沿着带反馈环路的传输线的电源调节

沿着带反馈环路的传输线的电源调节

我旦 冃足

1. 发明领域

本发明一般涉及l好居采集系统的领域，尤其涉及一种有线线路测井系统和

包括基于有线线路系统模型来对提供给负载的功率进fi^力态控制的方法。

2. 相关技术历史

电缆测井通常指的是使用电子测量仪ll来对油井或气井进fiH周查，以便确 定其地质、岩石物理（petro-physical)或地球物理特性。这些电子仪器是使用 一条名为"有线线路电缆"的带有防护的钢制电缆来传送进钻井孔的。由这些 固定在有线线路电缆上的井下仪器产生的须懂结果经由有线线路电缆中的导体 回送到地面的数据处理系统。电学、声学、核能和成像工具用于激励井孔内部 的岩层和流体，然后，电子测量仪器将对岩层和流体的响应进行测量。此外， 有线线路电缆还提供了观阱工具操作所需要的电力。

从电功率的角度来看，电缆测井系统可以视为是一个电路，在这个电路中 包含了一个头端电阻（Rh)，该电阻表示的是与表示有线线路电缆自身的阻抗 元件相串联的井下仪器。如果将有线线路电缆模拟成一个简单电阻元件，贝睏 l对所述系统的电路图进行了描述。在这个简单的模型中，电压源Vs被施加在 电缆电阻（Rc)和头端电阻Rh的串联组合上。

在这里，两个对抗性因素控制了电缆测井操作。 一方面，较为理想的是将 传递到头端（工具）的功率增至最大，以使数据采集速率达至嘬高并且一般会 加«作。^i^周知的是，当电缆电ffiRc与头端电阻处相等并且头端的电压Vh 是电源电压Vs的l/2时，递送到负载的将会是最大功率。然而在这些条件下， 当负载阻抗（Rh)从最小值MUL乎开路时，负载电压将会发生大约100%的变 化，其中所述开路是在断开沉重负载并且只有控制电路保持带电的时候发生 的。 一般而言，对电子电路来说，这种变化通常是无法接受的，在电缆测井系 统中贝哽是如此。由此需要某种装置^X寸提供给头端的电压进fiH周节。

现在参考图2，其中描述的是一个表示传统的电压调节系统120的框图。电压调节系统120将负载电压VLl22测定值与一个设定电压V效124进行比较，以便 确定一个误差信号126。所述误差信号126表示的是VLl22与VJ24之间的差值。 然后则通常将误差信号126提供给一个误差放大元件128 。所述放大元件128通 常包括一个运算放大器并且可以根据应用来使用一个比例、积分和/或微分电 路。而放大元件128贝嗵常从误差信号126中产生一个源电压，以便将Vl保持在 想要的电平（也就是VJ。

诸如系统l20之类的常规电压调节器需要精密测量负载电压Vt ，以便在电 压源进行电压控制。在负载与源电压距离很近的多种应用中，将负载电压反馈 到调节器电路并不会出王赠大问题。不幸的是，由于现代有线线路电缆的长度很 长，因此在电缆测井应用中，将负载电压反馈到源在逻辑上是不切实际的。即 使通过将有线线路电缆构造成包括一条反馈电缆来将负载电压信号送回到地 表，但是表征反馈电缆的损耗和延迟将会导致显著退化的负载信号。因此，极 为理想的是实现一种电压控制系统，该电压控制系统适合在一个其特征为负载 与电压调节器之间具有极^巨离的电缆测井应用和其他应用中使用。优选地， 这个系统允许以电缆最大功率承载能力或接近该最大能力对电缆进行操作，同 时使加电的电子电路输入端的电压变化减至最小。此外，如果所实施的解决方 案没有显著增加电缆测井操作的成本或复杂度，另，么将会更为理想。

本发明的目标和优点将Mil阅读以下详细说明以及参考附图而变得清楚， 其中：

图l是电缆测井系统的电阻模型的电路图；

图2是使用了依照现有技术的电压调节机制来控制负载电压的电气系统的 标准表示；

图3是一个包含了表示有线线路电缆的传输线元件的电缆测井系统的模

型；

图4是依照本发明一个实施例的传输线系统的标准表示； 節是描述图4所示系统的一个实施例的框亂以及 图6^t图5中的系统的实施方式的附加细节进行描述的电路图。 虽然本发明可以接受不同的修改和替换形式，但在附图中将其具体实施例 作为实例来加以显示并且在本文中将会对其进行详细的描述。然而应该理解的

附图简述是，本文给出的附图和详细描述并非将本发明限制在所公开的特定实施例，与

之相反，本发明只受所附权利要求书中的文字柳蹄u。 发明详述

一般而言，本发明设想的是一种用于对一^离控制电路并且实际上很难 从控制电路来接近的负载（诸如有线线路电缆末端负载）上的电压进行控制的 系统和方法。本发明包括一个被配置成对有线线路电缆自身的短路输入阻抗进 行模拟的反馈单元。来自系统电压电源的电流被提供到反馈单元，以便创建一 个与沿电缆出现的电压降相近似的反馈电压。这个反馈电压被添加到一个与想 要的负载电压相等的设定电压中。通过向设定电压中添加一个与由有线线路电 缆造成的电压降近似相等的电压，本发明可以使用正反馈以在一种不肯树负载 电压本身进行有效测量的环境中控制负载电压。

该系统包括一种控律肿几制，其中一个在电压源观嶋的信号为模拟该有线线 路电缆阻抗特性的电路提供了输入。模型电路的输出te的是所测得的信号对 实际有线线路电缆中的负载电压的作用的近似值。这个近似值随后被用于改变 源电压，以便消除电缆阻抗对负载电压产生的影响。在一个实施例中，这个为 电缆模型电路提供输入的信号是源电流。在这个实施例中，电缆模型电路表示 的是电缆的短路输入阻抗，也就是电缆负载端短路时的电缆阻抗。这个阻抗可 以通过根据经验表征电缆特性或是在系统自身当中包含必要的测量电路而得到 测量。在将源电流提供给这个电缆模型电路的时候，该电路将会产生一个表示 有线线路电缆中的电压损耗的电压偏移信号。通过将这个偏移电压添加到一个 设定电压之中，所述电压控制系统可以将负载电压保持在设定电压。此外，在 反馈环路中还可以包括一个补偿电路，以便改进系统的瞬态响应和稳定性。

在图l所述的电阻性电路模型中，源电流与负载电流是相等的。然而在一 个实际的有线线路系统中，有线线路电缆将信号损耗和时延弓l入了所述系统。

参考图3 ，其中描述的是包含了代表有线线路电缆的传输线元件134的有线线路 电缆系统130的电路模型。传输线134的特性阻抗由4表示。源电压VJ31、源 电^U32以及负载或头端电压V^38之间的关系是：

VH4Vs/cosh(yl)][ZH/(ZH+Zotanh(y1)] 等式l

IHVs/Z^(Zo+ZHtanh(Yl))/(ZH+Z。tanh(仰] 等式2

其中堤传输电缆134的长度，Y是电缆的传播常数。对yl来说，舰重新整理等式l和2并且用K替换yl将会产生：

Z^Z^[Vs-ZQlstanh(K)]/[Z。Is-Vstoih(K)] 等式3

VHKVs隱IsZotanh(K))cosh(K) 等式4

在这里，当负载或末端短路时，传输电缆的输入阻抗表示为短路输入阻抗 Zis。在给定了电缆传播常iey禾帷输电缆长嵐的情况下，短路输入阻!fjZ^Z。tanh (K)。而替换等式4中的Z。tanh (K)则会产生：

VH=(Vs-IsZis)Cosh(K) 等式5

在等式5中，用Vs替换表达式VJcosh (K) +1^将会产生：

VfV化t (当Vs-VJcosh(K)+Is4时） 等式6

等式6表明可以通过使用与添加了反馈电压的V^目等的电压（Vs)驱动有 线线路电缆而将负载电压VH保持为近似于想要的电压（Vs。t)，其中反馈电压 是电压源电流（Is)的一个函数。在稳态斜特n低频有效范围中，因数cosh (K) 与1近似相等，负载电压VH基本上等于V效。因数cosh (K)表示的是传输线损 耗和延迟。虽然可以对线路损繊行补偿，但是只有在预期电流变化盼瞎况下 才能实现对延迟进行补偿。由于这在理论上是不可能的，因此因数cosli (K) 对反馈单元可以追踪负载阻抗变化的最大频率设置了一个限制。然而，由于很 容易在地表须糧电压源电淑s，因此等式6意瞎这样一个控制电路，该电路可 以在大的范围频率中使用并且不需要像负载电压这种只育统负载处得到的值。

现在参考图4 ，其中显示的是使用了由等式6提出的反馈控制的电缆测井系 统的标准模型。在这个模型中，电源141或其它电压源使用了一个源电压Vs来 驱动有线线路电缆。如等式l中所示，负载电压、与源电压Vs之间的关系是由 方框143和144，的。根据上述等式2，源电输s与源电压Vs之间的关系是在方 框143和145中得到反映的。应该注意的是，在这种标准表示中，方框143、 144 和145并不对应于系统中的实际电路，而是代表系统的不同输入和输出参数之 间的关系。如方框146所反映的那样，反馈电压Vp是源电涼Lls与短路线路阻抗 Zls=Zotanh (K)的一个函数。反馈电压^被添加到一个设定电压¥^中，以便产 生驱动有线线路电缆的源电压Vs 。

在表征电缆特性过程中可以根据经验对短路线路阻好t4加以确定，但也可 以在系统中包含必要的电路，以便在加电时或是周期性地在操作中执行所需要 的一次或多次测量。反馈电压Vp近似于处在源电流的传输线上的电压降。通过将这个电压降添加到设定电压V^中，负载电压将会近似保持在设定电压，其 中所述近似在稳定状态和低频劍牛下都是非常精确的。

如果为一个加载了与有线线路阻抗相匹配的电阻器的实际有线线路电缆来 确定奈奎斯特图，贝l據图会在复数平面上包围点4，由此表示不稳定。为了稳 定电压控制电路140,反馈环路中的极点可以提供必要的稳定性补偿。

现在参考图5 ，其中描述的是用于驱动有线线路电缆系统的系统l 50的一个 实施例的框图。在所述实施例中，系统150包括一个产生受控电压V』勺设定点 单元152。所述设定点单元152可以通过fOT—个齐纳二极管电路或用于产生模 拟基准电压信号的任何其它适用技术来加以实施。在另一个实施例中，设定点 单元152只产生一个表示V』勺信号，而不是产生一个实际电压。举例来说，如 果系统150的各部分是通过使用一个数字信号处理器（DSP)来实施的，那么 设定点单元152可以包括产生了表示VJ勺数字值的一部分DSP。这个数字值可 以由数模转换器（DAC)转换成V^，也可以直接提供给数控电源。设定点单 元152的输出向加法器单元153提供了一个第一输入。

加法器单元153从产生表示反馈电压VF的反馈电压信号的反馈单元155的输 出端接收一个第二输入。与设定点单元152相似，加法器单元153可以包括一部 分DSP，这部分DSP产生了包含用以表示相应电压的数字值的信号。加法器单 元153产生向电源提供输入的电压信号157。

通常，电源154是一个调制电源，它产生与输入电压成比例的输出电压Vs。 在一个实施例中，电源154可以作为一个开关型电源（也称为开关转换器）而 得到实施，其中所述电源MM使用诸如电容器、电感器、变压器之类的低损耗 元件以及一组2态开关而提供了供电功能。电源154可以是一个数控电源。在这 个实施例中，电压信号157可以包括表示电压的数字值而不是实际电压电平。

反馈单元155是由电源154产生的源电流Is驱动的。该反馈单元155产生一 个反馈电压信号。所述反馈电压信号可以是一个电压与反馈电压Vp相等的模拟 信号。在另一个实施例中，反馈电压信号可以包括一个代表反馈电压VF的数字 值。在所示实施例中，反馈单元155包括一个电流测定模块161、 一个阻抗元件 156以及一个频率补偿元件158。电流测定模块161包括一个确定源电溆s大小的 电路并向阻抗元件156提供一个表示已确定电流的信号。在一个实施例中，阻 抗元件156被设计成具有一个与有线线路电缆的短路输入阻i)tZis紧密匹配的阻抗。而在另一个实施例中，阻抗元件156可以模拟短路输入阻抗的直流分量（也 就是直流电阻)。这种实施方式代表的是出于实施方式的简单与成本的一个性能 折衷。稳定性补偿元件158则被设计成对电路的瞬态响应和稳定性加以改进。 而反馈单元155可以完整或部分地使用一个经过适当编程的DSP来得以实施。 参考图6，其中显示的是适合于实施图5的系统150的电路160的示意图。在所示 实施例中，郎的电流测定模块161题过使用一个低欧姆电阻器来实现的，举 例来说，所述电阻器可以是连接在传输电缆134与接ite间的in电阻器162，这 样一来，电阻器l62两端以伏特为单位的电压就等于以安培为单位的源电箭Lls。 模块161的所示实施例还包括运算放大器电路，该电路提供了所示实施方式专用 的转换和隔离功能。而图5的阻抗元件156则是作为一4^RLC电路166来实施的， 其中所述电路模拟了有线线路电缆的短路线路阻抗。而电路166的输出则经由 电阻器170与一个基准电压相结合。

基准电压电路包括15V的电压源及其相应电容器。倘若没有由RLC电路166 产生的反馈电压，则电阻器174和176会在稳态条件下在节点172上产生一个基 准电压（V《t)。而在具有由电路166生成的反馈电压的情况下，节点172会响应 于源电淑s的变化而围绕设定电压发生改变。代表了驱动有线线路电缆的源电 压Vs的电压源节点178反映节点172上的电压，这样一来，由于节点172的电压 是响应于反馈电压的变化值而变化的，因此节点178上的源电压Vs也会发生变 化。积分器电路168则提供了稳定性补偿。当负载阻抗显著变化时，源电流的 增加或降低将会导致反馈电压的相应增加或降低，这将会导致源电压的提升或 降低，从而将负载电压保持在一个相对恒定的值。

应该了解的是，图6中所示的电路元件可以用较所述分立元件更为先进的 技术来加以实施。例如，在这里可以使用DSP来优化电路响应时间和稳定性。 ii^列来说，DSP可以更为精确地复制有线线路电缆阻抗和稳定性电路。此外， 本发明的替、换实施例可以在反馈单元155中使用比例、差分或积分反馈元件。 而且，负载电压变化还可以通过使用电缆与负载阻^ZH之间的或与负载阻抗并 联的无源低通滤波器l 59来加以限制，其中所述低通滤波器会使负载阻抗Zn的 快速变化的影响减優。

对受益于本公开的本领域技术人员来说，很明显，本发明设想了一种适合 在电缆测井应用中使用的电压控制系统和方法。应该理解的是，在详细说明和附图中显示和描述的本发明的形式仅仅是作为当前4«的实例。本发明仅仅受 限于权利要求中的语言。