水下生產控制系統通訊設計研究

譚壯壯，曲文星

（中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028）

0 引言

近年全球獲得的重大勘探發現中，有近50%來自深水海域，隨著勘探技術的不斷提高，這一占比還會繼續提高。在深水海域的油氣田開發中，水下生產系統是主要的開發方式。設置于海底的水下油氣井采出物經過水下采油樹、水下管匯、海底管道以及立管等設施輸送到依托設施進行處理[1-3]。

在水下生產系統中，由于水下采油樹和水下管匯等設備位于水下，通常人員無法到達，日常操作以及緊急情況下的控制需要通過遠程控制系統來進行。水下生產系統的控制系統，即水下生產控制系統（Subsea Production Control System,SPCS），是水下生產系統的重要組成部分，為水下生產提供安全、可靠、高效的數據采集和監控功能，并提供了與依托設施控制系統的接口。SPCS 通過水下采油樹、水下管匯等水下設施上的水下控制模塊（Subsea Control Module，SCM）來完成對水下閥門的操作，并對水下儀表和各控制模塊進行監控[4]。

SPCS 分為上部安裝的SPCS 設備和水下安裝的SPCS設備，通過水下通訊系統進行通訊。水下通訊系統指上部安裝的SPCS 設備和水下安裝的SPCS 設備之間的通訊，服務于SPCS，是水上和水下設備之間的數據連接。目前，水下通訊主要采用光纖通訊、數字用戶線路（Digital Subscriber Line，DSL）通訊、電力載波通訊[5,6]或多種通訊方式組合等形式[4]。由于不同項目的通訊距離、通訊速率、控制系統結構不同，需要根據項目具體情況選擇不同的通訊方式。

1 水下通訊系統結構

水下通訊系統服務于SPCS，通過臍帶纜中的通訊線芯連接水上水下設備。如圖1 所示為典型的SPCS 系統結構圖。

圖1 典型SPCS結構圖Fig.1 Typical SPCS architecture diagram

如圖1 所示，上部依托設施通過主臍帶纜與主水下分配單元（Subsea Distribution Unit，SDU）SDU A 連接，SDU A 作為水下的控制分配中心，將主臍帶纜中的電力、液壓、控制信號、化學藥劑通過內部臍帶纜分配到SDU B 和SDU C；SDU B 和SDU C 為井群內部分配單元，通過通訊將各種信號分配到附近的水下采油樹及管匯。

從圖1 中可以看出，水上到水下設備之間的通訊主要包括以下3 個部分：

1）上部設施和主SDU 之間的通訊，即主臍帶纜中的通訊。該部分通訊負責整個水下系統與水上依托設施的通訊，通訊量大。當依托設施與井口區距離較遠時，通訊距離長。

2）主SDU 和內部SDU 之間的通訊，即內部臍帶纜中的通訊。該部分通訊負責單個井群與主SDU 之間的通訊，通訊量中等。通訊距離與井群與主SDU 之間的距離有關。

3）SDU 和采油樹或管匯之間的通訊，即跨接纜中的通訊。該部分通訊負責單個采油樹或管匯的通訊，通訊量小，通訊距離較短，通常在100m 左右。

本文將根據3 個部分的通訊要求，結合不同通訊方案的特點，對水下通訊系統通訊方式進行了研究。

2 水下通訊類型

如前所述，目前能夠滿足水下通訊系統要求的通訊方式主要有光纖通訊、DSL 通訊和電力載波通訊。水下通訊系統中常常將多種通訊方式組合使用，以適應不同項目對于通訊距離和通訊速率的要求。

2.1 光纖通訊

光纖通訊是一種通過將電信號轉換為光信號進行傳輸的通訊方式，具有通訊速度快、通訊距離遠及不受電磁干擾等優點。目前，水下生產系統的通訊距離已超過150km，且大部分水下通訊系統要求無中繼通訊。因此，光纖通訊被廣泛應用于水下通訊系統。

光纖通訊在水下通訊系統中應用的優點：①通訊距離遠，能夠適用于通訊距離遠的項目；②通訊速率快，在170km 的通訊距離下仍然能達到100Mb/s 的通訊速度。光纖通訊的缺點：①水下光纖濕式接頭價格昂貴，增加投資成本；②水下光纖濕式接頭多次插拔后可靠性降低；③水上、水下均需設置光纖調制解調器及交換設備，可能導致SDU 體積增大；④臍帶纜中需增加光纖線束。

2.2 DSL通訊

DSL 通訊即數字用戶線路，是近年來興起的通訊技術，目前已廣泛應用于水下通訊系統。DSL 通過特殊的調制技術，能夠實現遠距離、高速率的通訊，并且可以使用不同直徑的雙絞電纜作為傳輸介質，適合于水下通訊系統的應用。

DSL 通訊在水下通訊系統中應用的優點：①通訊速率較快，15km 通訊距離時能達到192kb/s 的通訊速度；②可以使用雙絞電纜作為傳輸介質，通常臍帶纜中的電纜為4芯雙絞線，1 對作為供電電纜，另1 對作為DSL 通訊電纜。DSL 通訊的缺點：①水上、水下需要安裝DSL 調制解調器及交換設備；②需要單獨的通訊電纜；③通訊距離最遠只能到15km。

2.3 電力載波通訊

電力載波通訊是將通訊信號加載在電力電纜上，不需要額外的通訊電纜即可實現信號傳輸。電力載波通訊能夠達到較遠的通訊距離，可以適用于通訊量較小的通訊系統中，或作為其他通訊方式的備用通訊。

電力載波通訊在水下通訊系統中應用的優點：①不需要額外的通訊電纜，直接將信號加載到電力電纜；②水下不需要增加通訊設備；③通訊距離遠，低速通訊能達到100km 以上。電力載波通訊的缺點：①通訊速率慢，通常小于100kb/s，距離大于40km 時，小于20kb/s；②輸電過程中如有變壓器等設備，需要增加橋接設備。

3 種通訊方式的對比見表1。

表1 3種通訊方式對比Table 1 Comparison of 3 communication types

3 水下通訊系統方案

水下通訊系統通常為一種通訊方式或多種通訊方式的組合。以圖1 所示的系統為例，適用的通訊方案包括：

方案一：通訊系統全部采用一種通訊方式。

方案二：主臍帶纜和內部臍帶纜采用光纖通訊，跨接纜采用DSL/電力載波通訊。

方案三：主臍帶纜通訊采用光纖通訊，內部臍帶纜和跨接纜采用DSL/電力載波通訊。

3.1 方案一：單一通訊方式

方案一的結構圖如圖2 所示。

圖2 方案一通訊系統結構圖Fig.2 Scheme 1 communication system structure diagram

整個系統使用相同的通訊方式，這種方式結構簡單，不需要不同通訊方式之間的轉換設備。根據通訊方式不同，方案一又可分為以下幾種方案：

1）通訊方式為光纖通訊。需要在采油樹上設置光纖濕式插拔接頭，若由于修井等原因進行多次光纖接頭插拔，將導致光纖接頭可靠性大幅降低。另外，由于光纖接頭價格昂貴，整個通訊系統的投資將大幅提高。因此，在工程中很少采用光纖直接到采油樹的通訊方式，目前這種方式亦沒有現場應用的經驗。

2）通訊方式為電力載波。這種方式通訊速率最低，多見于回接到已有依托設施的邊際油田，井口數較少，通訊數據較少。

3）通訊方式為DSL。這種方式通訊速率高，適應性較強，但是通訊距離較短。適用于井口數適中，通訊量較大，通訊距離短的項目。

3.2 方案二：光纖通訊至水下

方案二的結構圖如圖3 所示。

圖3 方案二通訊系統結構圖Fig.3 Scheme 2 communication system structure diagram

該方案中，通訊距離最長、數據量最大的主臍帶纜通訊采用了光纖通訊，通訊距離較短、通訊量較少的部分采用了DSL/電力載波通訊。這種方式只使用了少量的光纖接頭，且光纖接頭僅在SDU 中使用，插拔次數很少，并且滿足了長距離、大數據量的要求，是工程實踐中常用的通訊方式。

該方案的缺點是要使用多種傳輸介質、通訊協議，不同通訊方式直接需要轉換設備進行轉接，增加了系統的復雜度。

3.3 方案三：光纖通訊至井口群

方案三的結構圖如圖4 所示。

圖4 方案三通訊系統結構圖Fig.4 Scheme 3 communication system structure diagram

該方案與方案二類似，只是該方案的光纖通訊進一步延伸到內部臍帶纜。由于水下儀表系統的不斷發展，越來越多的智能儀表被用于水下生產，同時水下與水上的通訊數據量越來越大，在DSL 不能滿足單個井群的通訊量時，應考慮使用光纖作為內部臍帶纜通訊方式。

該方案與方案二比較，增加了較多的光纖接頭，投資成本提高，但是光纖接頭位于SDU，生產期內幾乎不需要插拔，可靠性有保證。

4 水下通訊系統的初步計算

在項目的方案選擇或可行性研究階段，通常需對通訊方案進行初步的計算，以確保通訊系統能夠滿足項目要求。

水下通訊系統的初步計算主要是計算整個通訊線路的衰減，通過與收發器最大允許的衰減范圍進行比較來初步確定方案是否可行。衰減計算采用如下公式：

式（1）中：Lt為總的信號衰減，dB；Lcablei為第i 段線纜的單位長度信號衰減，dB/km；lcablei為第i 段線纜的長度，km；Lconj為信號在第j 個接頭上的衰減，dB。

下面以第3 節中方案二為例進行計算，假設主臍帶纜長度為60km，為單模光纖通訊；最長的內部臍帶纜（SDU A 到SDU B）長度為10km，導體面積16mm2，通訊方式為DSL；最長跨接纜長度為0.1km，導體面積16mm2，通訊方式為DSL。

4.1 光纖通訊初步計算

首先，應確定光纜單位長度的信號衰減以及單個光纖接頭的信號衰減，一般可通過廠家資料或理論計算獲得，本例中采用以下數據：①光纖類別：單模光纖；②光纖信號衰減：0.25dB/km；③單個熔接衰減：0.05 dB/km；④熔接點數：假設每20km 一個；⑤單個干式接頭衰減：0.25dB/km；⑥單個濕式接頭衰減：0.5dB/km。其次，應確定光纖收發機的最大允許衰減，本例選擇為常用的38dB。

對各段衰減計算見表2。

表2 光纖信號衰減計算Table 2 Optical fiber signal attenuation calculation

從表2 中可以看出，光纖衰減為18.3625 dB，小于38 dB，并具有19.6375 dB 的裕量，光纖方案合理可靠。

4.2 DSL通訊初步計算

首先，應確定通訊電纜單位長度的信號衰減，通常接頭處的接觸電阻很小，引起的衰減可忽略不計，本例中采用以下數據：①通訊方式：DSL；②通訊頻率：100 kHz～450 kHz；③通訊電纜導體截面積：16mm2；④信號衰減：0.9 dB/km。其次，應確定DSL 收發機的最大允許衰減，本例選擇為常用的50 dB。

對各段衰減計算見表3。

表3 DSL信號衰減計算Table 3 DSL signal attenuation calculation

從表3 中可以看出，DSL 信號衰減為9.18 dB，小于50 dB，并具有40.82 dB 的裕量，方案合理可靠。

應當注意，本文所述的計算方法只適用于初步計算，一般情況下所得結果較為保守，在后續設計中，還應結合具體的設備以及信道特征進行仿真模擬驗證方案。

5 結束語

本文研究了目前常用的3 種水下通訊方式，包括光纖通訊、DSL 通訊和電力載波通訊，并對3 種通訊方式的優缺點、適用范圍進行了討論，在此基礎上提出了水下通訊系統的常用方案及各方案的適用范圍，得出如下結論：

1）水下通訊系統為SPCS 提供服務，主要通訊方式有光纖通訊、DSL 通訊和電力載波通訊，各種方式有各自的特點和適用范圍，工程設計中應根據項目特點進行選擇。

2）對于小型油田、邊際油田回接等數據量較少、通訊速率要求低的項目，可以采用電力載波通訊的方式。

3）對于通訊距離較短，通訊速率要求較高的項目，可以采用DSL 通訊方式。

4）對于通訊距離長、通訊量大的大型項目，應采用光纖和DSL/電力載波通訊結合的通訊方式。

5）電力載波可以作為其他通訊方式的備用通訊，在主通訊故障時可以傳輸關鍵數據。

6）通過計算可以初步驗證通訊系統方案的合理性。