并且采用了多址架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)并發(fā)通信。

它的設(shè)計(jì)兼顧電力線(xiàn)載波通信的高速和高可靠性，在電力線(xiàn)上噪聲和衰減小的時(shí)候，采用18個(gè)信道分別傳送18組不同的數(shù)據(jù)，并采用QPSK調(diào)制方式，以獲取最高達(dá)175 kb/s的通信速率；相反，當(dāng)電力線(xiàn)上噪聲和衰減大的時(shí)候，采用18個(gè)信號(hào)傳送同一組數(shù)據(jù)，采用BPSK-1調(diào)制模式，以獲得最大的可靠性。同時(shí),SM2200還具有傳輸功率自動(dòng)調(diào)校和錯(cuò)誤自動(dòng)糾正功能。

（3）輸出信號(hào)放大及濾波電路。功率放大電路主要是將SM2200芯片產(chǎn)生的載波調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行功率放大后輸出到耦合電路中。載波信號(hào)由SM2200芯片11腳輸出后，通過(guò)其集成的運(yùn)放先一級(jí)放大，再經(jīng)過(guò)運(yùn)放OPA564進(jìn)行二級(jí)放大，最后通過(guò)電感和電容完成整形濾波后輸出到耦合電路。電路如圖4所示。

圖4 輸出信號(hào)放大及濾波電路

（4）耦合電路。耦合電路主要由安規(guī)電容和耦合線(xiàn)圈構(gòu)成。耦合變壓器T1和電源模塊中的電源變壓器T2串聯(lián)工作，使T1上的電壓是安全電壓。由于低壓電網(wǎng)的工頻（50 Hz）和本系統(tǒng)采用的載波頻率（50～500 kHz）至少相差1000倍，因此安規(guī)電容和耦合線(xiàn)圈原邊電感對(duì)這兩種頻率信號(hào)的阻抗各不相同。對(duì)于工頻信號(hào)，安規(guī)電容的阻抗遠(yuǎn)大于線(xiàn)圈原邊電感的阻抗，所以安規(guī)電容承擔(dān)了電力線(xiàn)上的交流電壓；對(duì)于SM2200輸出的信號(hào)，線(xiàn)圈原邊電感的阻抗遠(yuǎn)大于安規(guī)電容的阻抗，所以系統(tǒng)信號(hào)幾乎都加在了耦合線(xiàn)圈上。該電路能把工頻信號(hào)與SM2200輸出的系統(tǒng)信號(hào)疊加和分離開(kāi)來(lái)。為了在電力線(xiàn)瞬間高壓的情況下起到保護(hù)系統(tǒng)的作用，電路中加入壓敏電阻；而瞬態(tài)抑制二極管采用的是SMBJ7.0CA，最大雙向鉗位為 12 V，對(duì)電路的進(jìn)行浪涌保護(hù)。

（5）接收信號(hào)調(diào)理電路。接收信號(hào)調(diào)理電路主要由 SM2200內(nèi)置的 AGC和運(yùn)放、NPN型晶體管BCB847B和諧振回路組成。它們從耦合電路輸入的信號(hào)進(jìn)行選頻、去噪處理，再將調(diào)理后的有效信號(hào)放大并送入SM2200解調(diào)。電路如圖5所示。

圖5 接收信號(hào)調(diào)理電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并全部采用模塊化編程。該部分的軟件編程中，地面通信接口模塊與井下通信接口模塊的軟件實(shí)現(xiàn)是重點(diǎn)。

地面接口模塊要求單片機(jī)接收、轉(zhuǎn)發(fā)地面儀器的數(shù)據(jù)信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)SM2200調(diào)制發(fā)往井下儀器的數(shù)據(jù)信號(hào)和解調(diào)從測(cè)井電纜中收到的信號(hào)。軟件系統(tǒng)流程圖，如圖 6（a）所示。井下通信接口模塊要求單片機(jī)接收、轉(zhuǎn)發(fā)井下儀器的數(shù)據(jù)信號(hào)，并驅(qū)動(dòng) SM2200調(diào)制發(fā)往地面儀器的數(shù)據(jù)信號(hào)和解調(diào)從測(cè)井電纜中收到的信號(hào)。軟件系統(tǒng)流程圖，如圖6（b）所示。

圖6 軟件流程

3 結(jié)語(yǔ)

隨著通信技術(shù)和大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，電力線(xiàn)OFDMA載波通信系統(tǒng)將日趨完善，以其高效的頻譜利用率，優(yōu)質(zhì)的性能和靈活的參數(shù)配置，已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。將電力線(xiàn)OFDMA載波通信技術(shù)運(yùn)用于測(cè)井電纜通信系統(tǒng)中，可提高通信穩(wěn)定性，提升數(shù)據(jù)傳輸速率（數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)175 kb/s）和降低設(shè)備成本。該通信技術(shù)以其高數(shù)據(jù)傳輸速率、高穩(wěn)定性和強(qiáng)抗噪聲性能足以滿(mǎn)足測(cè)井通信工程要求。

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