基于電力線載波通信的油井通信系統(tǒng)

摘要 油田采油過程中常常需要對井下溫度和壓力等參數(shù)進行實時監(jiān)測，以充分了解井下信息。文中就此問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)，通過油井中的電力線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。實驗證明，該方案便于監(jiān)測人員對數(shù)據(jù)的采集和及時了解井下情況。
關(guān)鍵詞 電力線載波；擴頻通信；SSC P485

在石油資源勘探和開采過程中，探明油層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、測試油井的工作狀態(tài)對保持資源的可持續(xù)利用有著重要的意義。測井系統(tǒng)在這些工作中有著重要的作用，其中一項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?。針對下潛泵式的?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/油井">油井，可以利用泵的供電電纜，設(shè)計一個基于電力線載波的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，用以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時將接收終端接收到的數(shù)據(jù)及時傳遞給計算機，以便監(jiān)測人員對參數(shù)進行查詢，及時了解井下情況。
實現(xiàn)低壓電力線通信的技術(shù)難點之一是解決噪聲干擾問題，由于低壓電力網(wǎng)上的負載千變?nèi)f化，同時由于用戶用電的隨機性，導致網(wǎng)絡負載處在不停的變化之中，具有較大的時變性，而且它們還會因地點的變化而變化，因此網(wǎng)絡干擾嚴重。另外電力線信道還具有復雜的噪聲，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題是如何解決電力線信道的噪聲對信號傳輸?shù)母蓴_，因此該系統(tǒng)采用擴頻通信芯片SSC P485利用chirp擴頻通信技術(shù)實現(xiàn)信號的收發(fā)，針對高頻噪聲，設(shè)計了一個帶通濾波器濾除帶外噪聲。另外，還設(shè)計了一個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頻信號。在實驗室用1 200 m的電力線實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的成功傳輸，試驗結(jié)果較為理想，證明了擴頻通信能有效解決電力線上的噪聲和干擾問題。

1 SSC技術(shù)
1．1 CEBus簡介
CEBus(Consumer Electrics Bus，消費電子總線)是EIA位消費電子產(chǎn)品制定的一種通信和產(chǎn)品互操作性的標準，該標準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，使得遵循同樣標準的家用電器設(shè)備可以即插即用，并能共同工作，實現(xiàn)家庭自動化，CEBus采用了簡化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層。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是一個完全面向報文分組的對等網(wǎng)絡，使用載波偵聽多重訪問和沖突檢測與沖突分辨協(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“公共應用語言”(Common Application Language，CAL)來實現(xiàn)網(wǎng)絡設(shè)備的通訊。
1．2 CEBus的物理層通訊
電力線最初設(shè)計是用作提供電力，而不是用作進行數(shù)據(jù)通信。因而要用電力線進行通信就要面臨高噪聲、高衰減和可變阻抗等造成的信號失真。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，采用擴頻載波(Spectrum Spread carrier)通訊來實現(xiàn)控制流。擴頻載波通信就是用帶寬遠大于發(fā)送信息所需最小頻帶寬度的信號傳輸數(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為信號功率。公式表明，在高斯通道中當傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S／N下降時，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W保持信道容量C不變。對于任意給定的信號噪聲功率比，可用增大傳輸帶寬獲得較低的信息差錯率。擴頻通信技術(shù)正是利用這一理論，用高速的擴頻碼擴展要傳輸?shù)臄?shù)字信息的帶寬。擴頻通信系統(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，擴頻通信具有較強的抗噪聲干擾能力。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
SSC PL信號利用一系列短促、可自同步的掃頻Chirps信號作為載體，它代表了最基本的通信符號時間(UST)。它們都是擴頻掃描范圍為100～400kHz的線性掃頻Chirp)信號：總是以200～400 kHz的頻率開始，繼而以100～200 kHz的頻率結(jié)束。從203 kHz經(jīng)過19個周期線性地變?yōu)?00 kHz，再在1個周期內(nèi)變?yōu)?00 kHz，然后在5個周期中變?yōu)?03 kHz，整個時間長度為100μs，也就是1個UST(Unit Symble Time)，其波形如圖1所示。由于Chirps信號的線性掃描帶寬比信號帶寬要大得多，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)計成只能通過具有特定角加速度的信號，就可以將等幅干擾排除在外。另外，此種Chirps波形還具有很強的自相關(guān)特性，這種模糊邏輯的相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡上的設(shè)備，可以同時識別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進行同步，從而避免了使用復雜的同步設(shè)備，降低了系統(tǒng)成本。