劉培林 蘇 鋒 張志遠(yuǎn) 陳 斌 張汝彬 李育房 趙宏林 張 磊

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249)

水下臍帶纜電傳輸特性仿真分析*

劉培林1蘇 鋒1張志遠(yuǎn)2陳 斌1張汝彬1李育房2趙宏林2張 磊1

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249)

劉培林,蘇鋒,張志遠(yuǎn)，等.水下臍帶纜電傳輸特性仿真分析[J].中國(guó)海上油氣，2017,29(2)：135-141.

LIU Peilin,SU Feng,ZHANG Zhiyuan,et al.Simulation analysis of electric transmission characteristics for subsea umbilicals[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):135-141.

為設(shè)計(jì)出深海、遠(yuǎn)海水下生產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)供電和通信方案，須對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的臍帶纜進(jìn)行電傳輸特性分析。本文利用Multisim仿真軟件對(duì)典型π型、典型T型、改進(jìn)版π型等值電路進(jìn)行了電力傳輸特性仿真，優(yōu)選出了臍帶纜中電纜最佳等值模型；利用最佳等值模型搭建了等值電路，仿真對(duì)比了不同電壓窗口下電纜的壓降，并將仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；搭建了電力載波仿真電路，分析了電網(wǎng)噪聲和傳輸距離對(duì)通信信號(hào)的影響以及不同頻帶內(nèi)信號(hào)的衰減趨勢(shì)，為今后長(zhǎng)距離水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)供電和通信方案的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

水下；臍帶纜；電傳輸特性；仿真分析；等值電路；壓降；電網(wǎng)噪聲；傳輸距離；通信信號(hào)

臍帶纜作為海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，其上端連接上部控制模塊，下端連接海底生產(chǎn)設(shè)備，為海底設(shè)備提供電力、液壓和化學(xué)藥劑注入以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，被稱(chēng)為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的“生命線(xiàn)”[1-3]。隨著油氣田開(kāi)發(fā)向深海、遠(yuǎn)海邁進(jìn)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜回接距離顯著增加，在設(shè)計(jì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的供電方案和通信方案時(shí)有必要提前對(duì)臍帶纜進(jìn)行電傳輸特性的仿真，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的供電和通信方案[4-5]。本文利用Multisim仿真軟件對(duì)典型π型、典型T型、改進(jìn)版π型等值電路進(jìn)行臍帶纜電傳輸特性仿真，優(yōu)選出臍帶纜電纜最佳等值模型；然后利用最佳等值模型搭建等值電路，通過(guò)仿真對(duì)比不同電壓窗口下電纜的壓降，并將仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性；最后搭建電力載波仿真電路，分析傳輸距離和電網(wǎng)噪聲對(duì)通信信號(hào)的影響以及不同頻帶內(nèi)信號(hào)的衰減趨勢(shì)，以期為今后長(zhǎng)距離水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)供電和通信方案的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 臍帶纜電纜等值電路選型

1.1 等值電路類(lèi)型

臍帶纜基本參數(shù)為電阻、電容、電感。對(duì)于長(zhǎng)度100 km以下的電纜可以不考慮其分布參數(shù)特性，采用均勻傳輸線(xiàn)理論的集中參數(shù)模型來(lái)表示[6]。臍帶纜電纜基本特性研究主要是對(duì)電纜電阻、電容、電感等特性參數(shù)的研究以及如何用這些特性參數(shù)來(lái)搭建與真實(shí)電纜相一致的等效電路模型。目前等值電路類(lèi)型有典型π型、典型T型和改進(jìn)版π型，如圖1所示。

1.2 等值電路電力傳輸特性仿真

利用上述3種等值電路搭建如圖2所示的仿真模型。海洋工程中一般采用對(duì)單位長(zhǎng)度電纜進(jìn)行頻率掃描的方法來(lái)得到電纜的分布電阻、電容、電感、電導(dǎo)值，而在實(shí)際工程測(cè)量中只有電纜分布電阻隨著頻率升高而略有上升，其余參數(shù)基本保持不變；此外，根據(jù)傳輸線(xiàn)理論，導(dǎo)體本身的電導(dǎo)對(duì)系統(tǒng)信號(hào)通信的影響可忽略，因此可根據(jù)某一頻率下測(cè)量的一組電阻、電容、電感參數(shù)值對(duì)等效仿真模型進(jìn)行賦值[7]。當(dāng)頻率為1 kHz時(shí)，16 mm2線(xiàn)徑臍帶纜電纜的特性參數(shù)見(jiàn)表1。 對(duì)圖2所示的電力傳輸特性測(cè)試電路進(jìn)行電力傳輸特性仿真，測(cè)得各個(gè)電路在負(fù)載處的輸出電壓幅值見(jiàn)表2。由表2可知，各個(gè)等值電路在電壓損失上的差別均很小，因此采用上述3種等值電路均可以很好地模擬臍帶纜電纜的電力傳輸特性。

圖1 等值電路模型Fig .1 Equivalent circuit model

圖2 10 km臍帶纜電纜電力傳輸特性測(cè)試電路Fig .2 Test circuit of power transmission characteristics of 10 km umbilical cable表1 16 mm2線(xiàn)徑臍帶纜電纜特性參數(shù)Table 1 16 mm2 umbilical cable RLC characteristic parameters

線(xiàn)徑/mm2環(huán)路電阻/(Ω·km-1)環(huán)路電感/(mH·km-1)電容/(nF·km-1)162.380.66124

表2 電源為600 V、50 Hz時(shí)10 km臍帶纜電纜的3種 等值電路電壓損失Table 2 Voltage loss of 3 equivalent circuits for 10 km umbilical cable while the power is 600 V、50 Hz

1.3 等值電路高頻信號(hào)傳輸特性仿真

應(yīng)用圖2電力傳輸特性測(cè)試電路進(jìn)行高頻信號(hào)傳輸特性仿真，輸入電源改為高頻信號(hào)源1 V、20 kHz，記錄3種等值電路電壓損失結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 電源為1 V、20 kHz時(shí)10 km臍帶纜電纜的3種等值 電路電壓損失Table 3 Voltage loss of 3 equivalent circuits for 10 km umbilical cable while the power is 1 V,20 kHz

由表3可知，圖2b典型T型等值電路在高頻信號(hào)傳輸特性上不能實(shí)現(xiàn)真實(shí)電纜的等效，其負(fù)載處電壓大于輸入端電壓，對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生了增益效果，而圖2a典型π型等值電路和圖2c改進(jìn)版π型等值電路負(fù)載處電壓小于輸入端。根據(jù)歐姆定律，在只考慮電路電阻特性的條件下，輸入電壓為707.00 mV時(shí)，負(fù)載處電壓應(yīng)為631.81 mV。當(dāng)輸入為高頻信號(hào)時(shí)，電纜的電感特性會(huì)對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生阻抗效應(yīng)，因此負(fù)載端電壓應(yīng)小于純電阻條件下的計(jì)算結(jié)果。分析表3中數(shù)據(jù)可知，圖2a典型π型等值電路負(fù)載處電壓值為656.80 mV，大于純電阻條件下的計(jì)算結(jié)果，因此在高頻信號(hào)傳輸特性上亦不能實(shí)現(xiàn)真實(shí)電纜的等效。只有圖2c改進(jìn)版π型等值電路能實(shí)現(xiàn)電力及高頻信號(hào)傳輸特性的等效。因此，選用改進(jìn)版π型等值模型能更好地模擬真實(shí)臍帶纜的電傳輸特性。

2 臍帶纜電力傳輸特性仿真分析

2.1 電力傳輸計(jì)算模型搭建

臍帶纜中的電纜為電力線(xiàn)，因此對(duì)于電纜線(xiàn)路傳輸計(jì)算應(yīng)采用π形等值電路模型進(jìn)行計(jì)算[8]，如圖3所示。

圖3 π形等值電路Fig .3 PI equivalent circuit

圖3中Z為線(xiàn)路阻抗和感抗，Y為電路容抗，因臍帶纜電纜間空氣介質(zhì)較少，且系統(tǒng)所用電壓較低，線(xiàn)路的電導(dǎo)忽略不計(jì)，即G=0，于是有

(1)

式(1)中：R=r1l，其中r1為電纜單位長(zhǎng)度電阻，Ω/km；l為電纜長(zhǎng)度，km。X=x1l，其中x1=2πfL1為電纜單位長(zhǎng)度感抗，Ω/km；f為電源頻率，Hz；L1為電纜單位長(zhǎng)度電感，H/km。B=1/(b1l)，其中b1=2πfC1為電纜單位長(zhǎng)度容抗，F(xiàn)/km；C1為電纜單位長(zhǎng)度電容，F(xiàn)/km。

由臍帶纜電纜π形等值電路，可得電纜線(xiàn)路首末端的電壓、電流為

(2)

將式(2)寫(xiě)成矩陣方程式為

(3)

臍帶纜電力傳輸特性可根據(jù)式(3)進(jìn)行電力傳遞的計(jì)算，根據(jù)水下負(fù)載所需電壓、功率數(shù)據(jù)即可推導(dǎo)出水上電力設(shè)備所需提供的輸出參數(shù)，確定電力設(shè)備性能參數(shù)及電力線(xiàn)上的功率損耗。

2.2 電力傳輸仿真模型搭建

利用Multisim軟件搭建長(zhǎng)度為25 km、線(xiàn)徑為16 mm2的臍帶纜電力傳輸特性仿真模型，如圖4所示。該仿真模型中等值電路的電阻、電容、電感值取自表1中臍帶纜電纜特性參數(shù)。

圖4 長(zhǎng)度為25 km、線(xiàn)徑為16 mm2的臍帶纜電力 傳輸特性仿真模型Fig .4 Simulation model of power transmission characteristics for length 25 km,diameter16 mm2 umbilical cable

2.3 不同電壓窗口下電力傳輸特性仿真分析

目標(biāo)油田共6口井，SCM的靜態(tài)功率為200 W，動(dòng)態(tài)功率為250 W。整個(gè)油田最大負(fù)載為一個(gè)SCM處于動(dòng)態(tài)工況，5個(gè)SCM處于靜態(tài)工況，因此整個(gè)系統(tǒng)最大功率為1 250 W。考慮到不同電壓窗口下臍帶纜的電力傳輸特性的不同，對(duì)200、450、600、850 V電壓窗口下長(zhǎng)度為25 km、線(xiàn)徑為16 mm2的臍帶纜電纜電力傳輸特性進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)表4(其中V1為EPU供電電壓，V2為SCM實(shí)測(cè)供電電壓，I為線(xiàn)路中電流)。

表4 長(zhǎng)度為25 km、線(xiàn)徑為16 mm2的臍帶纜電力 傳輸特性仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of power transmission characteristics for length 25 km,diameter16 mm2 umbilical cable

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用上述電力傳輸計(jì)算模型進(jìn)行理論計(jì)算驗(yàn)證，結(jié)果如表5。由表4與表5數(shù)據(jù)對(duì)比可知，兩者誤差在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明仿真結(jié)果是可信的。

表5 長(zhǎng)度為25 km、線(xiàn)徑為16 mm2的臍帶纜電力傳輸 特性理論計(jì)算結(jié)果Table 5 Theoretical calculation result of power transmission characteristics for length 25 km,diameter16 mm2 umbilical

由圖4所示的仿真結(jié)果可知，當(dāng)臍帶纜電纜線(xiàn)徑為16 mm2、電壓窗口為200 V時(shí)，壓降為65.08%，其功耗超過(guò)了30%，這樣會(huì)造成電力的極大浪費(fèi)，不符合電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；隨著電壓窗口的升高，系統(tǒng)壓降會(huì)降低，當(dāng)電壓窗口為850 V時(shí)，系統(tǒng)功耗最低，僅為9.17%。因此，當(dāng)系統(tǒng)壓降大于30%時(shí)，可以適當(dāng)提高窗口電壓，然后采用終端變壓器降壓的方法來(lái)提高電力傳輸效率。

3 臍帶纜電力載波傳輸特性仿真分析

3.1 仿真電路搭建

圖5展示了某水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)電力和通信結(jié)構(gòu)。該水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)水上與水下電力和通信單元通過(guò)長(zhǎng)25 km、線(xiàn)徑為16 mm2的主臍帶纜連接，其中水下分支終端共有6個(gè)SCM，電纜的分布參數(shù)值同樣取自表1。整個(gè)仿真模型由臍帶纜電纜等值電路、電力載波發(fā)射機(jī)、電力載波接收機(jī)以及負(fù)載組成，根據(jù)電纜的特性參數(shù)，等值電路利用改進(jìn)版π型等值電路串聯(lián)得到，見(jiàn)圖6。

注：EPU為電力單元，TUTA為平臺(tái)端接口，SCM為水下控制模塊，EFL為電飛線(xiàn)，SUTU為終端分配單元。

圖5 某水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)電力和通信結(jié)構(gòu)圖

Fig .5 Structure of one subsea production control system power and communication

圖6 某水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)臍帶纜電纜等值電路Fig .6 Umbilical cable equivalent circuit of one subsea production control system

圖7、8分別為電力載波發(fā)射機(jī)和接收機(jī)仿真模型，電力載波形式選用相地耦合方式，采用K式帶通結(jié)合濾波方式[9]。

圖7 發(fā)射機(jī)仿真模型圖Fig .7 Transmitter simulation model

圖8 接收機(jī)仿真模型Fig .8 Receiver simulation model

在K式帶通結(jié)合濾波器中

(5)

(6)

(7)

(8)

式(5)～(8)中：L2、L3、L4為電感，H；R為線(xiàn)路等效阻抗，Ω；fc為帶通濾波器帶寬，Hz；ω0為帶通濾波器中心頻率，Hz；C0為電容，F(xiàn)。經(jīng)計(jì)算得各元件參數(shù)值為：L2=L3=100 μH,C1=C2=507 nF,L4=907 μH,C0=55.9 nF。

3.2 電網(wǎng)噪聲對(duì)電力載波信號(hào)影響的仿真分析

分析電力載波信號(hào)在背景噪聲(高壓直流電、高壓交流電)影響下的衰減情況。仿真分析的輸入條件包括：①通信信道受外部電磁波等環(huán)境的影響忽略不計(jì)；②調(diào)制解調(diào)方式為PBSK；③誤碼率不高于1×10-6；④發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率為5 W(37 dBm)，幅值為1，相位為0，頻率范圍為2～100 kHz；⑤接收機(jī)的接收功率大于等于-45 dBm，否則信號(hào)淹沒(méi)在背景噪聲中無(wú)法被接收機(jī)提取。

圖9為高壓交流電電網(wǎng)噪聲時(shí)臍帶纜通信的仿真模型。通過(guò)調(diào)整電力載波發(fā)射機(jī)供電電源頻率，便可測(cè)得不同頻率下電力載波信號(hào)的衰減情況。將圖9的仿真模型輸入端交流電源去掉，便可得到無(wú)電網(wǎng)噪聲時(shí)臍帶纜通信仿真模型；將圖9中仿真模型輸入端交流電源改為直流電源，便可得到高壓直流電電網(wǎng)噪聲時(shí)臍帶纜通信仿真模型，高壓直流電電壓為600 V。

通過(guò)對(duì)以上3種情況進(jìn)行仿真，得到的電力載波信號(hào)衰減曲線(xiàn)如圖10所示。通過(guò)分析可知:

1) 在無(wú)電網(wǎng)噪聲時(shí)，臍帶纜電力載波信號(hào)的衰減比加入電網(wǎng)噪聲時(shí)小。當(dāng)頻率為2～20 kHz時(shí)，信號(hào)衰減趨于平緩；當(dāng)頻率為20～35 kHz時(shí)，信號(hào)衰減急劇下降；當(dāng)頻率為35～100 kHz時(shí)，信號(hào)衰減又趨于平緩。在2～100 kHz頻段內(nèi)，信號(hào)衰減均小于45 dBm，均能被接收機(jī)提取。

2) 當(dāng)有高壓直流電電網(wǎng)噪聲和高壓交流電電網(wǎng)噪聲時(shí)，由于仿真模型中視電阻、電容、電感值為固定值，因此其衰減曲線(xiàn)基本一致。當(dāng)頻率為2～20 kHz時(shí)，信號(hào)衰減基本保持不變，為-14.27 dBm；當(dāng)頻率在20～25 kHz時(shí)，信號(hào)衰減急劇下降；當(dāng)頻率在25～100 kHz時(shí)，信號(hào)衰減又趨于平緩；當(dāng)頻率為48.92 kHz時(shí)，信號(hào)衰減到-45 dBm，此時(shí)接收機(jī)無(wú)法提取到有用信號(hào)。因此，在2.00～48.92 kHz這一頻帶范圍內(nèi)均可用電力載波進(jìn)行通信。

圖9 高壓交流電電網(wǎng)噪聲時(shí)臍帶纜通信仿真模型Fig .9 Umbilical cable communication simulation model under the high volege abterhating currene

圖10 不同背景噪聲影響下電力載波信號(hào)衰減Fig .10 Power carrier signal attenuation under different grid roises

3.3 傳輸距離對(duì)電力載波信號(hào)影響的仿真分析

為分析傳輸距離對(duì)信號(hào)衰減的影響，進(jìn)行不同長(zhǎng)度臍帶纜電纜等值電路信號(hào)衰減仿真，仿真電纜長(zhǎng)度取5、10、15、20、25、30、35、40 km，線(xiàn)徑為16 mm2。仿真模型中電源為600 V、50 Hz，負(fù)載為100 Ω，載波信號(hào)的幅值為1，頻率為20 kHz。通過(guò)仿真得到圖11所示的信號(hào)衰減曲線(xiàn)，可以看出在信號(hào)頻率一定的情況下，隨著臍帶纜長(zhǎng)度的增加，信號(hào)的衰減呈增大趨勢(shì)，類(lèi)似指數(shù)曲線(xiàn)形式。

圖11 不同長(zhǎng)度臍帶纜信號(hào)衰減曲線(xiàn)Fig .11 Relationship betueen length of the oionulation line and poner carrier carrer signal atbenuation

4 結(jié)論

1) 利用Multisim仿真軟件對(duì)典型π型、典型T型、改進(jìn)版π型等值電路進(jìn)行了電力傳輸特性仿真，結(jié)果表明改進(jìn)版π型等值模型為臍帶纜中電纜最佳等值模型。

2) 通過(guò)搭建長(zhǎng)度為25 km、線(xiàn)徑為16 mm2的電力載波仿真電路，分析了電網(wǎng)噪聲和傳輸距離對(duì)通信信號(hào)的影響以及不同頻帶內(nèi)信號(hào)的衰減趨勢(shì)，結(jié)果表明在2.00～48.92 kHz這一頻帶范圍內(nèi)均可用電力載波進(jìn)行通信，且在頻率一定的情況下，信號(hào)衰減隨傳輸距離增加而增大，類(lèi)似指數(shù)曲線(xiàn)形式。

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(編輯：呂歡歡)

Simulation analysis of electric transmission characteristics for subsea umbilicals

LIU Peilin1SU Feng1ZHANG Zhiyuan2CHEN Bin1ZHANG Rubin1LI Yufang2ZHAO Honglin2ZHANG Lei1

(1.OffshoreOilEngineeringCo.Ltd.,Tianjin300451,China; 2.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

To design the best power supply and communication scheme for deep and high sea production systems, it is necessary to analyze the electric transmission characteristics of the umbilicals used in the system. In this work, Multisim software was chosen to simulate typical PI equivalent circuit, typical T equivalent circuit and improved version of PI equivalent circuit to optimize the equivalent model of cable in umbilicals. The equivalent circuit built on the basis of optimal equivalent model was used to verify the accuracy of simulation results by contrasting voltage drop in different voltage windows, and by comparing the simulation results with the calculation ones. The simulation circuit of power line communication was also developed to analyze effects of power grid noise and the transmission distance on communication signals, as well as the various trends of signals in different frequency bands. The observations here provide a reference for the future projects of long-distance power supply for subsea production control systems and future plans for communication solutions.

subsea; umbilical; electric transmission characteristic; simulation analysis; equivalent circuit; voltage drop; grid noise; transmission distance; communication signal

*工業(yè)和信息化部海洋工程裝備科研項(xiàng)目“水下控制系統(tǒng)與關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)”部分研究成果。

劉培林，男，教授級(jí)高級(jí)工程師,1988年畢業(yè)于原石油大學(xué)(華東)，現(xiàn)主要從事海洋石油研究設(shè)計(jì)工作。地址：天津市塘沽區(qū)丹江路1078號(hào)616信箱(郵編：300451)。E-mail：peilin@mail.cooec.com.cn。

1673-1506(2017)02-0135-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.019

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2016-09-18 改回日期：2016-11-08