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1、(10)申请公布号 CN 103152079 A (43)申请公布日 2013.06.12 CN 103152079 A *CN103152079A* (21)申请号 201210521049.2 (22)申请日 2012.12.07 11192473.4 2011.12.07 EP H04B 3/54(2006.01) (71)申请人 韦特柯格雷控制系统有限公司 地址 英国布里斯托尔 (72)发明人 S.普基亚努 G.莫尔利 H.斯马特 J. 戴维斯 S.L.C. 辛普森 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 张金金 李浩 (54) 发明名称 传输电力和通。
2、信信号 (57) 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。 (30)优先权数据 (51)I。
3、nt.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103152079 A CN 103152079 A *CN103152079A* 1/2 页 2 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 。
4、： 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。
5、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。
6、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。
7、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. 一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 权 利 要 求 书 CN 103152079 A 2 2/2 页 3 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， 。
8、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。
9、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。
10、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。 权 利 要 求 书 CN 103152079 A 3 1/5 页 4 传输电力和通信信号 技术领域 0001 本发明涉及传输电力和通信信号。 背景技术 0002 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。 0003 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。
11、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。 0004 然而， 该技术确实具有如下的一些内在劣势。 0005 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。 0006 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。 0007 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。 0008 降低或消除这些影。
12、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 0009 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。 0010 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， 。
13、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。 0011 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 说 明 书 CN 103152079 A 4 2/5 页 5 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。 0012 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， 。
14、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。 0013 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。
15、 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。 0014 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。 0015 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。
16、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。 0016 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。
17、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。 0017 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。 0018 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。 0019 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。
18、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。 附图说明 0020 图 1 是本发明的实施例的示意图 ； 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。 说 明 书 CN 103152079 A 5 3/5 页 6 具体实施方式 0021 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。
19、形。 0022 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 1 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。 0023 标号 5 指示在表面平台 1 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。
20、 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。 0024 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。
21、 SEM 电子器 件 8（其包括卡插架和印刷电路板） 供应电力。 0025 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参见下文） 。 进 入的电力和通信信号每个被单独提取， 如下。 0026 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。
22、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。 0027 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。 0028 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。
23、 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。 0029 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 说 明 书 CN 103152079 A 6 4/5 页 7 来切断通信并且回复到电力模式。 0030 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。 0031 通过使用上。
24、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。 0032 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。 0033 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。
25、件封装处的设备配置与在图 1 中示出的相似。 0034 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 1。
26、2 接收通信信号并且传输通信信号到 SEM 12。 0035 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。 0036 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。 0037 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。
27、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。
28、操作使得通信可以重新启动。 0038 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。 0039 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。 0040 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。 0041 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 说 明 书 CN 103152079 A 7 5/5 页 8 的信噪比并且引起更少的通信信号降级。 0042 实现更简单的数据传输。 0043 可以实现对。
29、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。 0044 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。 0045 实现更少的水下电力消耗。 0046 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。 说 明 书 CN 103152079 A 8 1/3 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103152079 A 9 2/3 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103152079 A 10 3/3 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 103152079 A 11 。