專利名稱：傳輸電力和通信信號的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳輸電力和通信信號。
背景技術：
在海上生產控制系統(tǒng)中使用的用于烴類提取井以便在水上設備和安裝在海底的水下設備之間傳輸控制和儀表信號的實現技術中的一個，是電力上通信(COP)的使用，其中通信信號在電力信號上疊加并且與電力信號一起沿臍帶電纜中的電力傳輸線路同時傳輸。采用該方法來降低臍帶電纜內需要的電線的數量，該臍帶電纜為水力和電力提供水上和水下設備之間的主要對接。使用COP消除對臍帶電纜內單獨電力和通信線路的需要，由此降低其總成本。然而，該技術確實具有如下的一些內在劣勢。在海下設備級,存在利用例如通信閉塞濾波器和雙工器等大型設備來從電力信號分離并且檢索通信信號的需要，并且該過程可導致產生電噪聲和瞬變。這些海下部件也消耗電力。在水上產生并且通過臍帶電纜傳輸的電力的質量可能是差的并且包含典型的50/60HZ電力頻率的電噪聲和諧波并且這些可干擾疊加在電力信號上的低電力通信信號。突然的電壓瞬變(例如由開關浪涌或電負載的突然變化引起的那些)可能干擾高頻通信信號。降低或消除這些影響將導致通信鏈路的可靠性以及傳輸信息的總準確度提高。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明，從一個方面，提供用于傳輸電力和通信信號的系統(tǒng)，其包括:
傳輸線路；
電力源，用于向該傳輸線路供應電力；
第一通信部件，用于向該傳輸線路供應通信信號；
電力提取部件，用于從該傳輸線路提取并且使用電力；
第二通信部件，用于從該傳輸線路接收通信信號；
控制部件，用于采用以下方式控制系統(tǒng)的操作:在系統(tǒng)的使用中，電力源在與第一通信部件向該傳輸線路供應通信信號的相應時間段不同的相應時間段中向該傳輸線路供應電力。根據本發(fā)明，從另一個方面，提供傳輸電力和通信信號的方法，該方法包括: 提供傳輸線路、電力源、第一通信部件、用于從該傳輸線路提取并且使用電力的電力提
取部件，以及用于從該傳輸線路接收通信信號的第二通信部件，該方法進一步包括控制操作使得電力源在與第一通信部件向該傳輸線路供應通信信號的相應時間段不同的相應時間段中向該傳輸線路供應電力。典型地，第二通信部件適合用于向所述傳輸線路供應通信信號以在所述電力源未向傳輸線路供應電力的時間段期間由所述第一通信部件接收。典型地，所述電力提取部件包括電力存儲部件，用于存儲從所述傳輸線路提取的電力。在該情況下，所述控制部件可以使得所述第一通信部件可以在存儲在所述存儲部件中的電力的電壓未降到閾值水平以下時向所述傳輸線路供應通信信號，響應于存儲在所述存儲部件中的電力的電壓降到閾值水平以下，來自所述第一通信部件的通信信號未供應給所述線路但電力自所述源供應給所述線路直到存儲在所述存儲部件中的電力的電壓不在所述閾值以下，響應于存儲在所述存儲部件中的電力的電壓不在所述閾值以下，所述第一通信部件可以向所述傳輸線路供應通信信號。所述控制部件可以包括開關部件，其在第一條件下使所述電力源耦合于所述傳輸線路，并且在第二條件下使所述第一通信部件耦合于所述線路。在該情況下，所述控制部件可以使得，如果存儲在所述存儲部件中的電力的電壓在所述閾值以下，這樣的開關部件處于所述第一條件，但如果其不在所述閾值以下，所述開關部件處于所述第二條件。然后，所述控制部件可以使得所述開關部件由來自所述第二通信部件的信號在所述條件之間切換。典型地，所述電力源是AC電力源，所述提取部件包括變壓器，其具有跨所述傳輸線路連接的一次繞組和跨整流器部件連接的二次繞組。根據本發(fā)明的系統(tǒng)或方法可以包括用于海下烴類井的控制系統(tǒng)或在這樣的控制系統(tǒng)中傳輸電力和通信信號的方法。在這些情況下，所述第一通信部件可以分別位于水上位點，所述電力提取部件和所述第二通信部件在海下電子器件模塊中并且所述傳輸線路在所述水上位點和海下電子器件模塊之間的臍帶電纜中。備選地，所述電力源和所述第一通信部件可以在海下電子器件模塊中，所述電力提取部件和所述第二通信部件在海下傳感器設置中并且所述傳輸線路在所述海下電子器件模塊與所述海下傳感器設置之間。在本發(fā)明的下列實施例中，沿傳輸線路向下流動的電能(在電力頻率)在非常小部分的時間被切斷以允許采用更高頻率通信信號的形式的信息通信沿相同的傳輸線路傳輸。同樣，電力和通信信號在時分復用上交織(如與一個疊加在另一個上不同)并且在它們之間大致上沒有干擾問題。通信信號與電力相比在本質上是高頻率并且因此可以在電力傳輸所花費的時間的一部分中傳輸。因此可以實現占空比，其確保存在電力的最小損失，并且這連同使用水下電力存儲(例如電容器組)可以提供水下設備所需要的恒定電力。采用兩個操作模式，如下:
電力供應模式-其中AC電力信號被傳輸到接收設備、被轉換成DC并且用能量對電存儲裝置充電。當存儲的能量充足時，系統(tǒng)進入通信信號傳輸模式。通信信號傳輸模式-當實現適當的供應電壓時，通信信號被傳輸并且只要電力供應在操作極限內則該模式持續(xù)，在該時間后系統(tǒng)回復到電力供應模式。將意識到，除海上生產控制系統(tǒng)外，本發(fā)明(其中傳輸的波形由與通信信號交織的電力信號(例如50Hz正弦曲線)組成)還具有在其他領域中的應用。


圖1是本發(fā)明的實施例的示意 圖2是圖1的實施例的改進形式的示意圖；以及 圖3是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖。
具體實施例方式
描述使用相似設備配置的兩個不同的海上應用來說明時分復用技術(通常用于在單獨有序時隙中傳輸不同類型的通信數據)如何可以用作當前COP技術的備選方案來將電力和通信信號兩者沿相同的傳輸線路傳輸。然而，本發(fā)明能適用于沿相同傳輸線路傳輸電力和通信信號的其他情形。圖1圖示本發(fā)明在海下烴類井的生產控制系統(tǒng)中當應用于沿臍帶電纜中的傳輸線路在水上和海下設備之間傳輸通信(控制和儀表)信號時的使用。圖示出水上表面平臺I和海下端(特別是在海下電子器件模塊(SEM)2)之間經由臍帶電纜中的傳輸線路3的對接。SEM 2通常在物理上容置在海下控制模塊內部。SEM包含其自身的變壓器、電力供應和雙工器，連同一系列電子卡，其進行例如通信、與儀表和傳感器對接、控制閥門和液壓裝置等各種功能。標號5指示在表面平臺I處的AC電力源；標號9指示表面平臺處的表面開關,其在第一位置使來自源5的電力耦合于傳輸線路3并且在第二位置使調制解調器10連接到線路3用于傳輸通信信號到SEM 2 和從SEM 2接收通信信號；并且標號4指示SEM 2中的變壓器，其具有跨臍帶電纜的線路3連接的一次繞組和跨SEM 2中的常規(guī)AC/DC轉換器6 (例如橋式整流器和電濾波器)并且還跨SEM2中的調制解調器11連接的二次繞組用于傳輸通信信號到SEM 2和從SEM 2接收通信信號。轉換器6連接到海下電力存儲裝置7 (例如采用所謂的“超級電容器”的組的形式)。裝置7用于向調制解調器11供應電力并且還向與調制解調器11耦合的SEM電子器件8 (其包括卡插架和印刷電路板)供應電力。通過變壓器4從臍帶電纜中的傳輸線路3提取通信信號和電力，該變壓器4還提供電流隔離。(如果需要的話，可以使用用于電力和通信信號的單獨變壓器一參見下文)。進入的電力和通信信號每個被單獨提取，如下。當開關9處于第一位置時，電力被傳輸并且存儲裝置7中的電力積聚并且用于向SEM電子器件8和調制解調器11提供電力。當來自水上的電力由表面開關9的操作而在短時間間隔中被切斷時，由存儲裝置7中容納的電力對SEM電子器件8供電，表面開關9將表面調制解調器10連接到傳輸線路3，從而允許到和從海下調制解調器11的通信，通信信號被饋送給SEM電子器件8中的適當的裝置。當電力如由SEM電子器件8感測變得不充足時(即，當存儲在裝置7中的電力的電壓降到閾值以下時)，從調制解調器11到調制解調器10的消息促使通信停止并且電力再次由開關9的操作而接通。然后使存儲裝置7再充電。典型的操作模式如下:
1.電力經由臍帶電纜內的線路3在足以充分對電力存儲裝置7充電所計算的一段時間中傳輸。2.電力然后由開關9切斷，來自SEM電子器件8的消息經由調制解調器11和10傳送，從而證實存儲裝置7充電充足。如果在表面處未接收到該消息，開關9在另外時間段中自動回復到電力模式。重復該過程直到使電力存儲裝置7充電充足。3.在通信模式期間，存儲在裝置7中的電力由SEM電子器件8監(jiān)測，并且當其電壓下降到能接收的閾值水平以下時，從調制解調器11至調制解調器10將消息發(fā)送到表面來切斷通信并且回復到電力模式。4.繼續(xù)重復該過程，采用受電力存儲裝置7的再充電要求所支配的速率來使電力和通信信號復用。通過使用上面的本發(fā)明的配置，消除了常規(guī)的電力供應和例如通信閉塞濾波器和分工器等大型設備的使用。圖2圖示圖1實施例的改進，在該實施例中變壓器4用于從線路3提取電力并且單獨變壓器41用于從線路3提取通信信號并且經由線路3傳輸通信信號，變壓器41的一次繞組跨線路3連接并且變壓器41的二次繞組跨調制解調器11連接。圖3圖示根據本發(fā)明的用于向海下使用的遠程傳感器和烴類井的生產控制系統(tǒng)中的SEM提供電力以及在遠程傳感器和SEM之間提供通信信號的技術的使用。這消除了對每個傳感器具有其自身的電力供應的需要。遠程傳感器電子器件封裝處的設備配置與在圖1中示出的相似。標號12指示SEM，其包括AC電力源13 ;標號14指示SEM 12中的開關，其在第一位置使來自源13的電力耦合于傳輸線路15并且在第二位置使調制解調器16連接到線路15用于從SEM 12傳輸通信信號和由SEM 12接收通信信號；并且標號17指示遠程傳感器電子器件封裝18中的變壓器，其具有跨線路15連接的一次繞組和跨封裝18中的AC/DC轉換器19 (例如橋式整流器和電濾波器)并且還跨封裝18中的調制解調器20連接的二次繞組，用于從SEM 12接收通信信號并且傳輸通信信號到SEM 12。轉換器19連接到封裝18中的海下電力存儲裝置21 (例如采用所謂的“超級電容器”的組的形式)，裝置21用于向調制解調器20供應電力并且還向封裝18中的傳感器單元22供應電力。通過變壓器16從傳輸線路15提取通信信號和電力，該變壓器16還提供電流隔離。(如果需要的話，可以使用用于電力和信號的單獨變壓器)。進入的電力和通信信號每個被單獨提取，如下。當開關14處于第一位置時，電力被傳輸并且存儲裝置21中的電力積聚并且用于向傳感器單元22和調制解調器20提供電力。當來自SEM 12的電力由開關14的操作而在短時間間隔中被切斷時，由存儲裝置21中容納的電力對傳感器單元22供電，開關14將調制解調器16連接到傳輸線路15，從而允許到和從調制解調器20的通信。當裝置21中的存儲電力因為其電壓已經降至閾值以下而變得不充足(如由單元22感測的)時，調制解調器20發(fā)送消息至調制解調器16使得通信被停止并且電力再次由開關14的操作而接通。然后使存儲裝置21再充電并且當存儲的電力變得充足時，如由單元22感測的，從調制解調器20至調制解調器16的消息促使開關14被操作使得通信可以重新啟動。通信信號是到傳感器單元22的控制信號和來自傳感器單元22的數據，其經由調制解調器16和20被傳輸和接收。關于圖1的系統(tǒng)，只要來自存儲裝置21的供應電壓在操作極限內，雙向傳輸持續(xù)，否則它返回電力供應模式。使用本發(fā)明的優(yōu)勢
它保留了使用單個傳輸線路來運送電力和通信信號兩者?？梢垣@得由電力和信號提取設備引起的諧波、噪聲和瞬變的減少，從而導致更好的信噪比并且弓I起更少的通信信號降級。實現更簡單的數據傳輸?？梢詫崿F對用于使電力與通信信號分離的大型、噪聲、閉塞濾波器和分工器的需要，因此節(jié)省成本和空間。對于傳感器應用，它能夠消除利用其關聯的電纜和在SEM和傳感器單元處的連接器為每個傳感器提供專用電力供應的需要，從而節(jié)省成本和空間。實現更少的水下電力消耗。存在通過使用局域網(LAN)而減少場傳感器的分布架構的可能性，從而在電纜和連接器方面形成另進一步的節(jié)約并且進一步提高可靠性。其他拓撲也是可能的。
權利要求
1.一種用于傳輸電力和通信信號的系統(tǒng)，包括: 傳輸線路； 電力源，用于向所述傳輸線路供應電力； 第一通信部件，用于向所述傳輸線路供應通信信號； 電力提取部件，用于從所述傳輸線路提取并且使用電力； 第二通信部件，用于從所述傳輸線路接收通信信號； 控制部件，用于采用以下方式控制系統(tǒng)的操作:在系統(tǒng)的使用中，電力源在與第一通信部件向所述傳輸線路供應通信信號的相應時間段不同的相應時間段中向所述傳輸線路供應電力。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二通信部件適合用于在所述電力源未向所述傳輸線路供應電力的時間段期間，向所述傳輸線路供應通信信號以由所述第一通信部件接收。
3.如權利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述電力提取部件包括用于存儲從所述傳輸線路提取電力的電力存儲部件。
4.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述控制部件使得所述第一通信部件能夠在存儲在所述存儲部件中的電力的電壓未降到閾值水平以下時向所述傳輸線路供應通信信號，響應于存儲在所述存儲部件中的電力的電壓降到閾值水平以下則來自所述第一通信部件的通信信號未供應給所述線路但電力自所述源供應給所述線路直到存儲在所述存儲部件中的電力的電壓不在所述閾值以下，響應于存儲在所述存儲部件中的電力的電壓不在所述閾值以下則所述第一通信部件能夠向所述傳輸線路供應通信信號。
5.如權利要求1-4中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述控制部件包括開關部件，其在第一條件下使所述電力源耦合于所述傳輸線路，并且在第二條件下使所述第一通信部件耦合于所述線路。
6.如權利要求4或5所述的系統(tǒng)，其中所述控制部件使得，如果存儲在所述存儲部件中的電力的電壓在所述閾值以下則所述開關部件處于所述第一條件，但如果存儲在所述存儲部件中的電力的電壓不在所述閾值以下則所述開關部件處于所述第二條件。
7.如從屬于權利要求2的權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述控制部件使得所述開關部件由來自所述第二通信部件的信號在所述條件之間切換。
8.如權利要求1-7中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述電力源是AC電力源，所述提取部件包括變壓器，其具有跨所述傳輸線路連接的一次繞組和跨整流器部件連接的二次繞組。
9.如權利要求1-8中任一項所述的系統(tǒng)，其包括用于海下烴類井的控制系統(tǒng)。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述電力源和所述第一通信部件每個位于水上位點，所述電力提取部件和所述第二通信部件在海下電子器件模塊中并且所述傳輸線路在所述水上位點和所述海下電子器件模塊之間的臍帶電纜中。
11.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述電力源和所述第一通信部件在海下電子器件模塊中，所述電力提取部件和所述第二通信部件在海下傳感器設置中并且所述傳輸線路在所述海下電子器件模塊與所述海下傳感器設置之間。
12.—種傳輸電力和通信信號的方法,所述方法包括: 提供傳輸線路、電力源、第一通信部件、用于從所述傳輸線路提取并且使用電力的電力提取部件以及用于從所述傳輸線路接收通信信號的第二通信部件，該方法進一步包括控制操作使得電力源在與第一通信部件向所述傳輸線路供應通信信號的相應時間段不同的相應時間段中向所述傳輸線路供應電力。
13.如權利要求12所述的方法，其中，在所述電力源未向所述傳輸線路供應電力的時間段期間，所述第二通信部件向所述傳輸線路供應通信信號以由所述第一通信部件接收。
14.如權利要求12或13所述的方法，其中所述電力提取部件存儲來自從所述傳輸線路提取的電力的電力。
15.如權利要求 14所述的方法，其中所述第一通信部件在存儲的電力的電壓未降到閾值水平以下時向所述傳輸線路供應通信信號，響應于存儲的電力的電壓降到閾值水平以下則來自所述第一通信部件的通信信號未供應給所述線路但電力自所述源供應給所述線路直到存儲的電力的電壓不在所述閾值以下，響應于存儲的電力的電壓不在所述閾值以下則所述第一通信部件向所述傳輸線路供應通信信號。
16.如權利要求12-15中任一項所述的方法,其中開關部件在第一條件下使所述電力源耦合于所述傳輸線路，并且在第二條件下使所述第一通信部件耦合于所述線路。
17.如權利要求15或16所述的方法，其中，如果存儲的電力的電壓在所述閾值以下，所述開關部件處于所述第一條件，但如果存儲的電力的電壓不在所述閾值以下，則所述開關部件處于所述第二條件。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述開關部件由來自所述第二通信部件的信號在所述條件之間切換。
全文摘要
本公開涉及傳輸電力和通信信號。一種用于傳輸電力和通信信號的系統(tǒng)，包括傳輸線路(3)；用于向該傳輸線路供應電力的電力源(5)；第一通信部件(10)，用于向該傳輸線路供應通信信號；電力提取部件(4，6，7)，用于從該傳輸線路提取并且使用電力；第二通信部件(11)，用于從該傳輸線路接收通信信號；和控制部件(8，9)，用于采用以下方式控制系統(tǒng)的操作在系統(tǒng)的使用中，電力源在與第一通信部件向所述傳輸線路供應通信信號的相應時間段不同的相應時間段中向所述傳輸線路供應電力。
文檔編號H04B3/54GK103152079SQ201210521049
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權日2011年12月7日
發(fā)明者S.普基亞努, G.莫爾利, H.斯馬特, J.戴維斯, S.L.C.辛普森 申請人:韋特柯格雷控制系統(tǒng)有限公司