水下生產控制系統的電力載波通信綜述

左 信，胡意茹，王 玨，朱春麗，田 佳

[1. 中國石油大學(北京)自動化系，北京 102249；2. 中海油研究總院，北京 100027]

水下生產控制系統的電力載波通信綜述

左 信1，胡意茹1，王 玨2，朱春麗2，田 佳2

[1. 中國石油大學(北京)自動化系，北京 102249；2. 中海油研究總院，北京 100027]

目前水下生產系統已經成為開發海洋油氣資源的主流模式，其中水下生產控制系統是水下生產系統的關鍵組成部分。水下電力載波通信作為水下生產控制系統的主要通信方式之一，其發展水平直接影響油氣田開發的安全穩定和成本。首先介紹了水下復合電液控制系統中電力載波通信的基本原理，總結了國際標準化技術委員會ISO/TC 67、智能井接口標準(IWIS)和水下儀器接口標準(SIIS)等組織對水下電力載波通信技術的促進作用。其次，從傳輸速率、通信距離等技術指標的角度，回顧了各水下項目中電力載波通信技術的發展歷史。最后，從臍帶纜電纜特殊性、系統拓撲結構不確定性和水下增壓設備電磁干擾等方面分析了水下環境為電力載波技術帶來的特殊挑戰。

海洋油氣資源開發； 水下生產控制系統； 復合電液控制； 水下電力載波通信； 智能井接口標準

0 引 言

自1947年美國科麥奇公司在墨西哥灣水域成功實施世界第一口水下完井作業以來[1]，隨著科學技術的進步和人類對海洋石油資源認知水平的不斷提高，海洋油氣勘探開發從淺海海域逐漸向中深海域(100～500 m)、深海(500～1 500 m)甚至超深海(1 500 m以上)發展[2]。相比于陸上石油開采，海洋石油開采更加復雜，需要達到的技術水平也更高。水下生產系統以其顯著的技術優勢和可觀的經濟效益得到廣泛關注和應用，已經成為開發海洋油氣資源的主流模式，具有廣闊的發展前景，并將主導未來海洋油氣資源的開發。水下生產系統通過水下井口、水下采油樹、跨接管、水下管匯或水下分離增壓設備等，將油氣井生產的油氣混合物送至較遠的處理平臺或岸上油氣處理廠，實現海上油氣田的開發，特別適用于深水、超深水、惡劣海況或離岸較遠的油氣田的開發。

水下生產控制系統是水下生產系統的重要組成部分。它實時采集油氣藏的生產數據，監測水下生產系統的工作狀況，對異常情況進行監控、報警，從而保證海洋油氣田長期、穩定、安全地生產。水下生產控制系統的發展經歷了直接液壓控制、先導液壓控制、順序液壓控制、直接電液控制和復合電液控制等幾個重要階段[3]。其中復合電液控制是目前的主流控制方式，尤其適用于深水、大型油氣田的開發。20世紀末，國外幾家主流的水下裝備供應商開始研發水下全電控制技術[4-6]。此外，為滿足邊際油田的開發需求，又相繼提出了水下自治控制系統和集成浮漂控制系統[3]。

穩定可靠的通信是水下生產狀態信息準確采集、傳輸，海上石油、天然氣安全生產的前提和保障。水下通信系統已經成為影響油氣田開發成本和水下控制系統使用周期的關鍵因素。根據信號傳播方式的不同，水上與水下設備之間的通信可以分為有線通信和無線通信。按照信號是否需要在臍帶纜中敷設獨立的通信線纜，水下有線通信又可以分為光纖通信和電力載波通信[7]。無線通信則主要包括聲納通信和微波擴頻通信[7-8]，衛星通信也已經成為平臺與平臺、平臺與陸地終端之間的主要通信方式。電力載波通信技術由于將信號直接加載到電力傳輸線上，可以實現電力與通信數據同線傳輸，能極大地減小臍帶纜的橫截面積、減輕臍帶纜的重量，從而延長了鋪設距離、節約了成本，因此獲得行業的廣泛關注和發展，已經成為水下生產控制系統的主要通信方式之一。

1 水下控制系統的電力載波通信基本原理

1.1 復合電液控制系統

隨著深水油氣田的大范圍開發，油氣田區塊呈現開發范圍大、開發環境溫度低、產出液溫度/壓力高、不同井口流體溫度壓力差異大等特點。此外，同一井口不同生產階段的流體特性也不盡相同，并且深水維修安裝作業費用高。直接液壓控制、先導液壓控制、順序液壓控制和直接電液控制系統使用受限，開發深水資源面臨新的挑戰。為更好地滿足深水大區塊油氣田開發的控制要求，復合電液控制系統應運而生。它采用先進的數字復用技術，實現了真正的遙測和遙控，為智能化綜合管理提供了可能。

復合電液控制系統的水上設備有液壓動力單元、電力單元、不間斷單元、主控站和水上臍帶纜終端等。水下設備包括臍帶纜、水下控制模塊(SCM)、水下分配單元(SDU)、電力飛線和液壓飛線等[9]。圖1為水下復合電液控制系統工作原理示意圖。主控站通過臍帶纜控制安裝在水下采油樹或管匯上的水下控制模塊，實現上行生產數據采集和下行控制信號傳輸。水下控制模塊的上行信號用于遙測大量水下數據如壓力、溫度、閥門狀態等，下行信號則用于快速地控制水下電磁執行機構，這些電磁執行機構又進一步將液壓放大驅動液壓閥門和油嘴。復合電液控制系統采用多路電氣控制技術，減少了導線數量，簡化了水下電路連接，大大降低了控制臍帶纜成本，具有控制距離長、功能靈活、反應時間短、安全事故處理能力強、水下控制設備和水上監控系統可以實現實時雙向通信等特點，特別適用于深水大型油氣田多井項目的開發[10]。

圖1 水下復合電液控制系統工作原理示意圖Fig 1 Schematic diagram of subsea electro/hydraulic control system

水下控制模塊內部具有就地處理數據的水下電子模塊(SEM)。這使得水下控制模塊的監控對象更加廣泛，包括水下采油樹、水下管匯、管匯終端、井下安全閥、水下增壓設備和水下分離設備等；監測參數更加復雜，包括液壓控制壓力、調節閥閥位、化學藥劑注入流量和壓力、井口油氣溫度和壓力、井下溫度和壓力、油氣含砂量、泄漏位置、清管通球位置和設備運行狀態等。一個水下控制模塊也可以控制多個水下設備，如多個水下采油樹共用一個SCM或者水下采油樹與管匯共用一個SCM[11]。

大量生產數據和控制信號的上行和下傳，必將對水下生產控制系統的通信距離、通信速率和通信性能提出更高要求。全液壓生產控制系統在臍帶纜中采用獨立的通信和電力傳輸電纜的方式，結構復雜，臍帶纜重量增加，通信性能指標已不能滿足實際生產需要。電力載波通信憑借其無需在臍帶纜中單獨敷設通信線纜，能極大地節約成本和空間的優勢，于20世紀80年代被首次應用于水下通信，并成為此后二十多年的主要水下生產通信方式之一[12]。

1.2 水下電力載波通信基本原理

電力線載波通信是采用電力線傳輸數據的一種通信方式，它將載有信息的高頻信號加載到電力線上，用電力線進行數據傳輸，通過專用的電力線調制/解調器將高頻信號從電力線上分離出來，傳送到終端設備。電力載波通信借助電力線作為通信介質，無需另外敷設專門的通信通道，節約成本且適合遠程傳輸，因此該技術在近百年時間里取得了巨大突破和進展，廣泛應用于電力公司營運及電力用戶管理、電信及信息服務、自動控制及智能家居等方面[13-16]。常規電力載波通信技術的成熟為水下生產控制系統通信提供了新的思路，開辟了性能更加優良的通信方式。復合電液控制系統的迅速發展和成熟應用，也為電力載波系統的水下應用提供了前提和基礎。

水下電力載波通信系統采用臍帶纜中的電力配送電纜作為通信介質，水上水下載波機分別位于水上電力/通信單元(SPCU)和水下控制模塊中。目前，水下電力載波機主要依據歐洲電工委員會(CENELEC)發布的EN50065標準，在低壓分配網絡(LVDN)通過臍帶纜中電力線進行數據收發通信，信號頻率范圍3～148.5 kHz[17]。

水下電力載波通信工作過程包括主控站(MCS)系統下發控制指令和從站上傳數據兩個階段。圖2是一個典型的復合電液控制系統的電力載波通信原理示意圖。一方面，來自主控站的控制信號經過水上電力/通信單元調制后耦合到臍帶纜中的電力電纜上。調制信號經控制臍帶纜中的電力線傳輸至水下分配單元后，隨電力分配傳輸至安裝在采油樹或管匯上的多個SCM，由SCM將信號解耦解調，從而實現電力和信號的下送。水下控制模塊與出油管壓力/溫度傳感器、井口壓力/溫度傳感器及環形空間壓力傳感器等遠端設備相連，通過SCM內部基于微處理器的水下電子模塊，實現對溫度、壓力的監控以及對水下閥門的操作。另一方面，水下控制模塊也可對水下采油樹及井口的壓力、溫度等過程參數信號進行編碼后調制耦合到電力線上實現上傳。主控站接收經SPCU解耦解調后的信號，實現對整個水下生產過程的數據采集和狀態監視。

常規電力載波通信技術和復合電液控制系統的成熟發展使得水下電力載波通信成為可能，而一系列標準化委員會的成立和相關水下通信標準的發布則將該技術推向了高潮。面對市場上多達幾十家的裝備提供商，高昂的設備定制費用和耗時的供貨周期使人們逐漸意識到標準化的接口和儀器將有利于提高設備的互換性、簡化設計與采購、降低運營成本、提高營業效率和增強技術完整性[18-19]。此外，如何將前景廣闊的智能井技術與水下生產控制系統相結合，使之服務于水下石油開采，成為油氣田經營方、水下控制系統提供商和智能井設備提供商熱議的話題[20-22]。

ISO/TC 67技術委員會下屬鉆井和生產設備分會SC4制定的《ISO 13628-6：2006水下生產控制系統》[23]標準規定通信協議應基于IEC 60870-5[24]以及同等的國際標準。此外由水下技術顧問(OTM)公司管理，各石油運營商和提供商組成的一系列標準化委員會也應運而生[25]。其中，智能井接口標準(IWIS)致力于“通過提供電力/通信結構和其他相關硬件要求的推薦規范/標準，促進井下電力/通信架構與水下控制系統整合”[26-27]；水下儀器接口標準(SIIS)則專注于水下傳感器與水下控制系統接口的標準化[28-29]。IWIS和SIIS的建議做法直接或間接影響ISO 13628-6標準的制定，并從現場實際應用角度對相關標準不斷補充完善，共同推進海洋石油工業的進步[27-30]。

圖2 復合電液控制系統電力載波通信原理圖Fig 2 Schematic diagram of power line communication in electro/hydraulic control system

2 發展歷史

早期的水下電力線通信技術受水下控制系統發展水平的制約，主要用于水下生產數據的采集，不具有傳輸控制信號的功能，應用十分有限。1985年，西班牙Eniepsa Casablanca 11項目首先將電力載波通信技術應用于水下生產[12]。該項目中Hughes Offshore公司提供的數據采集系統，將數據信號加載到直流電力雙絞線上，實現了油井數據的電力載波傳輸，通信距離為7.4 km。1986年，印度ONGC公司在BombayHigh水下項目中采用Vetco Gray公司的數據采集系統。該系統在同軸電纜上實現了7～10 kHz數據信號與60 Hz電力的同線傳輸，傳輸距離約10 km[12]。上述兩個項目的水下控制系統分別為先導液壓控制和直接液壓控制。這兩種早期的水下生產控制系統直接導致對水下采油樹的生產控制仍然采用液壓控制方式，即此時臍帶纜中的電力線僅實現了數據采集的載波通信，沒有控制功能，生產控制和數據采集仍然采用不同的線纜。

水下電力載波技術于1989年在挪威北海的Troll Oseberg Gas Injection (TOGI)項目中取得了控制信號與生產數據同線傳輸的突破性進展。該項目在當時面臨48 km傳輸距離、305 m水深的新挑戰。TOGI水下生產系統采用復合電液控制[31]，為油井數據與控制信號的同線傳輸提供了條件。VetcoGray公司在四芯電纜上將1 800 Hz的四相相移鍵控(QPSK)調制信號加載到60 Hz電力線，在同一線纜上實現了半雙工水下控制和數據讀取功能，傳輸距離達50 km，傳輸速率為1.2 kb/s[32]。該技術的成功應用簡化了原系統繁瑣的布線方式，通信性能也得到大幅提高。

隨著開采范圍向更深更遠水域發展，水下設備的復雜程度和對水下數據的需求量也相應增加。這對水下控制的數據處理、通信、電力和液壓供應提出了更高的要求。各水下裝備供應商也不斷改進各自的水下控制系統通信性能以適應新的發展需要。Cameron公司電力載波通信速率可達9.6 kb/s，傳輸距離65 km[33]。Weatherford公司的開放式通信控制器(OCC)集電力載波、控制和故障診斷能力于一體，通信速率達390 kb/s，傳輸距離實現100 km無中繼，可選電力線頻率范圍50～630 kHz[34]。FMC公司作為世界最大的深水裝備供應商之一，目前SCM600電力載波通信已實現56 kb/s的傳輸速率和250 km的傳輸距離[35]。此外，FMC公司的三代KOS控制系統在一定程度上反映了水下電力載波技術的發展進程[36]。KOS 100(1991年)、KOS 150(1994年)和KOS 200(2003年)是FMC公司為滿足不斷提高的通信速率、電力和臍帶纜長度的要求而研發的三代電力載波通信系統。

KOS 100和KOS 150均采用半雙工頻移鍵控(FSK)調制，通信速率分別可達1.2 kb/s和4.8 kb/s。這兩代系統的調制方法較簡單，有效可靠但頻帶利用率較低。KOS 200系統的Long-Speed電力載波機可根據信道性能自動選擇最快傳輸速率，發送和接收信號的動態范圍高達60 dB，濾波器參數可自動調節以適應電纜特性。6路信道均采用全雙工模式連續平行傳輸，電纜間串擾衰減最小為40 dB。每個載波機中都有數字信號處理器(DSP)，采用幅度和相位相結合的調制方式以得到較高的傳輸速率，最高可達33.6 kBd。通過安裝相應的軟件或程序，數字載波機可以滿足不同的要求。采用低頻范圍的信道或降低數據傳輸速率均可以提高通信距離，KOS 200在10 mm2電纜上通信距離可達60 km[37]。

正交頻分復用(OFDM)調制方法和現場可編程門陣列(FPGA)分別為通信和現代數字系統設計領域帶來了革命性的變化[38-39]。這些技術進步為水下電力載波通信發展提供了強有力的技術支撐。2009年和2010年，Horten等[40-42]成功地將OFDM和FPGA技術應用于水下電力載波通信，并就相關核心技術申請了美國國家專利。專利中，FPGA取代此前數字載波機常用的數字信號處理芯片，OFDM取代常規的頻移鍵控調制，成為主要的處理芯片和調制方式。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方式，采用多個正交子載波并行傳輸數據，具有頻帶利用率高、抗噪聲和多徑衰落能力強等優點[43]。FPGA邏輯器件則以其高集成度、高可靠性和強大的運算能力為高速寬帶通信系統的實現提供了硬件保障[44]。這些新技術使得水下電力載波通信實現了200 km無中繼傳輸，數據傳輸速率高達3 Mb/s。

3 水下電力載波技術特殊挑戰

電力線的基本用途是電能供給，當作為通信介質時，它有著與其他專用的通信介質完全不同的信道特性。電力線具有隨頻率而變的動態阻抗特性；頻率特性方面，受介質材質和形狀的影響，電力線具有較窄的載波頻率；噪聲特性方面，因各類電力負荷發出的脈沖干擾和諧波干擾，電力線具有隨時間和頻率而變的動態噪聲特性[16,45-46]。水下電力載波通信既要克服上述常規技術難題，還需要應對水下惡劣環境給通信帶來的諸多特殊挑戰。

首先，輸電電纜的幾何形狀、配置和所選材料均會對信號衰減產生影響[36]。在水下特殊環境中，輸電電纜和液壓軟管、化學藥劑軟管共同位于復合控制臍帶纜中，電纜和節點之間采用水下濕式接頭連接。由于水下電纜或臍帶纜采取“按訂單生產策略”，所以在通信系統設計階段無法獲取有關電纜的詳細數據。此外IEC標準中規定電力線應基于三相對稱電壓和負載，而臍帶纜中電力線為單相。這些都給水下電力載波通信增加了難度[17,36]。

水下生產系統的拓撲結構也是影響水下電力載波通信的一大因素。水下控制模塊的數量及其與分配系統的連接順序不是預先設定好的；隨著油田開發的擴張，SCM的數量會增加，SCM之間的準確距離一般直到開始鉆井時才能最終確定。一些案例中，井的位置也許還會隨著油藏模型的變化而作出很大調整。此外，任何一個閥門的開關都可能改變網絡的拓撲結構。因此，信道的電參數隨時間、地點變化，相應地輸入阻抗也往往隨之變化，從而給通信系統的設計帶來相當大的困難[36]。因此，設計通信系統時應考慮目前和將來可能的系統負載與拓撲結構。

此外，大功率變頻電動機(如電動多相泵等水下生產流體增壓、回注設備)產生的強大電磁干擾[47]、導體橫截面積、臍帶纜絕緣性能好壞等眾多因素[36]，都會對水下電力載波通信性能產生較大影響。

4 結束語

電力線載波通信技術應用于水下石油開采行業二十余年，被證明是一項可靠經濟的通信手段。常規電力載波通信技術的成熟和水下生產復合電液控制系統的投入使用使水下電力載波通信成為可能。由油氣田經營方、水下控制系統提供商和智能井設備提供商等組成的標準化組織的成立和相關水下通信標準的發布則將水下電力載波通信技術推向了新的高潮。通過克服臍帶纜中輸電電纜的特殊性、水下拓撲結構不確定、水下濕式接頭引發的信號衰減以及水下增壓設備造成的電磁干擾等一系列技術難題，不斷引入最新的科技手段，水下電力載波技術向著更快傳輸速率和更長通信距離的方向不斷發展完善。值得一提的是，隨著海洋油氣開采向超深水、邊際油田發展，儀器設備越來越復雜，對信息的需求越來越大，水下光纖通信技術正憑借其抗電磁干擾能力強、可靠性高、傳輸速率快、傳輸距離遠等優點，成為一項新興的具有發展前景的水下通信技術。

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PowerLineCommunicationofSubseaProduction
ControlSystem:aReview

ZUO Xin1, HU Yi-ru1, WANG Jue2, ZHU Chun-li2, TIAN Jia2

(1.DepartmentofAutomation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China)

Nowadays subsea production system has been the mainstream mode of subsea oil and gas exploitation, of which the subsea control system is the most important part. As one of the main communication methods of subsea control system, subsea power line communication has a direct influence on the safety and cost of the subsea oil and gas exploitation. Firstly, the principles of power line communication in subsea electro/hydraulic control system are introduced, and the promotions from organizations like ISO/TC 67, Intelligent Well Interface Standardization (IWIS) and Subsea Instrumentation Interface Standardization (SIIS) are summarized. Secondly, the application history of power line communication in world’s subsea projects is reviewed from the aspects of transmission rate, communication distance and modulation method, etc. Lastly, considering the unique characteristics of umbilical power line, uncertain system topological configuration and electromagnetic interference from subsea boost pump, special challenges that the power line communication technology faces due to subsea environment are analyzed.

subsea oil and gas exploitation; subsea production control system; electro/hydraulic control; subsea power line communication; Intelligent Well Interface Standardization

TN929.3

A

2095-7297(2014)01-0084-07

2014-02-21

國家科技重大專項(2011ZX05026-003-01)

左信(1964—)，男，教授，主要從事海洋油氣生產測量與控制及過程控制系統和安全保護控制系統的可靠性分析方面的研究。