用于电子潜水泵的接地故障免疫数据测量系统的系统与方法技术领域
本发明一般涉及与井中的井下电动潜水泵配合使用的数据测量
系统，并且更具体地，涉及用于此类系统的数据传输和接地故障保护。
背景技术
采用各种钻井系统和生产系统以从地球寻找并提取石油、天然
气、以及其他资源。这种系统的油井由于油藏的各种条件可能具有减
少的产量，并且使用机械采油系统以改善石油产量。一些机械采油系
统可以使用井下电动潜水泵以将石油抬升到地面以进行采收。电动潜
水泵可以从地面接收电力，例如通过沿生产管道部署的电缆。电动潜
水泵组还可以包括测量各种参数的数据测量系统。该数据测量系统通
常从泵电力电缆接收电力并且通过电机绕组传输数据，并且经由电力
电缆向地面传输数据。然而，这种系统的数据传输速率受电机绕组和
电力电缆的电阻抗的限制。此外，这种系统在发生部分或完全接地故
障时不能传输数据。
发明内容
本文提供了用于电动潜水泵的接地故障免疫数据测量系统的系
统与方法的各种实施例。在一些实施例中，提供了一种耦接至电动潜
水泵(ESP)的数据测量系统。所述系统包括：地面单元，其耦接至
三相电力电缆，所述三相电力电缆耦接至所述ESP的三相电机；以及
井下单元，其耦接至所述ESP的电机并且位于井中的井下。所述井下
单元包括：多个传感器；以及处理器，其耦接至所述传感器并且配置
为接收传感器数据。所述井下单元还包括调制器，其耦接至所述处理
器并且配置为生成多路频率调制载波信号，用于将所述传感器数据运
载至所述地面单元，所述多路频率调制载波信号中的每一路运载相同
的传感器数据并且调制为独有的频率。此外，所述井下单元电容性地
耦接至所述ESP的电机的电机绕组，并且配置为穿过所述电容性耦接
并且通过所述三相电力电缆向所述地面单元传输所述多路载波信号。
在另一实施例中，提供了一种从井的井下区域传输数据的方法。
所述方法包括：从位于数据测量系统的井下单元中的多个传感器接收
传感器数据，所述井下单元位于所述井的井下区域中；以及通过所述
井下单元的调制器将所述传感器数据编码到多路频率调制载波信号
中。所述方法还包括：通过所述井下单元的复用器对所述多路载波信
号进行复用以产生复用的载波信号；以及通过穿过电动潜水泵的三相
电机的每个电机绕组的电容性耦接将所述复用的载波信号分流到三
相电力电缆。所述方法还包括：通过所述三相电力电缆的每一条线路
向地面单元传输所述复用的载波信号。
在另一实施例中，提供了一种耦接至位于井的井下区域中的电
动潜水泵(ESP)的数据测量系统。所述数据测量系统包括：多个传
感器，其配置为产生传感器数据；以及处理器，其配置为将所述传感
器数据编码到第一频率处的第一频率调制载波信号、第二频率处的第
二频率调制载波信号、以及第三频率处的第三频率调制载波信号中。
所述处理器还配置为：对在第四频率处的第四频率调制载波信号中接
收的控制数据进行解码，其中所述第一频率、第二频率、第三频率、
以及第四频率为不同的频率。所述数据测量系统还包括：至所述ESP
的三相电机的三个电机绕组的电容性耦接，其中所述频率调制载波信
号穿过所述电容性耦接传输到三相电力电缆。
附图说明
图1为根据本技术的一个或多个实施例的具有电动潜水泵的系
统的示意图；
图2为根据本发明的实施例的数据测量系统的地面单元和井下
单元的示意图；
图3为根据本发明的实施例的数据测量系统的井下单元的示意
图；
图4为根据本发明的实施例的数据测量系统的地面单元的示意
图；
图5为根据本发明的实施例的载波信号的传输的示意图；
图6为示出根据本发明的实施例的命令数据载波信号的解码的
示意图；
图7为根据本发明的实施例的用于传感器信号的生成和传输的
过程的框图；
图8为根据本发明的实施例的用于非隔离井下电子电源的输入
滤波器和降压调节器电路的示意图；
图9为根据本发明的实施例的多输出降压调节器电路的示意图；
图10为根据本发明的实施例的具有耗散阻尼的无源极低频(VLF)
滤波器电路的示意图；
图11为根据本发明的实施例的具有非耗散阻尼的VLF滤波器电
路的示意图；以及
图12为根据本发明的实施例的用于非隔离井下电子电源的两级
开关调节器的示意图。
虽然本发明对各种修改和替选形式的敏感，但是其各个具体实
施例在附图中以示例的方式示出并且将在本文中进行详细的描述。附
图可以不按比例绘制。然而应当理解，附图及对其的详细描述不旨在
将本发明限制于公开的具体形式，而相反，本发明应涵盖落在如随附
的权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等价物、和
替选方案。
具体实施方式
如在下面更详细地讨论的那样，在一些实施例中提供了用于电
动潜水泵的接地故障免疫数据测量系统的系统与方法。数据测量系统
包括地面单元和井下单元，其耦接至井的井下的电动潜水泵。地面单
元可以位于用于电动潜水泵的控制器中，该控制器也位于地面上并且
通过三相电力电缆向所述泵提供电力。井下单元包括多个传感器，例
如温度传感器、压力传感器、振动传感器、电压传感器、以及使用差
压传感器的流量计。井下单元通过频率调制载波信号向地面单元传输
传感器数据。所述信号通过穿过电动潜水泵的电机的电机绕组的每个
相位的电容性连接进行传输。此外，在一些实施例中控制数据从地面
单元传输到井下单元。
井下单元包括各种组件，包括数字信号处理器、复用器和调制
器、多个滤波器、以及多个放大器。用于运载传感器数据的载波信号
生成在三个分离的频率处，用编码数据进行调制，并且通过电容性耦
接穿过每个电机绕组进行传输。地面单元包括数字信号处理器、复用
器和调制器、多个滤波器、以及多个放大器，并且从连接至电动潜水
泵的三相电力电缆接收载波信号。地面单元对载波信号进行解复用和
解调。这就提供传感器数据以输入到耦接至地面单元的计算机中。通
过比较测量的载波信号的振幅，可以检测到电缆故障和/或相位故障
的存在和/或位置。
图1示出了根据本发明的实施例的具有地面104下的井102的
系统100。系统100包括生产管道106，其在井中井下地延伸至地下
资源108，例如油藏或天然气藏。如将领会的，在地面上，生产管道
106可以连接至各种控制和调节装置(例如，“采油树”)、管道、
以及用于生产石油或其他资源的其他组件。
电动潜水泵(ESP)110可以耦接至生产管道106的井下端。电
动潜水泵可以通过生产管道106将地下资源108的石油或其他资源抽
运至地面104上的生产设备(例如，作为机械采油系统的一部分)。
ESP110连接至向ESP110提供电力用于工作的三相电力电缆112并
且从中接收电力。三相电力电缆112耦接至地面104上的ESP控制器
114。ESP控制器114可以通过三相电力电缆112向电动潜水泵110
提供控制和电力。
系统100可以包括根据下面进一步描述的各实施例的数据测量
系统116。数据测量系统116包括耦接至电动潜水泵110的井下单元
(DHU)118。例如，在一些实施例中DHU118可以在电动潜水泵组内
部并且可以安装在泵的电机的底部。DHU118可以包括多个数据处理
传感器(S)120。多个传感器120可以包括用于测量压力、温度、振
动、电压或者如下面讨论的其他各个参数的各种传感器。
数据测量系统116还包括地面单元(SU)122，其位于地面104
上并且可以是ESP控制器114的一部分。如在下面进一步描述的，SU
122可以包括从三相电力电缆112(例如，通过地面线路)接收通信
和控制数据并且例如通过多个滤波器和电压控制连接至地面通信系
统的电容性地或电感性地耦接的多个附件。在一些实施例中，SU122
耦接至计算机124。计算机124可以包括台式计算机、便携式计算机、
平板计算机、智能手机、或者其他计算机。计算机124可以包括一个
或多个处理器、易失性存储器(例如，RAM)、非易失性存储器(例
如，硬盘驱动器、固态驱动器等等)、显示器、网络接口、输入和输
出装置、以及各种其他组件。计算机124可以执行用于显示和处理传
感器数据的分析软件、用于控制SU122和DHU118的各组件的控制
软件、以及用在数据测量系统116的工作中的其他软件。
图2为示出DHU118、ESP110的电机201、和SU122之间的连
接的简化示意图200。如图2所示，DHU118例如从耦接至DHU118
的各传感器接收串行输入数据202。该DHU还包括多个放大器204(例
如，线路驱动器)、复用器与调制器206、以及多个滤波器208。传
感器数据载波信号通过放大器204A、复用器与调制器206、第二放大
器204B、然后通过多个线路滤波器208提供给电机201。在一些实施
例中，复用器与调制器206为改进异步数字用户线路(ADSL)类型宽
带复用与调制系统。DHU118连接至ESP110的电机201的Y点210
(也被称为“星点”)，并且载波信号有足够高的频率以穿过平行于
电机绕组的每个相位而存在的寄生电容(如电容性连接212所示出)
进行连接。因此，向地面传输数据的载波信号通过电容性连接212
将各电机绕组分流到三相电力电缆112上，而且不通过各电机绕组自
身进行传导。因此，在传输的载波信号上进行编码的数据率不受电机
绕组201的电感性阻抗的限制，从而允许增加的传感器数据的传输率。
如示意图200所示，通过三相电力电缆112向地面和SU122传
输载波信号。如下面描述的，通过调整载波频率以匹配ESP电机201
的各绕组和三相电力电缆112的阻抗来实现载波信号的传输。此外，
()至电机201的连接可以是至电机的Y-点210上的单点。在一些
实施例中，发生在Y-点处的AC电压可以用作电流源以给ESP110的
监控器供电。
应当领会的是，任何数量的载波信号可以在任一方向上进行传
输，例如，从DHU118至SU122或者从SU122至DHU118。从DHU118
传输至SU122的每一路载波信号可以运载相同的数据，例如，从DHU
118的各传感器接收的传感器数据。在一些实施例中，使用了四个不
同频率处的四路载波信号。在这样的实施例中，载波信号可以包括
64kHz处的第一载波、96kHz处的第二载波、128kHz处的第三载波、
以及160kHz处的第四载波。在这样的实施例中，前三路载波信号可
以各自将相同的数据，例如，传感器数据，从DHU118运载至SU122，
而第四载波信号可以将控制数据从SU122运载至DHU118。如下面
描述的，各路载波信号的振幅用于确定各电力相位的状态并且用于提
供宽的系统带宽以应对不同的电机和电力电缆特性。
如上所提，在一些实施例中，可以用附加载波信号将控制数据
从SU122运载至DHU118。控制数据可以用于控制ESP110的电机
下的各个致动器并且用于设置诸如信号增益等数据获取参数。在这样
的实施例中，控制数据载波信号可以具有与将数据从DHU118传输至
SU122的载波信号相同的数据率性能。因此，在具有四路载波信号
的一些实施例中，前三路载波信号(例如，载波1、载波2、和载波
3)可以用于运载传感器数据而第四载波信号可以用于运载控制数据。
SU122从DHU118接收载波信号并且将串行输出数据214输出
至外部装置，例如至计算机124。SU122可以包括多个线路滤波器
216、多个放大器218、以及解复用器与解调器220。载波信号在被提
供给解复用器与解调器220之前,在线路滤波器216处接收并且通过
放大器218A、218B、和218C放大。解调器220锁定在各载波频率上
并且复原用于调制各载波的原始信号。随后通过放大器218D放大解
调的信号并且作为串行输出数据214输出。此外，如下面描述的，可
以分析各载波信号的振幅以评估个各种线路或相位问题。
图3示出了根据本发明的实施例的DHU118的详细示意图。DHU
118可以包括通过经由下面描述的各组件而至ESP电机201的Y-点
210的连接来传输传感器数据的多个传感器。如上所提，DHU118可
以包括提供不同参数的数据测量的各种传感器120。传感器120可以
包括压力传感器(例如，石英式、应变计式)、温度传感器、振动传
感器、电压与电流传感器、以及用于流量计的差压传感器阵列。在一
些实施例中，差压传感器阵列可以包括四个压力换能器。在一些实施
例中，传感器120可以包括：两个压力传感器、两个温度传感器、两
个振动传感器、四个用于流量计的压力传感器、以及四个电压与电流
传感器。传感器120所测量的数据可以包括泵轴承数据300、载波振
幅数据302、流量计数据304、以及压力、温度、和振动数据306。
DHU118为传感器数据生成载波信号并且可以包括用于各传感器和各
致动器的相位保护和电源。在一些实施例中，传感器数据在每秒、每
两秒、每三秒、每四秒、或者每五秒或更长时间进行更新。在一些实
施例中，生成三路载波信号用于将信号数据从DHU118运载至地面。
在一些实施例中，三路载波信号为分离32kHz保护带的64kHz、96kHz、
和128kHz的频率调制载波。在一些实施例中，载波信号被调制为直
接数字数据或频率键控(FSK)数字音调。在这样的实施例中，可以
发展各个边带，其在每段载波频谱中分离约16kHz。此外，在一些实
施例中三路载波信号在时域上延迟以确保两路载波信号将在第三载
波信号的数据转换点处发生电源切换时提前或延迟。此外，各载波信
号的频率完全独立于三相电力电缆112的电力线路频率。
DHU118包括数字信号处理器(DSP)308、多个放大器310(例
如，线路驱动器)、复用器与调制器312、输入-输出滤波器314、多
个载波振幅比较器316、复用器与解调器318、以及电源320。可以
由数字信号处理器(DSP)308获取和处理数据300、302、304、和
306。DSP308可以管理传感器数据并且包括数据过滤、增益、和偏
移。通过放大器310A放大数据并且提供给复用器与调制器312。复
用器与调制器312生成频率调制载波信号，其随后通过放大器310B
放大并且提供给输入-输出滤波器314。在一些实施例中，复用器与
调制器312为改进异步数字用户线路(ADSL)类型宽带复用与调制系
统。如上所提，DHU118还包括电源320，其可以向传感器120、各
致动器、以及DHU118的其他各组件提供电力。
上面描述的三路载波信号各自运载相同的数据并且提供冗余和
应对众多电机和电缆类型的能力，因为不同的载波频率不同地受电机
寄生电容和电力电缆电容的影响。三路载波信号(例如，通过复用器
与调制器312)被复用，并且如上描述，通过三相电力电缆112穿过
ESP电机的各电机绕组中固有的电容性效应212传输到地面。有利地，
因为数据在所有三个电力相位中是相同的，多达两个相位的部分或整
体失效并不阻止传感器数据到达地面。因此，在此描述的数据测量系
统提供电机或地面处的对接地故障的免疫。载波信号从输入-输出滤
波器314提供给ESP电机，并且如上描述，通过穿过ESP电机的各绕
组的电容性连接212并传输到三相电力电缆112上。如上描述，DHU
118电容性地耦接至ESP电机201的Y-点210。在一些实施例中，在
DHU发射器电路的输出与ESP电机的Y-点之间存在附加电容性耦接以
防止DC偏移影响各个发射器。此外，在地面上对载波信号的RMS或
峰峰值振幅进行监控和测量(例如，通过比较器316)。如在此描述，
对载波信号的振幅的监控可以提供关于至ESP电机201的三相电力传
输的每个相位的良好状态或问题的信息。
在一些实施例中，如上所提，使用附加频率调制载波信号在地
面与DHU118之间运载控制数据。控制数据载波信号可以在三相电力
电缆112上通过至电机201的Y-点210的连接穿过各电机绕组中固
有的电容性效应212并且穿过电容性耦接(其在“Y”点处保护各DHU
发射器免受DC偏移的影响)传输至DHU118。在这样的实施例中，
控制数据载波信号可以(例如，由解调器318)解调以获得控制数据
322。在一些实施例中，复用器与解调器318为改进异步数字用户线
路(ADSL)类型宽带复用与调制系统。控制数据可以包括用于调节
DHU118的各参数以及执行补救诊断的命令。
图4示出了根据本发明的实施例的SU122的示意图。如图4所
示，SU122包括多个输出滤波器402、多个输入-输出滤波器404、
AC供应电压406、多个放大器408(例如，线路驱动器)、多个分压
器410、复用器与调制器412、复用器与调制器414、多个载波振幅
比较器416、以及DSP418。此外，上面提到的计算机124耦接至SU
122。SU122连接至AC电压406，其给ESP110供电以及在一些实施
例中通过三相电力电缆112给DHU118供电。如上所提，SU122可
以是具有下面描述的各组件的外壳并且可以布置在用于ESP110的控
制器114的内部。在一些实施例中，SU122可以包括用于连接至外
部网络的串行接口和网络接口(例如，TCP/IP接口)。
SU122借助通过三相电力电缆112传输的载波信号接收数据400
(例如，从DHU118接收的传感器数据)。在一些实施例中，数据
400可以包括例如两个温度、两个压力、三个振动、四个差压、三个
电压(例如，Y-点电压和电源)。在一些实施例中，如上所提，数据
400可以在每秒、每两秒、每三秒、每四秒、或者每五秒或更长时间
进行更新。有利地，如上所提传感器数据400在三相电力电缆的每个
线路上进行复制，从而在发生一个或多个线路失效的事件时提供冗余。
此外，如上所提，控制数据401可以从SU122传输。SU122可以通
过直接连接或者通过夹式耦合变压器连接至三相电力电缆122的各
线路。此外，如在此描述，SU122可以向DHU118传输命令数据。
可以由输出滤波器402接收和滤波传入载波信号的每个相位并
且提供给分压器410。此外，由输入-输出滤波器404接收和滤波载
波信号。在分压器410之后，载波信号被放大(通过放大器408A、
408B、和408C)并且被提供给载波振幅比较器416。载波振幅比较器
416可以基于载波信号的振幅将相位状态数据输出到DSP418。相位
状态数据可以允许确定电路或相位故障的位置。在SU122处复原的
相对振幅水平提供距地面的比例振幅/距离，因此允许确定故障的位
置。例如，如果载波信号在相位B上的振幅是相位A和相位C的振幅
的25％，则对相位B载波信号的源阻抗进行评估将提供发生振幅减小
的地方距地面的距离，因此，发生故障的地方离地面的距离。
还由输入-输出滤波器404接收并滤波载波信号，通过放大器
408D放大，并随后解复用并解调(例如，由解复用器与解调器414)
以从载波信号提取传感器数据。在一些实施例中，解复用器与解调器
414为改进异步数字用户线路(ADSL)类型宽带复用与调制系统。随
后，通过放大器408E放大传感器数据并提供给DSP418。随后，可
将传感器数据提供给计算机124用于分析。计算机124可以以各种格
式显示传感器数据用于给计算机124的用户查看并评估。计算机124
可以包括例如载波振幅数据分析软件、传感器数据记录和分析软件、
以及其他软件。此外，在一些实施例中，可以通过SU122的串行接
口或网络接口将数据发送至外部计算机。
此外，在一些实施例中，可以从计算机124向DHU118提供控
制数据。在这样的实施例中，通过调制器412生成针对控制数据的频
率调制载波信号并随后通过放大器408F放大。在一些实施例中，调
制器412为改进异步数字用户线路(ADSL)类型宽带复用与调制系统。
放大的控制数据载波信号通过输入-输出滤波器404传输至三相电力
电缆112上以被DHU118接收(事件发生的顺序)。此外，在一些实
施例中，命令数据可以包括用于ESP110之下的各个井组件(例如电
磁阀和电机驱动)的控制数据。此外，这样的组件可以通过连接至
ESP110的电机的Y-点来供电。
在一些实施例中，命令数据载波信号为160kHz载波信号并且可
以调制为直接数字数据或FSK数据。这里再次的，可以发展各个边带，
其在载波通带频谱中分离约16kHz。从ESP110的电机的Y-点处的连
接提取控制数据并提供给DHU118。
在一些实施例中，SU122还可以包括电源以在至ESP110的三
相电力关闭并且ESP110不运行时提供电力。在这样的实施例中，
电源可以是所有电源相位上的DC电源并且可以由切断装置
(currenttrip)或隔离器进行隔离，以确保对三相电力电缆112
的各相位中的接地故障或线路断裂的保护。因此，在此描述的数据
测量系统可以能够在发生完全相位故障或甚至两个相位故障的事件
中提供传感器数据。在一些实施例中，即使ESP110关闭，SU122
也可以向DHU118的各传感器提供低电压DC电源，并且该DC电源
可以如同正常电源那样通过ESP电机的各电机绕组并且由DHU118
接收。
图5示出了根据本发明的实施例的载波信号的传输。如图5所
示，可以使用各种微控制器来处理并传输载波信号。如图所示，监控
微控制器500可以向三个微控制器504(例如，通道1微控制器、通
道2微控制器、和通道3微控制器)传输数字化与辅助传感器数据
502。在一些实施例中，各微控制器可以实施在上面描述的DSP中。
此外，时钟信号506传输至微控制器504并且用于对来自微控制器
504的输出进行计时。微控制器504中的每一个可以将数据编码为离
载波中心频率的频率偏移。在一些实施例中，根据仪表组(IRIG)C
常数带宽系列来选择载波频率。例如，在一些实施例中，载波偏移为
+/-8kHz。因此，在这样的实施例中，对于64kHz载波信号，逻辑“0”
使载波信号偏移至60kHz，而逻辑“1”使载波信号偏移至68kHz。在
一些实施例中，微控制器504可以以8MHz计时并且可以具有250ns
的计时分辨率。在这样的实施例中，微控制器504可以得到128kHz
的最高载波频率。在一些具有三路载波信号用于运载信号数据的实施
例中，所使用的载波频率和计时偏差如下面的表1：
载波频率
计时偏差
128kHz(120kHz～136kHz)
980ns
96kHz(88kHz～102kHz)
1.56uS
64kHz(56kHz～72kHz)
3.96uS
表1：载波频率和计时偏差
载波信号的计时粒度可以由微控制器504的时钟速度来控制，
因此确定偏移的载波频率的绝对准确性。对于具有二元逻辑值的FSK
调制载波信号，绝对准确性可以不是首要的考虑。在其他实施例中，
如果使用更高分辨率或更高载波频率，则微控制器504可以以更高的
速度(例如，高达25MHz)计时。
载波信号508从每个微控制器504输出并且被提供给低通滤波
器与增益电路510。在一些实施例中，载波信号被合成为方波频率并
且被滤波以创建正弦波形。低通滤波器与增益电路508可以从监控微
处理器500接收增益控制信号。可以通过从SU122传输的命令数据
接收增益控制信号的配置。增益控制信号可以允许对个体载波的振幅
进行调节。滤波的载波信号512用复用器514进行复用并且复用的信
号516通过放大器(例如，线路驱动器518)耦接至传输接口。
如上描述，命令数据还可以通过另一个载波信号从SU122传输
至DHU118。图6示出了根据本发明的实施例的命令数据载波信号的
解码。命令数据载波信号600可以通过线路接口提供给带通滤波器
602。通过带通滤波器602提取命令数据载波信号600并提供给锁相
环路604。锁相环路604可以对所接收的控制数据进行解调。随后，
解调的控制数据被提供给监控微控制器606用于进一步处理。例如，
可以将来自控制数据的命令提供给合适的组件，例如，传感器、致动
器、或者其他组件，用于命令的执行。图6中示出的各组件可以实施
在上面描述的DHU118的各组件中，例如DSP308。
图7示出了根据本发明的实施例的用于传感器数据的生成和传
输的过程700。最初，可以从各传感器接收传感器数据(框702)。
如上描述，传感器数据可以包括例如两个温度、两个压力、三个振动、
四个差压、三个电压(例如，Y-点电压和电源)、以及载波振幅水平。
接下来，将传感器数据编码到三路频率调制载波信号中(框704)。
如上描述，所述信号可以被调制为分离了例如32kHz保护带的三个单
独的载波频率。因此，在一些实施例中，三路载波信号可以调制为
64kHz、96kHz、和128kHz的频率。接下来，三路载波信号被复用(框
706)。复用的载波信号通过电容性耦接穿过三相ESP电机的各个电
机绕组进行分流(框708)。复用的载波信号在耦接至ESP电机的三
相电力电缆的各个相位线路上从DHU传输(框710)。应当领会，在
传感器数据的生成和传输中使用的其他动作，例如放大、滤波、以及
其他信号处理也可以进行，如上面在对DHU118的讨论中描述的。
在SU处接收在三相电力电缆的每条线路上传输的载波信号(框
712)。可以从复用的载波信号中提取针对每个载波信号的载波振幅
数据(框714)。也对复用的载波信号进行解码，例如解调(框716)，
并且从载波信号中提取传感器数据(框718)。接下来，提取的传感
器数据和振幅数据被提供给耦接至SU的计算机用于进一步分析(框
720)。例如，如上描述，可以根据对各载波信号的振幅数据的比较
来确定线路或相位故障的位置。应当领会，在接收和解码载波信号时
使用的其他动作，例如放大、滤波以及其他信号处理也可以进行，如
上面在对SU122的讨论中描述的。此外，从SU传输至DHU的其他载
波信号，例如控制数据载波信号，可以以类似于上面描述的方式生成
并传输，其中生成和传输发生在SU122处而接收和解码发生在DHU
118处。
虽然上面描述的各实施例可涉及用于传感器数据的传输的三路
载波信号以及用于控制数据的传输的第四载波信号，但是应当领会到
的是，更多或更少数量的载波信号可以与上面描述的技术配合使用。
例如，在其他实施例中，可以使用五、六、七、八、或更多路载波信
号。可以进行这样的增加以提高更新速率、增加冗余或者两者皆有。
此外，上面描述的数据测量系统中也可以包括更多或更少的传感器，
随之而来的是在DHU处接收并传输至SU的传感器数据的相应增加或
减少。
在一些实施例中，非隔离井下电子电源可以用在上面描述的ESP
系统中。如在下面进一步描述的，所述电源可以提供源自三相ESP
电机星点(例如，上面描述的Y-点210)的DC功率。在一些实施例
中，所述电源可以接收30-40VDC输入电压并且提供5V(在0.5A处)
和24V(在2.0A处)的调节DC输出电压。在这样的实施例中，所述
电源可以提供10W的DC输出功率并且可以不包括任何DC输出隔离。
有利地，电源可以与通过输入电源线路发信号的低频FM调制解调器
兼容。
在一些实施例中，电源包括并入了过电压保护的一个或多个极
低频(VLF)输入滤波器。如将领会的，这样的VLF输入滤波器可以
允许低电压DC功率。此外，前端输入滤波器的输入阻抗可以在耦接
至各电源线路的通信调制解调器的信号带宽上是“高”的，以使得信
号传播不会衰减。此外，所述输入阻抗可以在30-70Hz高电压AC功
率频谱上是“更高”的，以使得AC功率被拒绝而至多只残留一伏的
一小部分通过输入滤波器传输至井下电子电源DC输入。
鉴于上述情况，图8示出了根据本发明的实施例的用于非隔离
井下电子电源的具有过电压保护的输入滤波器与降压调节器电路
800。电路800包括VLF输入滤波器802、+24VDC降压调节器804、
以及+5VDC降压调节器806。如图8所示，电路800包括至通信调制
解调器滤波器接口的输入808以及至电源(例如，上面描述的ESP
电机的Y-点210)的输入810。电路800包括经由地、生产管道、或
者两者的接地812。来自电路800的输出包括+24VDC输出814和返
回816、+12VDC输出818和返回820、以及0V输出822。电路800
包括DC功率星点823。
VLF输入滤波器802包括具有非耗散阻尼器的二阶LC滤波器。
在一些实施例中，VLF输入滤波器802可以实现0.3Hz处的-3dB拐角
以及30Hz处的约-80dB衰减，因此如果在那个频率处受5kV峰值正
弦的约束的话至多在约0.5V峰值AC处进行传输。在这样的实施例中，
输入滤波器电感器可以用超过1kohm的感应电阻来分流3Hz通信信
号。如图8所示，输入滤波器802包括输入滤波器电感器824(L1)
和电容器826(C1和C2)。此外输入滤波器包括包含电阻器828(R1)
和电容器830(C3)的非耗散阻尼器。输入滤波器802还包括第二输
入滤波器电感器832(L2)和电容器834(C4和C5)。在一些实施例
中，第二输入滤波器电感器832可以是高频铁氧体磁芯组件，其可以
防止各开关调节器将高频干扰传导回电源线路和各调制解调器。此外，
第二输入滤波器电感器832可以防止任何外部高频干扰被传导至电
源输入中。在一些实施例中，电感器824(L1)可以具有64H的电感，
电容器826(C1和C2)可以具有2200uF的电容，电感器832(L2)
可以具有250uH的电感，并且电容器834(C4和C5)可以具有100uF
的电容。
如上所提，具有电路800的电源从ESP电机的星点引出DC功率
输入但是在三个相位之一失效的事件中保持可用。在这样的失效期间，
30-70HzAC的显著水平可以存在于DC功率输入上。在一些实施例中，
如指定的，这样的组件可以使DC通过并且实现0.3Hz拐角频率，而
其阻带在30Hz处产生约-80dB衰减，以使得在功率输入处接收的不
需要的30Hz5kV峰值AC变成仅0.5V峰值的残余，其叠加在至降压
调节器804和806的需要的DC输入上。
输入滤波器802还包括多个单向瞬态电压抑制器836。瞬态电压
抑制器836可以保护电路800的各开关调节器。例如，如图8所示，
瞬态电压抑制器836中的一个可以与各输入滤波器电容器826并联放
置，以防止输入电压在发生高电压AC事件时变成负值，并且防止正
瞬态电压超过约+50V。
如上所提，电路800包括+24V降压调节器804和+5V降压调节
器806。调节器804和806中的每一个可以从公共输入滤波器802引
出电流，但是每个调节器彼此独立地进行调节。有利地，如下面描述，
每个调节器804和806的设计可以是相似的，以减少设计成本。在这
样的实施例中，调节器804和806之间的差异可以包括不同的输出电
流限制器值设置以及不同的反馈系数，以实现来自每个调节器的不同
的输出(例如，+5VDC和+24VDC)。降压调节器804和806可以以
连续(电感器)传导模型工作，以使得DC输出电流在更高输出水平
处以弱三角波进行脉动。虽然至电路800的输入电流会跳动，但是输
入滤波器802用于对跳动的输入电流进行平均。
如将领会，+24V降压调节器804包括脉冲宽度调制(PWM)开关
838、二极管840、电感器842、电容器844、以及多个电阻器846。
调节器804还提供反馈848用于调节器804的控制。类似地，+12V
降压调节器806包括PWM开关850、二极管852、电感器854、以及
电容器856。这里再次的，调节器806可以提供反馈858用于调节器
806的控制。在一些实施例中，各个降压功率调节器可以包括由瑞士
日内瓦的STMicroelectronics制造的L296开关调节器、由德州达拉
斯的TexasInstruments制造的LM257gHV开关调节器、或者由加州
米尔皮塔斯的LinearTechnology制造的LT1074HV开关调节器。这
样的实施例可以通过瞬态电压抑制器将输入DC电压限制在40V之下
并且将DC输入电压维持在30V之上，以为24VDC调节器确保充足的
占空比余量。
或者，在一些实施例中，电源可以包括多输出降压调节器。图9
示出了根据本发明的实施例的多输出降压调节器的电路900。如图9
所示，电路900包括DC输入902和返回904。电路900还包括+24VDC
输出906、+12VDC输出908、以及0V输出910。如将领会，电路900
包括PWM开关912、二极管914、以及电感器916、电容器918、电阻
器920、以及二极管922。电路900还包括多个电容器924。电感器
916可以具有用于提供辅助输出的第二绕组和整流器。然而，如将领
会，从辅助输出中可用的功率可以限制为小于主输出功率的20％并且
还将随着5V输出功率需求而变化。电路900可以提供反馈926用于
多输出降压调节器的控制。
如将领会，存在于VLF输入滤波器的输出处的峰值30Hz残余AC
电压可以随着输入电感器的值而变化。在一些实施例中，输入电感器
可以不饱和地运载约1/2ADC，并且可以是不期望地大。图10和图
11示出了无源VLF滤波器分别在耗散阻尼和非耗散阻尼情况下的这
样的变化。图10示出了根据本发明的实施例的具有耗散阻尼的无源
VLF滤波器的电路1000。电路1000接收输入电压1002(Vi)并且包
括电感器1004、电容器1006、以及电阻器1008。公式1、2、3、和
4示出了图10中示出的电路1000的行为。传递函数在下面的公式1
中如下示出：
H
=
V
o
V
i
=
1
(
1
+
S
·
L
R
d
+
S
2
L
C
)
-
-
-
(
1
)
]]>
其中H为传递函数，Vo为输出电压，Vi为输入电压，L为电感
器1004的电感，Rd为电阻器1008的电阻，并且C为电容器1006的
电容。
拐角的固有频率在下面的公式2中如下示出：
![]()
或![]()
其中ωn或fn为固有频率。阻尼因子在下面的公式3中如下示
出：
ζ
=
1
2
R
d
·
L
C
-
-
-
(
3
)
]]>
其中ζ为阻尼因子。相应地，传递函数的大小在下面的公式4中如
下示出：
|
H
|
=
1
(
1
-
(
2
π
f
)
2
+
(
2
π
f
L
R
d
)
2
-
-
-
(
4
)
]]>
其中|H|为传递函数的大小。通过设ζ＝1，设C＝4400uF，设Rd使
其保持ζ＝1，并且使L变化，可以确定针对变化的电感值的来自VLF输
入滤波器的输出。在下面示出的表2汇编了针对图10所示(例如，通
过并联负载)传统地进行阻尼的滤波器的各个值。如下面的表2所示，
阻尼器电阻Rd针对每个电感值L重新计算，以防止任何不受控制的共
振。针对单位阻尼因子(ζ＝1)的阻尼器电阻值随着电感值而减小，如
在下面表2所示：
L
Rd
fn
|H|30Hz正弦
Vp峰值30Hz正弦
64H
60R
0.3Hz
0.0001(-80dB)
0.5Vpk
16H
30R
0.6Hz
0.0004(-68dB)
2Vpk
4H
15R
1.2Hz
0.0016(-56dB)
8Vpk
1H
7.5R
2.4Hz
0.0064(-44dB)
32Vpk
250mH
3.75R
4.8Hz
0.025(-32dB)
125Vpk
64mH
2R
9.5Hz
0.092(-21dB)
460Vpk
16mH
1R
19Hz
0.3(-10dB)
1484Vpk
4mH
0.5R
38Hz
0.64(-4dB)
3200Vpk
1mH
0.25R
76Hz
0.88(-1dB)
4520Vpk
表2：电感值
如上所提，图11示出了根据本发明的实施例的具有非耗散阻尼
的无源VLF滤波器的电路1100。电路1100接收输入电压1102(Vi)
并且包括电感器1104、电容器1106、和电阻器1108。公式5、6、7、
和8示出了图11中示出的电路1100的行为。传递函数在下面的公式
5中如下示出：
H
=
V
o
V
i
=
(
1
+
S
·
C
R
d
)
(
1
+
S
·
C
R
d
+
S
2
·
L
C
)
-
-
-
(
5
)
]]>
其中H为传递函数，Vo为输出电压，Vi为输入电压，L为电感
器1104的电感，Rd为电阻器1108的电阻，并且C为电容器1106的
电容。
拐角的固有频率在下面的公式6中如下示出：
![]()
或![]()
其中ωn或fn为固有频率。相应地，传递函数的大小在下面的公
式7中如下示出：
|
H
|
=
(
1
+
2
π
f
C
R
d
)
2
(
(
1
-
(
2
π
f
)
2
L
C
)
2
+
(
2
π
f
C
R
d
)
2
)
-
-
-
(
7
)
]]>
其中|H|为传递函数的大小。通过设C＝4400uF，设Rd为恒定阻
尼，并且使L变化，可以确定针对变化的电感值的来自VLF输入滤波
器的输出。在下面示出的表3汇编了针对图11所示具有非耗散阻尼的
滤波器电路1100的各个值。如将领会，这样的滤波器可以用于防止需
要的DC电流如在图10所示的电路1000中使用的那样被并联阻尼器夺
取。如下面的表3所示，阻尼器电阻Rd针对每个电感值L重新计算，
以防止任何不受控制的共振。阻尼器电阻值随着电感值而减小，如在
下面表3所示：
L
Rd
fn
|H|30Hz正弦
Vp峰值30Hz正弦
64H
60R
0.3Hz
0.005(-46dB)
25Vpk
16H
30R
0.6Hz
0.01(-40dB)
50Vpk
4H
15R
1.2Hz
0.02(-34dB)
100Vpk
1H
7.5R
2.4Hz
0.04(-28dB)
200Vpk
250mH
3.75R
4.8Hz
0.08(-22dB)
400Vpk
64mH
2R
9.5Hz
0.18(-15dB)
890Vpk
16mH
1R
19Hz
0.39(-8dB)
1930Vpk
4mH
0.5R
38Hz
0.7(-3dB)
3480Vpk
1mH
0.25R
76Hz
0.9(-1dB)
4520Vpk
表3：电感值
如上所示，几个mH的电感值可以导致滤波器拐角频率上升至
30Hz之上，并且1mH的电感值会导致拐角频率超过70Hz而没有衰减
效益。因此，电感值可以在AC残余振幅超过DC电源电压，使在滤波
器中使用的电解电容器受到负半循环上的反极性的约束，并且导致电
容器失效之前仅减小几个mH。
鉴于前面的讨论，图12示出了根据本发明的实施例的用于非隔
离井下电子电源的具有两级开关调节器的电路1200。在一些实施例
中，电路1200可以从约70V的DC功率输入中工作，并且可以在高达
100V或更高、200V或更高、300V或更高等等的DC功率输入电压中
工作。如下面描述的，功率输入通过转向二极管接收并因此能够从
AC输入功率或者AC和DC输入功率的组合中工作。
电路1200包括输入滤波器1202(例如，LC滤波器)、开关前
置调节器1204、+24VDC降压调节器1206和+5V降压调节器1208。
电路1200包括至通信调制解调器数据接口的输入1210以及至电源
(例如，上文描述的Y-点210)的输入1212。在一些实施例中，输
入1212可以接收+70VDC和30-70HzAC。电路1200包括通过地、生
产管道、或者两者的接地1214。来自电路1200的输出包括+24VDC
输出1216和返回1218以及+12VDC输出1220。电路1200包括DC
功率星点1222。
如图12所示，电路1200包括转向二极管1224，并且输入滤波
器1202包括电感器1226、以及可以作为储集层的电容器1228。输入
滤波器1202可以阻挡从各个开关调节器至输入功率接口的干扰的反
向传导发射。此外，滤波器还可以使任何快速的输入电压变化变得平
滑，否则前置调节器1204控制环路可能无法跟踪所述变化。输入滤
波器1202还可以防止外部噪声进入到开关前置调节器1204中。电路
1200还包括包含电阻器1230和电容器1232的非耗散阻尼器。如上
所提，电路1200包括包含PWM开关1234(例如，δ1PWM低侧开关)
和变压器1236的开关前置调节器1204。在一些实施例中，开关前置
调节器1204可以包括隔离的单开关正激变换器。电路1200还包括二
极管1238、电感器1240、和电容器1242。电路1200还可以包括多
个瞬态电压抑制器1244。
开关前置调节器1204可以接收大范围的输入电压并且可以生成
中间调节DC电压1245。在一些实施例中，中间调节DC电压为约35V。
中间DC电压为降压调节器1206和1208提供稳定的DC输入电压。因
此，过电压施加到降压调节器1206和1208上的风险被最小化，并且
输出调节器控制环路上的线路电压变化的影响也被最小化。因此，在
一些实施例中，开关前置调节器1204的控制环路可以主要进行线路
电压调节。开关前置调节器1204的功率开关的闸门可以直接从与0
伏功率返回相关的PWM驱动器进行驱动。在一些实施例中，线路电压
可以前馈地施加到前置调节器1204控制环路或者控制环路可以用电
流模式控制工作。
如图12所示，调节器1206和1208可以是隔离的单开关降压调
节器。+24VDC降压调节器1206包括PWM开关1246(例如，δ2PWM
开关)、二极管1248、电感器1250、以及电容器1252。类似地，+12V
DC降压调节器1208包括PWM开关1254(例如，δ3PWM开关)、二
极管1256、电感器1258、以及电容器1260。调节器1206和1208的
PWM控制电路可以直接从上文描述的内部中间DC(例如，35VDC)运
行，并且调节器1206和1208的高侧功率开关也可以从相同的内部
DC工作。前置调节器1204的PWM控制电路还可以包括来源于功率输
入接口的启动电源。在启动之后，控制电路便可以由上文描述的内部
中间DC电压供电，或者，在一些实施例中，由前置调节器变压器上
的辅助绕组供电。
如将领会，前置调节器电路1200的工作开关频率可以尽可能保
持高频，以最小化各个滤波器组件的尺寸和值，与各功率开关的换向
损耗不超过其传导损耗保持一致。在一些实施例中，开关频率可以是
约100kHz，其导致约10微秒的开关周期。在这样的实施例中，前置
调节器电路1200可以接收70VDC输入电源，从此它可以以近似50％
的占空比工作，从而导致中间35VDC调节输出。如将领会，输出电
压与占空比之间的关系在下面的公式8中如下示出：
Vout＝δ·Vin(8)
其中Vout为输出电压，Vin为输入电压，并且δ为占空比。随
着输入线路电压升高，前置调节器控制环路可以减小工作占空比，因
此保持近似35V(Vout＝35V)的恒定中间输出电压。通过假设功率
MOSFET占用约150纳秒来完全切换为接通，并且占用约150纳秒来
完全切换为关断，前置调节器在开关模式下可以工作的绝对最小占空
比可以根据公式9如下地确定：
δ
m
i
n
≥
(
(
2
*
150
n
s
)
10
μ
s
)
*
100
%
=
≥
3
%
-
-
-
(
9
)
]]>
因此，如果输入电压接近约1100V，则前置调节器功率开关状态
可能永远无法完全加强。在这样的示例中，前置调节器可以遭受大量
的换向损耗，因为功率开关状态在开关周期的3％期间内限制在动态
线性模式并且在开关周期的另外97％期间内是关断的。因为隔离的正
激变换器的磁通重置过程使功率开关受到超过输入功率线路电压的
电压的约束，可以在选择功率开关额定电压时提供裕值。
在一些实施例中，前置调节器可以包括由加州米尔皮塔斯
(Milpitas)的IXYS公司、加州埃尔塞贡多(ElSegundo)的
InternationalRectifier公司、或者日本东京的Toshiba公司制造
的MOSFET。这样的实施例可以用高达约600V的线路电压工作。在一
些实施例中，前置调节器可以包括由加州圣何塞(SanJose)的
FairchildSemiconductor制造的SGL40N150DTUIGBT，并且这样的
实施例可以提供更高的线路电压。在其他实施例中，如果前置调节器
在若干千伏范围内的更高的AC电压下工作，则前置调节器可以包括
三相降压变压器和整流器。
鉴于本说明书，本发明的各方面的进一步修改和替选实施例将
对于本领域技术人员是显而易见的。因此，本说明书应理解为仅仅是
说明性的，并且其目的是为了将实施本发明的一般方法教导给本领域
技术人员。应当理解，在此示出和描述的本发明的各种形式被视为各
实施例的示例。各个元件和材料可以替换在此示出和描述的元件和材
料，各个部分和过程可以相反或者省略，并且本发明的某些特征可以
独立地利用，所有这些对于本领域技术人员而言在受益于本发明的本
说明书之后会是显而易见的。可以在不脱离在随附的权利要求中描述
的本发明的精神和范围的前提下，对在此描述的各元件进行修改。在
此使用的各个标题仅仅是为了组织的目的并且不旨在用于限制本说
明书的范围。
如在本申请中始终使用的那样，词语“可以”在容许的意义上
使用(即，意味具有……的可能性)，而非在强制的意义上使用(即，
意味必须)。词语“包括”、“包括……的”、以及“包含”意味着
包括但不限于此。如在本申请中始终使用的那样，单数形式“一个”、
“一”和“该”包括复数指示对象，除非上下文另外明确表示。因此，
例如，对“一个元件”的引用包括两个或更多元件的组合。除非另外
具体地说明，如从讨论中是显然的那样，应当领会在本说明书中利用
诸如“处理……的”、“计算……的”、“运算……的”、“确定……
的”等术语的讨论始终表示具体设备(例如专用计算机或者类似的专
用电子处理/计算装置)的动作或处理。在本说明书的上下文中，专
用计算机或者类似的专用电子处理/计算装置能够处理或转换信号，
其通常表现为专用计算机或者类似的专用电子处理/计算装置的存储
器、记录器、或者其他信息存储装置、传输装置、或者显示装置之内
的物理电子或磁性量。