專利名稱：電力上通信的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于供應電力和數據的電路、電力和數據供應系統(tǒng)、用于供應電力和數據的方法，以及烴類抽取設施。
背景技術：
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據通信常通過將通信數據耦合至位于臍帶式電纜中的AC電力線上得以實現，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，模擬數據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，采用電力和數據濾波器將電力波形與數據波形分離。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量可被減少。當水面井控平臺與水下設施之間的距離很長(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中提及的現有技術。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目標在于克服這些問題。該目標通過采用由調制信號控制的開關系統(tǒng)直接產生傳輸波形來實施電力上通信的系統(tǒng)而得以實現，該傳輸波形是電力波形和數據波形之和。優(yōu)選，采用由脈寬調制(PWM)信號控制的H橋電氣功率開關系統(tǒng)，并且接收的數據被數字提取。系統(tǒng)元件還便于對AC電力供應進行功率因數校正。H橋技術對于已有的變頻轉換器技術來說是眾所周知的，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計工作，因此具有標準化和模塊化的高潛力；b)更高的數據精確性，這是由于-硬件電力/數據濾波器被數字處理替代，以及-數據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的波形是AC，例如由H橋的高速脈寬調制開關產生的50Hz正弦波。但是，該H橋也用作將數據疊加 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據疊加；c)更高的電力傳輸效率，這是由于
-使用海底CPU在海底實現有源濾波以及改進功率因數校正(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
-數據幅值和數據載波頻率是可編程的；e)更高的單位體積功率系數(power per volume coefficient),這是由于-采用現代功率開關轉換技術替代變壓器，以及-消除了大體積的硬件濾波器。根據本發(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據至輸出的電路，其包括DC電力源；數據信號源；用于根據該數據信號產生調制信號的調制器；以及用于開關該DC電力的開關裝置，該開關裝置由該調制信號控制，以使得采用該開關裝置產生輸出至傳輸線的AC信號。根據本發(fā)明的第二方面，提供一種電力和數據供應系統(tǒng)，其包括根據第一方面的電路、用于接收來自開關裝置的AC信號的傳輸線，以及用于從接收自傳輸線的AC信號中提取數據的裝置。根據本發(fā)明的第三方面，提供了一種包括根據第二方面的電力和數據供應系統(tǒng)的烴類抽取設施，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信號中提取數據的裝置位于水下位置。根據本發(fā)明的第四方面，提供了一種用于供應電力和數據至共用的傳輸線的方法，其包括步驟提供DC電力至開關裝置，該開關裝置可操作來開關該DC電力；調制數據信號以根據該數字信號產生調制信號；以及采用該調制信號以控制開關裝置來產生輸出至傳輸線的AC信號。根據本發(fā)明第五方面，提供了一種用于供應電力和數據至位置的方法，包括步驟i)根據第四方面的供應電力和數據至傳輸線輸入；以及ii)從接收自該傳輸線的輸出的AC信號中提取數據。


現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，其示出了用于實現雙向通信的系統(tǒng)。水面位置，例如船、平臺、鉆探設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。如本領域已知，H橋包括被設置為橋式配置的四個功率開關元件。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也接收模擬數據輸入7，這些輸入數據為需要被傳輸至海底位置的數據。CPU 6根據數據輸入7對脈沖列22進行脈寬調制，從而產生具有連續(xù)脈沖的信號，其中脈沖寬度取決于數據輸入7。逆變器I的FET 2，3，4和5的柵極由脈沖列22驅動。進而，脈沖列22影響H橋逆變器I的開關周期，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關斷，接著該脈沖的結束觸發(fā)FET 3和4的導通，同時關斷FET 2和5。當然，同樣可應用相反的開關方案。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施。由于FET 2，3，4，和5的開關是根據數據輸入7來進行脈寬調制，來自H橋的輸出AC承載了疊加到電力信號上的數據7的信息，由此傳輸的輸出AC波形是電力波形和數據波形之和。傳輸的電壓波形是AC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備，該設備根據設施構建可被設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，數字通信數據由模擬至數字轉換器(ADC) 9從電力信號中提取。ADC 9產生并且輸出信號24，其包括電力信號波形的分量以及數字數據，其中電力信號波形的分量即電流和電壓。該信號24被饋送至設置在海底的CPU 10。CPU 10在頻域分析該波形并且提取數據信息18，接下來數據信息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波形中分離數據的數字濾波器。電流傳感器14設置在海底并且串聯在傳輸線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對之間產生規(guī)律定時的開關，從而產生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橋海底功率轉換器產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，傳輸的電流波形通常將與電壓波形不同相。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橋逆變器的脈寬調制的替代方法以將數據從井開采樹17返向水面?zhèn)鬏敗＿@由海底CPU10的另一功能實現，其將接收自井開采樹17 (尤其是來自開采樹17的SEM)的數字數據19轉換為模擬信號并且相應地調制載波信號。載波信號可例如為幅值或相位/頻率，其通過傳統(tǒng)的方式調制。調制的載波信號20被饋送至功率放大器15，其提供足夠的驅動以通過變壓器16對電力傳輸線引起幅值調制。變壓器16優(yōu)選為體積不大的設備，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制的數據信號，則由位于傳輸線水面端的水面上ADC 21將其轉換回數字信號。ADC 21輸出至CPU 6，以從載波信號中提取數據并且將“上行”數據(即從井開采樹17發(fā)送至水面位置的這些數據)和“下行”數據(即從水面位置發(fā)送至井開采樹17的這些數據)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域技術人
員是顯而易見的。例如，本領域已知的，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。另外，雖然上述實施例采用脈寬調制技術，但是也可以采用H橋的其他形式的調制。
權利要求
1.用于通過共用傳輸線供應電力和數據至輸出的電路，包括 DC電力源； 數據信號源； 用于根據數據信號產生調制信號的調制器；以及 用于開關DC電力的開關裝置，該開關裝置由調制信號控制從而使用中的開關裝置產生用于輸出至傳輸線的AC信號。
2.根據權利要求I的電路，其中調制器能操作成根據數據信號產生脈寬調制信號。
3.根據權利要求I和2中任一權利要求的電路，其中開關裝置包括H橋。
4.一種電力和數據供應系統(tǒng),包括 如權利要求I至3中任一權利要求的電路， 用于從開關裝置接收AC信號的傳輸線，以及 用于從接收自傳輸線的AC信號中提取數據的裝置。
5.根據權利要求4的系統(tǒng)，其中該數據提取裝置包括模擬至數字轉換器。
6.根據權利要求4和5中任一權利要求的系統(tǒng)，包括用于將接收到的AC信號轉換成DC信號的裝置。
7.根據權利要求6的系統(tǒng)，進一步包括用于將DC信號轉換成AC輸出的另一開關裝置。
8.根據權利要求7的系統(tǒng)，其中所述另一開關裝置包括H橋。
9.根據權利要求7和8中任一權利要求的系統(tǒng)，包括用于控制所述另一開關裝置的開關定時的控制裝置，該控制裝置能操作成采用根據接收到的AC信號的電流的定時來實現開關。
10.一種烴類抽取設施，包括如權利要求4至9中任一權利要求的電力和數據供應系統(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信號中提取數據的裝置位于水下位置。
11.一種用于供應電力和數據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該DC電力的開關裝置； 調制數據信號以根據該數據信號產生調制信號；以及 采用調制信號控制開關裝置以產生輸出至傳輸線的AC信號。
12.根據權利要求11的方法，其中調制數據的步驟包括脈寬調制數據信號。
13.根據權利要求11和12中任一權利要求的方法，其中開關裝置包括H橋。
14.一種用于供應電力和數據至位置的方法，包括步驟 i)根據權利要求11至13中任一權利要求的方法，供應電力和數據至傳輸線輸入；以及 )從接收自傳輸線的輸出的AC信號中提取數據。
15.根據權利要求14的方法，其中提取數據的步驟包括模擬至數字轉換。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力上通信的系統(tǒng)。一種電力和數據供應系統(tǒng)，包括用于通過共用傳輸線供應電力和數據至輸出的電路，該電路包括DC電力源；數據信號源；用于根據數據信號產生調制信號的調制器；以及用于開關DC電力的開關裝置，該開關裝置由調制信號控制從而使用中的開關裝置產生用于輸出至傳輸線的AC信號；用于從開關裝置接收AC信號的傳輸線，以及用于從接收自傳輸線的AC信號中提取數據的裝置。
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