基于電力線載波通信的油井通信系統

摘要 油田采油過程中常常需要對井下溫度和壓力等參數進行實時監測，以充分了解井下信息。文中就此問題提出了一種井下數據傳輸方案，該系統的核心是采用SSC P485擴頻通信芯片，結合SSC P111放大芯片，利用電力線載波通信技術，通過油井中的電力線實現數據傳輸。實驗證明，該方案便于監測人員對數據的采集和及時了解井下情況。
關鍵詞 電力線載波；擴頻通信；SSC P485

在石油資源勘探和開采過程中，探明油層的地質結構、測試油井的工作狀態對保持資源的可持續利用有著重要的意義。測井系統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，傳輸到井上以供分析。針對下潛泵式的抽油井，可以利用泵的供電電纜，設計一個基于電力線載波的遠程監控系統，用以實現遠程數據的采集和傳輸，同時將接收終端接收到的數據及時傳遞給計算機，以便監測人員對參數進行查詢，及時了解井下情況。
實現低壓電力線通信的技術難點之一是解決噪聲干擾問題，由于低壓電力網上的負載千變萬化，同時由于用戶用電的隨機性，導致網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的干擾，因此該系統采用擴頻通信芯片SSC P485利用chirp擴頻通信技術實現信號的收發，針對高頻噪聲，設計了一個帶通濾波器濾除帶外噪聲。另外，還設計了一個電容耦合與電感耦合相結合的耦合電路，用以從工頻噪聲中分離出擴頻信號。在實驗室用1 200 m的電力線實現了數據的成功傳輸，試驗結果較為理想，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
1．1 CEBus簡介
CEBus(Consumer Electrics Bus，消費電子總線)是EIA位消費電子產品制定的一種通信和產品互操作性的標準，該標準定義了在家用電器之間通信所使用的通信介質和協議，使得遵循同樣標準的家用電器設備可以即插即用，并能共同工作，實現家庭自動化，CEBus采用了簡化的OSI模型，分為物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層。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絡，使用載波偵聽多重訪問和沖突檢測與沖突分辨協議。目前，電力線是CEBus中使用最廣泛的介質。CEBus定義了一種“公共應用語言”(Common Application Language，CAL)來實現網絡設備的通訊。
1．2 CEBus的物理層通訊
電力線最初設計是用作提供電力，而不是用作進行數據通信。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時，采用擴頻載波(Spectrum Spread carrier)通訊來實現控制流。擴頻載波通信就是用帶寬遠大于發送信息所需最小頻帶寬度的信號傳輸數據。依據是信息論和抗干擾性理論，即香農公式。香農關于噪聲信道的主要結論是：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的信號噪聲功率比S／N下降時，可用增加系統傳輸帶寬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。擴頻通信技術正是利用這一理論，用高速的擴頻碼擴展要傳輸的數字信息的帶寬。擴頻通信系統的帶寬比常規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的頻率結束。從203 kHz經過19個周期線性地變為400 kHz，再在1個周期內變為100 kHz，然后在5個周期中變為203 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定，所以，只要將濾波器設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特性，這種模糊邏輯的相關性決定了所有連接在網絡上的設備，可以同時識別從網上任意設備發出的這種獨特波形，并且不需要在發送和接收設備間進行同步，從而避免了使用復雜的同步設備，降低了系統成本。