专利名称：传输电力和通信信号的制作方法
技术领域：
本发明涉及传输电力和通信信号。
背景技术：
在海上生产控制系统中使用的用于烃类提取井以便在水上设备和安装在海底的水下设备之间传输控制和仪表信号的实现技术中的一个，是电力上通信(COP)的使用，其中通信信号在电力信号上叠加并且与电力信号一起沿脐带电缆中的电力传输线路同时传输。采用该方法来降低脐带电缆内需要的电线的数量，该脐带电缆为水力和电力提供水上和水下设备之间的主要对接。使用COP消除对脐带电缆内单独电力和通信线路的需要，由此降低其总成本。然而，该技术确实具有如下的一些内在劣势。在海下设备级,存在利用例如通信闭塞滤波器和双工器等大型设备来从电力信号分离并且检索通信信号的需要，并且该过程可导致产生电噪声和瞬变。这些海下部件也消耗电力。在水上产生并且通过脐带电缆传输的电力的质量可能是差的并且包含典型的50/60HZ电力频率的电噪声和谐波并且这些可干扰叠加在电力信号上的低电力通信信号。突然的电压瞬变(例如由开关浪涌或电负载的突然变化引起的那些)可能干扰高频通信信号。降低或消除这些影响将导致通信链路的可靠性以及传输信息的总准确度提高。
发明内容
根据本发明，从一个方面，提供用于传输电力和通信信号的系统，其包括:
传输线路；
电力源，用于向该传输线路供应电力；
第一通信部件，用于向该传输线路供应通信信号；
电力提取部件，用于从该传输线路提取并且使用电力；
第二通信部件，用于从该传输线路接收通信信号；
控制部件，用于采用以下方式控制系统的操作:在系统的使用中，电力源在与第一通信部件向该传输线路供应通信信号的相应时间段不同的相应时间段中向该传输线路供应电力。根据本发明，从另一个方面，提供传输电力和通信信号的方法，该方法包括: 提供传输线路、电力源、第一通信部件、用于从该传输线路提取并且使用电力的电力提
取部件，以及用于从该传输线路接收通信信号的第二通信部件，该方法进一步包括控制操作使得电力源在与第一通信部件向该传输线路供应通信信号的相应时间段不同的相应时间段中向该传输线路供应电力。典型地，第二通信部件适合用于向所述传输线路供应通信信号以在所述电力源未向传输线路供应电力的时间段期间由所述第一通信部件接收。典型地，所述电力提取部件包括电力存储部件，用于存储从所述传输线路提取的电力。在该情况下，所述控制部件可以使得所述第一通信部件可以在存储在所述存储部件中的电力的电压未降到阈值水平以下时向所述传输线路供应通信信号，响应于存储在所述存储部件中的电力的电压降到阈值水平以下，来自所述第一通信部件的通信信号未供应给所述线路但电力自所述源供应给所述线路直到存储在所述存储部件中的电力的电压不在所述阈值以下，响应于存储在所述存储部件中的电力的电压不在所述阈值以下，所述第一通信部件可以向所述传输线路供应通信信号。所述控制部件可以包括开关部件，其在第一条件下使所述电力源耦合于所述传输线路，并且在第二条件下使所述第一通信部件耦合于所述线路。在该情况下，所述控制部件可以使得，如果存储在所述存储部件中的电力的电压在所述阈值以下，这样的开关部件处于所述第一条件，但如果其不在所述阈值以下，所述开关部件处于所述第二条件。然后，所述控制部件可以使得所述开关部件由来自所述第二通信部件的信号在所述条件之间切换。典型地，所述电力源是AC电力源，所述提取部件包括变压器，其具有跨所述传输线路连接的一次绕组和跨整流器部件连接的二次绕组。根据本发明的系统或方法可以包括用于海下烃类井的控制系统或在这样的控制系统中传输电力和通信信号的方法。在这些情况下，所述第一通信部件可以分别位于水上位点，所述电力提取部件和所述第二通信部件在海下电子器件模块中并且所述传输线路在所述水上位点和海下电子器件模块之间的脐带电缆中。备选地，所述电力源和所述第一通信部件可以在海下电子器件模块中，所述电力提取部件和所述第二通信部件在海下传感器设置中并且所述传输线路在所述海下电子器件模块与所述海下传感器设置之间。在本发明的下列实施例中，沿传输线路向下流动的电能(在电力频率)在非常小部分的时间被切断以允许采用更高频率通信信号的形式的信息通信沿相同的传输线路传输。同样，电力和通信信号在时分复用上交织(如与一个叠加在另一个上不同)并且在它们之间大致上没有干扰问题。通信信号与电力相比在本质上是高频率并且因此可以在电力传输所花费的时间的一部分中传输。因此可以实现占空比，其确保存在电力的最小损失，并且这连同使用水下电力存储(例如电容器组)可以提供水下设备所需要的恒定电力。采用两个操作模式，如下:
电力供应模式-其中AC电力信号被传输到接收设备、被转换成DC并且用能量对电存储装置充电。当存储的能量充足时，系统进入通信信号传输模式。通信信号传输模式-当实现适当的供应电压时，通信信号被传输并且只要电力供应在操作极限内则该模式持续，在该时间后系统回复到电力供应模式。将意识到，除海上生产控制系统外，本发明(其中传输的波形由与通信信号交织的电力信号(例如50Hz正弦曲线)组成)还具有在其他领域中的应用。
图1是本发明的实施例的示意 图2是图1的实施例的改进形式的示意图；以及 图3是本发明的另一个实施例的示意图。
具体实施例方式
描述使用相似设备配置的两个不同的海上应用来说明时分复用技术(通常用于在单独有序时隙中传输不同类型的通信数据)如何可以用作当前COP技术的备选方案来将电力和通信信号两者沿相同的传输线路传输。然而，本发明能适用于沿相同传输线路传输电力和通信信号的其他情形。图1图示本发明在海下烃类井的生产控制系统中当应用于沿脐带电缆中的传输线路在水上和海下设备之间传输通信(控制和仪表)信号时的使用。图示出水上表面平台I和海下端(特别是在海下电子器件模块(SEM)2)之间经由脐带电缆中的传输线路3的对接。SEM 2通常在物理上容置在海下控制模块内部。SEM包含其自身的变压器、电力供应和双工器，连同一系列电子卡，其进行例如通信、与仪表和传感器对接、控制阀门和液压装置等各种功能。标号5指示在表面平台I处的AC电力源；标号9指示表面平台处的表面开关,其在第一位置使来自源5的电力耦合于传输线路3并且在第二位置使调制解调器10连接到线路3用于传输通信信号到SEM 2 和从SEM 2接收通信信号；并且标号4指示SEM 2中的变压器，其具有跨脐带电缆的线路3连接的一次绕组和跨SEM 2中的常规AC/DC转换器6 (例如桥式整流器和电滤波器)并且还跨SEM2中的调制解调器11连接的二次绕组用于传输通信信号到SEM 2和从SEM 2接收通信信号。转换器6连接到海下电力存储装置7 (例如采用所谓的“超级电容器”的组的形式)。装置7用于向调制解调器11供应电力并且还向与调制解调器11耦合的SEM电子器件8 (其包括卡插架和印刷电路板)供应电力。通过变压器4从脐带电缆中的传输线路3提取通信信号和电力，该变压器4还提供电流隔离。(如果需要的话，可以使用用于电力和通信信号的单独变压器一参见下文)。进入的电力和通信信号每个被单独提取，如下。当开关9处于第一位置时，电力被传输并且存储装置7中的电力积聚并且用于向SEM电子器件8和调制解调器11提供电力。当来自水上的电力由表面开关9的操作而在短时间间隔中被切断时，由存储装置7中容纳的电力对SEM电子器件8供电，表面开关9将表面调制解调器10连接到传输线路3，从而允许到和从海下调制解调器11的通信，通信信号被馈送给SEM电子器件8中的适当的装置。当电力如由SEM电子器件8感测变得不充足时(即，当存储在装置7中的电力的电压降到阈值以下时)，从调制解调器11到调制解调器10的消息促使通信停止并且电力再次由开关9的操作而接通。然后使存储装置7再充电。典型的操作模式如下:
1.电力经由脐带电缆内的线路3在足以充分对电力存储装置7充电所计算的一段时间中传输。2.电力然后由开关9切断，来自SEM电子器件8的消息经由调制解调器11和10传送，从而证实存储装置7充电充足。如果在表面处未接收到该消息，开关9在另外时间段中自动回复到电力模式。重复该过程直到使电力存储装置7充电充足。3.在通信模式期间，存储在装置7中的电力由SEM电子器件8监测，并且当其电压下降到能接收的阈值水平以下时，从调制解调器11至调制解调器10将消息发送到表面来切断通信并且回复到电力模式。4.继续重复该过程，采用受电力存储装置7的再充电要求所支配的速率来使电力和通信信号复用。通过使用上面的本发明的配置，消除了常规的电力供应和例如通信闭塞滤波器和分工器等大型设备的使用。图2图示图1实施例的改进，在该实施例中变压器4用于从线路3提取电力并且单独变压器41用于从线路3提取通信信号并且经由线路3传输通信信号，变压器41的一次绕组跨线路3连接并且变压器41的二次绕组跨调制解调器11连接。图3图示根据本发明的用于向海下使用的远程传感器和烃类井的生产控制系统中的SEM提供电力以及在远程传感器和SEM之间提供通信信号的技术的使用。这消除了对每个传感器具有其自身的电力供应的需要。远程传感器电子器件封装处的设备配置与在图1中示出的相似。标号12指示SEM，其包括AC电力源13 ;标号14指示SEM 12中的开关，其在第一位置使来自源13的电力耦合于传输线路15并且在第二位置使调制解调器16连接到线路15用于从SEM 12传输通信信号和由SEM 12接收通信信号；并且标号17指示远程传感器电子器件封装18中的变压器，其具有跨线路15连接的一次绕组和跨封装18中的AC/DC转换器19 (例如桥式整流器和电滤波器)并且还跨封装18中的调制解调器20连接的二次绕组，用于从SEM 12接收通信信号并且传输通信信号到SEM 12。转换器19连接到封装18中的海下电力存储装置21 (例如采用所谓的“超级电容器”的组的形式)，装置21用于向调制解调器20供应电力并且还向封装18中的传感器单元22供应电力。通过变压器16从传输线路15提取通信信号和电力，该变压器16还提供电流隔离。(如果需要的话，可以使用用于电力和信号的单独变压器)。进入的电力和通信信号每个被单独提取，如下。当开关14处于第一位置时，电力被传输并且存储装置21中的电力积聚并且用于向传感器单元22和调制解调器20提供电力。当来自SEM 12的电力由开关14的操作而在短时间间隔中被切断时，由存储装置21中容纳的电力对传感器单元22供电，开关14将调制解调器16连接到传输线路15，从而允许到和从调制解调器20的通信。当装置21中的存储电力因为其电压已经降至阈值以下而变得不充足(如由单元22感测的)时，调制解调器20发送消息至调制解调器16使得通信被停止并且电力再次由开关14的操作而接通。然后使存储装置21再充电并且当存储的电力变得充足时，如由单元22感测的，从调制解调器20至调制解调器16的消息促使开关14被操作使得通信可以重新启动。通信信号是到传感器单元22的控制信号和来自传感器单元22的数据，其经由调制解调器16和20被传输和接收。关于图1的系统，只要来自存储装置21的供应电压在操作极限内，双向传输持续，否则它返回电力供应模式。使用本发明的优势
它保留了使用单个传输线路来运送电力和通信信号两者。可以获得由电力和信号提取设备引起的谐波、噪声和瞬变的减少，从而导致更好的信噪比并且弓I起更少的通信信号降级。实现更简单的数据传输。可以实现对用于使电力与通信信号分离的大型、噪声、闭塞滤波器和分工器的需要，因此节省成本和空间。对于传感器应用，它能够消除利用其关联的电缆和在SEM和传感器单元处的连接器为每个传感器提供专用电力供应的需要，从而节省成本和空间。实现更少的水下电力消耗。存在通过使用局域网(LAN)而减少场传感器的分布架构的可能性，从而在电缆和连接器方面形成另进一步的节约并且进一步提高可靠性。其他拓扑也是可能的。
权利要求
1.一种用于传输电力和通信信号的系统，包括: 传输线路； 电力源，用于向所述传输线路供应电力； 第一通信部件，用于向所述传输线路供应通信信号； 电力提取部件，用于从所述传输线路提取并且使用电力； 第二通信部件，用于从所述传输线路接收通信信号； 控制部件，用于采用以下方式控制系统的操作:在系统的使用中，电力源在与第一通信部件向所述传输线路供应通信信号的相应时间段不同的相应时间段中向所述传输线路供应电力。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二通信部件适合用于在所述电力源未向所述传输线路供应电力的时间段期间，向所述传输线路供应通信信号以由所述第一通信部件接收。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中所述电力提取部件包括用于存储从所述传输线路提取电力的电力存储部件。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述控制部件使得所述第一通信部件能够在存储在所述存储部件中的电力的电压未降到阈值水平以下时向所述传输线路供应通信信号，响应于存储在所述存储部件中的电力的电压降到阈值水平以下则来自所述第一通信部件的通信信号未供应给所述线路但电力自所述源供应给所述线路直到存储在所述存储部件中的电力的电压不在所述阈值以下，响应于存储在所述存储部件中的电力的电压不在所述阈值以下则所述第一通信部件能够向所述传输线路供应通信信号。
5.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述控制部件包括开关部件，其在第一条件下使所述电力源耦合于所述传输线路，并且在第二条件下使所述第一通信部件耦合于所述线路。
6.如权利要求4或5所述的系统，其中所述控制部件使得，如果存储在所述存储部件中的电力的电压在所述阈值以下则所述开关部件处于所述第一条件，但如果存储在所述存储部件中的电力的电压不在所述阈值以下则所述开关部件处于所述第二条件。
7.如从属于权利要求2的权利要求6所述的系统，其中所述控制部件使得所述开关部件由来自所述第二通信部件的信号在所述条件之间切换。
8.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述电力源是AC电力源，所述提取部件包括变压器，其具有跨所述传输线路连接的一次绕组和跨整流器部件连接的二次绕组。
9.如权利要求1-8中任一项所述的系统，其包括用于海下烃类井的控制系统。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述电力源和所述第一通信部件每个位于水上位点，所述电力提取部件和所述第二通信部件在海下电子器件模块中并且所述传输线路在所述水上位点和所述海下电子器件模块之间的脐带电缆中。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述电力源和所述第一通信部件在海下电子器件模块中，所述电力提取部件和所述第二通信部件在海下传感器设置中并且所述传输线路在所述海下电子器件模块与所述海下传感器设置之间。
12.—种传输电力和通信信号的方法,所述方法包括: 提供传输线路、电力源、第一通信部件、用于从所述传输线路提取并且使用电力的电力提取部件以及用于从所述传输线路接收通信信号的第二通信部件，该方法进一步包括控制操作使得电力源在与第一通信部件向所述传输线路供应通信信号的相应时间段不同的相应时间段中向所述传输线路供应电力。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在所述电力源未向所述传输线路供应电力的时间段期间，所述第二通信部件向所述传输线路供应通信信号以由所述第一通信部件接收。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中所述电力提取部件存储来自从所述传输线路提取的电力的电力。
15.如权利要求 14所述的方法，其中所述第一通信部件在存储的电力的电压未降到阈值水平以下时向所述传输线路供应通信信号，响应于存储的电力的电压降到阈值水平以下则来自所述第一通信部件的通信信号未供应给所述线路但电力自所述源供应给所述线路直到存储的电力的电压不在所述阈值以下，响应于存储的电力的电压不在所述阈值以下则所述第一通信部件向所述传输线路供应通信信号。
16.如权利要求12-15中任一项所述的方法,其中开关部件在第一条件下使所述电力源耦合于所述传输线路，并且在第二条件下使所述第一通信部件耦合于所述线路。
17.如权利要求15或16所述的方法，其中，如果存储的电力的电压在所述阈值以下，所述开关部件处于所述第一条件，但如果存储的电力的电压不在所述阈值以下，则所述开关部件处于所述第二条件。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述开关部件由来自所述第二通信部件的信号在所述条件之间切换。
全文摘要
本公开涉及传输电力和通信信号。一种用于传输电力和通信信号的系统，包括传输线路(3)；用于向该传输线路供应电力的电力源(5)；第一通信部件(10)，用于向该传输线路供应通信信号；电力提取部件(4，6，7)，用于从该传输线路提取并且使用电力；第二通信部件(11)，用于从该传输线路接收通信信号；和控制部件(8，9)，用于采用以下方式控制系统的操作在系统的使用中，电力源在与第一通信部件向所述传输线路供应通信信号的相应时间段不同的相应时间段中向所述传输线路供应电力。
文档编号H04B3/54GK103152079SQ201210521049
公开日2013年6月12日 申请日期2012年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者S.普基亚努, G.莫尔利, H.斯马特, J.戴维斯, S.L.C.辛普森 申请人:韦特柯格雷控制系统有限公司