水下生产控制系统通讯设计研究

谭壮壮，曲文星

（中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028）

0 引言

近年全球获得的重大勘探发现中，有近50%来自深水海域，随着勘探技术的不断提高，这一占比还会继续提高。在深水海域的油气田开发中，水下生产系统是主要的开发方式。设置于海底的水下油气井采出物经过水下采油树、水下管汇、海底管道以及立管等设施输送到依托设施进行处理[1-3]。

在水下生产系统中，由于水下采油树和水下管汇等设备位于水下，通常人员无法到达，日常操作以及紧急情况下的控制需要通过远程控制系统来进行。水下生产系统的控制系统，即水下生产控制系统（Subsea Production Control System,SPCS），是水下生产系统的重要组成部分，为水下生产提供安全、可靠、高效的数据采集和监控功能，并提供了与依托设施控制系统的接口。SPCS 通过水下采油树、水下管汇等水下设施上的水下控制模块（Subsea Control Module，SCM）来完成对水下阀门的操作，并对水下仪表和各控制模块进行监控[4]。

SPCS 分为上部安装的SPCS 设备和水下安装的SPCS设备，通过水下通讯系统进行通讯。水下通讯系统指上部安装的SPCS 设备和水下安装的SPCS 设备之间的通讯，服务于SPCS，是水上和水下设备之间的数据连接。目前，水下通讯主要采用光纤通讯、数字用户线路（Digital Subscriber Line，DSL）通讯、电力载波通讯[5,6]或多种通讯方式组合等形式[4]。由于不同项目的通讯距离、通讯速率、控制系统结构不同，需要根据项目具体情况选择不同的通讯方式。

1 水下通讯系统结构

水下通讯系统服务于SPCS，通过脐带缆中的通讯线芯连接水上水下设备。如图1 所示为典型的SPCS 系统结构图。

图1 典型SPCS结构图Fig.1 Typical SPCS architecture diagram

如图1 所示，上部依托设施通过主脐带缆与主水下分配单元（Subsea Distribution Unit，SDU）SDU A 连接，SDU A 作为水下的控制分配中心，将主脐带缆中的电力、液压、控制信号、化学药剂通过内部脐带缆分配到SDU B 和SDU C；SDU B 和SDU C 为井群内部分配单元，通过通讯将各种信号分配到附近的水下采油树及管汇。

从图1 中可以看出，水上到水下设备之间的通讯主要包括以下3 个部分：

1）上部设施和主SDU 之间的通讯，即主脐带缆中的通讯。该部分通讯负责整个水下系统与水上依托设施的通讯，通讯量大。当依托设施与井口区距离较远时，通讯距离长。

2）主SDU 和内部SDU 之间的通讯，即内部脐带缆中的通讯。该部分通讯负责单个井群与主SDU 之间的通讯，通讯量中等。通讯距离与井群与主SDU 之间的距离有关。

3）SDU 和采油树或管汇之间的通讯，即跨接缆中的通讯。该部分通讯负责单个采油树或管汇的通讯，通讯量小，通讯距离较短，通常在100m 左右。

本文将根据3 个部分的通讯要求，结合不同通讯方案的特点，对水下通讯系统通讯方式进行了研究。

2 水下通讯类型

如前所述，目前能够满足水下通讯系统要求的通讯方式主要有光纤通讯、DSL 通讯和电力载波通讯。水下通讯系统中常常将多种通讯方式组合使用，以适应不同项目对于通讯距离和通讯速率的要求。

2.1 光纤通讯

光纤通讯是一种通过将电信号转换为光信号进行传输的通讯方式，具有通讯速度快、通讯距离远及不受电磁干扰等优点。目前，水下生产系统的通讯距离已超过150km，且大部分水下通讯系统要求无中继通讯。因此，光纤通讯被广泛应用于水下通讯系统。

光纤通讯在水下通讯系统中应用的优点：①通讯距离远，能够适用于通讯距离远的项目；②通讯速率快，在170km 的通讯距离下仍然能达到100Mb/s 的通讯速度。光纤通讯的缺点：①水下光纤湿式接头价格昂贵，增加投资成本；②水下光纤湿式接头多次插拔后可靠性降低；③水上、水下均需设置光纤调制解调器及交换设备，可能导致SDU 体积增大；④脐带缆中需增加光纤线束。

2.2 DSL通讯

DSL 通讯即数字用户线路，是近年来兴起的通讯技术，目前已广泛应用于水下通讯系统。DSL 通过特殊的调制技术，能够实现远距离、高速率的通讯，并且可以使用不同直径的双绞电缆作为传输介质，适合于水下通讯系统的应用。

DSL 通讯在水下通讯系统中应用的优点：①通讯速率较快，15km 通讯距离时能达到192kb/s 的通讯速度；②可以使用双绞电缆作为传输介质，通常脐带缆中的电缆为4芯双绞线，1 对作为供电电缆，另1 对作为DSL 通讯电缆。DSL 通讯的缺点：①水上、水下需要安装DSL 调制解调器及交换设备；②需要单独的通讯电缆；③通讯距离最远只能到15km。

2.3 电力载波通讯

电力载波通讯是将通讯信号加载在电力电缆上，不需要额外的通讯电缆即可实现信号传输。电力载波通讯能够达到较远的通讯距离，可以适用于通讯量较小的通讯系统中，或作为其他通讯方式的备用通讯。

电力载波通讯在水下通讯系统中应用的优点：①不需要额外的通讯电缆，直接将信号加载到电力电缆；②水下不需要增加通讯设备；③通讯距离远，低速通讯能达到100km 以上。电力载波通讯的缺点：①通讯速率慢，通常小于100kb/s，距离大于40km 时，小于20kb/s；②输电过程中如有变压器等设备，需要增加桥接设备。

3 种通讯方式的对比见表1。

表1 3种通讯方式对比Table 1 Comparison of 3 communication types

3 水下通讯系统方案

水下通讯系统通常为一种通讯方式或多种通讯方式的组合。以图1 所示的系统为例，适用的通讯方案包括：

方案一：通讯系统全部采用一种通讯方式。

方案二：主脐带缆和内部脐带缆采用光纤通讯，跨接缆采用DSL/电力载波通讯。

方案三：主脐带缆通讯采用光纤通讯，内部脐带缆和跨接缆采用DSL/电力载波通讯。

3.1 方案一：单一通讯方式

方案一的结构图如图2 所示。

图2 方案一通讯系统结构图Fig.2 Scheme 1 communication system structure diagram

整个系统使用相同的通讯方式，这种方式结构简单，不需要不同通讯方式之间的转换设备。根据通讯方式不同，方案一又可分为以下几种方案：

1）通讯方式为光纤通讯。需要在采油树上设置光纤湿式插拔接头，若由于修井等原因进行多次光纤接头插拔，将导致光纤接头可靠性大幅降低。另外，由于光纤接头价格昂贵，整个通讯系统的投资将大幅提高。因此，在工程中很少采用光纤直接到采油树的通讯方式，目前这种方式亦没有现场应用的经验。

2）通讯方式为电力载波。这种方式通讯速率最低，多见于回接到已有依托设施的边际油田，井口数较少，通讯数据较少。

3）通讯方式为DSL。这种方式通讯速率高，适应性较强，但是通讯距离较短。适用于井口数适中，通讯量较大，通讯距离短的项目。

3.2 方案二：光纤通讯至水下

方案二的结构图如图3 所示。

图3 方案二通讯系统结构图Fig.3 Scheme 2 communication system structure diagram

该方案中，通讯距离最长、数据量最大的主脐带缆通讯采用了光纤通讯，通讯距离较短、通讯量较少的部分采用了DSL/电力载波通讯。这种方式只使用了少量的光纤接头，且光纤接头仅在SDU 中使用，插拔次数很少，并且满足了长距离、大数据量的要求，是工程实践中常用的通讯方式。

该方案的缺点是要使用多种传输介质、通讯协议，不同通讯方式直接需要转换设备进行转接，增加了系统的复杂度。

3.3 方案三：光纤通讯至井口群

方案三的结构图如图4 所示。

图4 方案三通讯系统结构图Fig.4 Scheme 3 communication system structure diagram

该方案与方案二类似，只是该方案的光纤通讯进一步延伸到内部脐带缆。由于水下仪表系统的不断发展，越来越多的智能仪表被用于水下生产，同时水下与水上的通讯数据量越来越大，在DSL 不能满足单个井群的通讯量时，应考虑使用光纤作为内部脐带缆通讯方式。

该方案与方案二比较，增加了较多的光纤接头，投资成本提高，但是光纤接头位于SDU，生产期内几乎不需要插拔，可靠性有保证。

4 水下通讯系统的初步计算

在项目的方案选择或可行性研究阶段，通常需对通讯方案进行初步的计算，以确保通讯系统能够满足项目要求。

水下通讯系统的初步计算主要是计算整个通讯线路的衰减，通过与收发器最大允许的衰减范围进行比较来初步确定方案是否可行。衰减计算采用如下公式：

式（1）中：Lt为总的信号衰减，dB；Lcablei为第i 段线缆的单位长度信号衰减，dB/km；lcablei为第i 段线缆的长度，km；Lconj为信号在第j 个接头上的衰减，dB。

下面以第3 节中方案二为例进行计算，假设主脐带缆长度为60km，为单模光纤通讯；最长的内部脐带缆（SDU A 到SDU B）长度为10km，导体面积16mm2，通讯方式为DSL；最长跨接缆长度为0.1km，导体面积16mm2，通讯方式为DSL。

4.1 光纤通讯初步计算

首先，应确定光缆单位长度的信号衰减以及单个光纤接头的信号衰减，一般可通过厂家资料或理论计算获得，本例中采用以下数据：①光纤类别：单模光纤；②光纤信号衰减：0.25dB/km；③单个熔接衰减：0.05 dB/km；④熔接点数：假设每20km 一个；⑤单个干式接头衰减：0.25dB/km；⑥单个湿式接头衰减：0.5dB/km。其次，应确定光纤收发机的最大允许衰减，本例选择为常用的38dB。

对各段衰减计算见表2。

表2 光纤信号衰减计算Table 2 Optical fiber signal attenuation calculation

从表2 中可以看出，光纤衰减为18.3625 dB，小于38 dB，并具有19.6375 dB 的裕量，光纤方案合理可靠。

4.2 DSL通讯初步计算

首先，应确定通讯电缆单位长度的信号衰减，通常接头处的接触电阻很小，引起的衰减可忽略不计，本例中采用以下数据：①通讯方式：DSL；②通讯频率：100 kHz～450 kHz；③通讯电缆导体截面积：16mm2；④信号衰减：0.9 dB/km。其次，应确定DSL 收发机的最大允许衰减，本例选择为常用的50 dB。

对各段衰减计算见表3。

表3 DSL信号衰减计算Table 3 DSL signal attenuation calculation

从表3 中可以看出，DSL 信号衰减为9.18 dB，小于50 dB，并具有40.82 dB 的裕量，方案合理可靠。

应当注意，本文所述的计算方法只适用于初步计算，一般情况下所得结果较为保守，在后续设计中，还应结合具体的设备以及信道特征进行仿真模拟验证方案。

5 结束语

本文研究了目前常用的3 种水下通讯方式，包括光纤通讯、DSL 通讯和电力载波通讯，并对3 种通讯方式的优缺点、适用范围进行了讨论，在此基础上提出了水下通讯系统的常用方案及各方案的适用范围，得出如下结论：

1）水下通讯系统为SPCS 提供服务，主要通讯方式有光纤通讯、DSL 通讯和电力载波通讯，各种方式有各自的特点和适用范围，工程设计中应根据项目特点进行选择。

2）对于小型油田、边际油田回接等数据量较少、通讯速率要求低的项目，可以采用电力载波通讯的方式。

3）对于通讯距离较短，通讯速率要求较高的项目，可以采用DSL 通讯方式。

4）对于通讯距离长、通讯量大的大型项目，应采用光纤和DSL/电力载波通讯结合的通讯方式。

5）电力载波可以作为其他通讯方式的备用通讯，在主通讯故障时可以传输关键数据。

6）通过计算可以初步验证通讯系统方案的合理性。