陽林鋒 庹先國李懷良沈 統(tǒng)

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059；2.地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059）

井中VSP供電系統(tǒng)啟動可靠性分析與設(shè)計

陽林鋒1， 庹先國1，2，李懷良1，2，沈 統(tǒng)2

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059；2.地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059）

為實現(xiàn)數(shù)字垂直地震剖面勘探（vertical seismic profiling，VSP）系統(tǒng)的可靠供電，設(shè)計中針對供電系統(tǒng)啟動的穩(wěn)定可靠性、輸出功率及效率等性能進(jìn)行分析計算，并通過試驗確定探頭內(nèi)部的功耗參數(shù)，以計算出合理的系統(tǒng)配置參數(shù)，解決電源系統(tǒng)啟動問題。為提高VSP勘探效率提出電機(jī)同步驅(qū)動的優(yōu)化方案，可根據(jù)實際需求配置探頭和電機(jī)啟動參數(shù)。結(jié)果表明：該電源系統(tǒng)在阻抗為10Ω的100m鎧裝電纜輸電時，最多能同步驅(qū)動12只探頭，然后同時啟動6只電機(jī)，且VSP系統(tǒng)的可靠性與勘探效率顯著提高。

VSP供電系統(tǒng)；啟動可靠性；功率輸出；勘探效率

0 引 言

井中級聯(lián)式數(shù)字微VSP設(shè)備是一種重要的工程地質(zhì)勘探設(shè)備，現(xiàn)在已發(fā)展到全數(shù)字三分量檢波器階段。目前井中級聯(lián)式數(shù)字微VSP設(shè)備在我國還沒有自主研制的成品化設(shè)備[1]。VSP系統(tǒng)要實現(xiàn)全數(shù)字采集、高速實時傳輸、支撐臂電機(jī)驅(qū)動以及高的穩(wěn)定可靠性和便攜性要求，高效穩(wěn)定的配套電源系統(tǒng)是必須解決的難題之一。VSP設(shè)備配套電源系統(tǒng)主要存在系統(tǒng)啟動瞬間負(fù)荷大、對通信系統(tǒng)瞬間沖擊干擾強(qiáng)、探頭內(nèi)部電源模塊啟動不良等問題，對整個VSP測井系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。因此本文提出一種以蓄電池為能量來源的VSP設(shè)備電源系統(tǒng)

設(shè)計方案，通過試驗分析論證了電源系統(tǒng)的供電性能參數(shù)，計算出合理的系統(tǒng)配置參數(shù)，提出優(yōu)化的電源管理方案，以獲得高效的電能傳輸和穩(wěn)定可靠的探頭工作狀態(tài)[3]。

1 電源系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文提出的井中級聯(lián)式數(shù)字微VSP設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主控筆記本、控制中轉(zhuǎn)站、多級井中探頭、輕便手動絞車、蓄電池以及鎧裝電纜組成。蓄電池是VSP設(shè)備的電能來源，為系統(tǒng)中的筆記本、控制中轉(zhuǎn)站、井中探頭供電?？刂浦修D(zhuǎn)站中的電源升壓模塊將蓄電池的12 V輸出電壓轉(zhuǎn)換為電源總線上的48V輸電電壓，井中各探頭掛接在電源總線上。井中探頭具有獨(dú)立的功能實現(xiàn)，對外提供電源總線接口和通信總線接口，以實現(xiàn)對前級探頭的級聯(lián)和對后級探頭的掛接。電源總線為井中探頭的供電提供電能輸送通道；通信總線給探頭傳送控制命令以及為其回傳實時狀態(tài)信息、采集數(shù)據(jù)提供傳輸通道。控制終端對井中各探頭內(nèi)供電進(jìn)行實時控制和狀態(tài)監(jiān)測，以實現(xiàn)探頭內(nèi)電源優(yōu)化管理和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

1.2 供電參數(shù)設(shè)計及控制方案

電源系統(tǒng)中，采用鎧裝電纜供電和通信，進(jìn)行能量與數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)對井中探頭的供電、控制及數(shù)據(jù)傳輸。在本設(shè)計中由1塊12V（100A·h）的鉛酸蓄電池供電，由模塊WRD12D05-10W轉(zhuǎn)換得到中轉(zhuǎn)站控制電路所需的5V電壓，由WRFD12D12-5W轉(zhuǎn)換成±12V為中轉(zhuǎn)站檢波器測試通道供電；控制中轉(zhuǎn)站內(nèi)選取YD12-48型號的直流電壓升壓模塊，將蓄電池的12V電壓升壓至48V，該模塊額定輸出功率為250W，以提供足夠的帶負(fù)載能力。電源總線電壓U0是電源系統(tǒng)的重要參數(shù)，提高該電壓有利于提高電能傳輸能力，但升壓模塊輸出參數(shù)與井探頭輸入電壓范圍制約該電壓無限升高。控制中轉(zhuǎn)站與探頭的電能傳遞關(guān)系與控制示意圖如圖2所示[5-6]。

鎧裝電纜內(nèi)包含電源總線和RS485通信總線。探頭的電壓輸入范圍設(shè)計為18～72V，為控制中轉(zhuǎn)站中升壓模塊的升級提供余量，同時也提高探頭的瞬間啟動特性，增強(qiáng)井中探頭工作的穩(wěn)定性。由于探頭電機(jī)驅(qū)動時的干擾和井中環(huán)境的干擾，探頭內(nèi)部選擇具有電氣隔離的DC-DC開關(guān)電源，充分隔離地層干擾和電機(jī)干擾[7]。探頭內(nèi)控制及通信部分的電源±5V采用輸入范圍為18～72 V的WRFD24D5-6W模塊，與電源總線同步上電，以保證探頭與控制中轉(zhuǎn)站實時通信和控制探頭內(nèi)其它用電模動作；24V的電機(jī)驅(qū)動電壓由輸入范圍18～72V的URD24S24-20W模塊轉(zhuǎn)換總線電壓得到；輸入范圍18～72V的WRS24D12-2W模塊將總線電壓轉(zhuǎn)換成±12V的數(shù)據(jù)采集部分的電源。主控電路控制電機(jī)及數(shù)據(jù)采集部分的電源開關(guān)實現(xiàn)節(jié)能管理。

圖2 電能傳遞關(guān)系與控制示意圖

2 電源系統(tǒng)供電性能分析與試驗

電源系統(tǒng)供電性能包括輸出功率、效率、續(xù)航能力。井中探頭內(nèi)部用電模塊包括3部分：（1）探頭控制電路及RS485通信電路部分；（2）電機(jī)驅(qū)動部分；（3）數(shù)據(jù)采集部分。設(shè)備工作采取分步驅(qū)動，首先下井電源與第（1）部分同步啟動，其他部分關(guān)閉，以保證探頭處于實時通信狀態(tài)，實現(xiàn)后續(xù)的優(yōu)化控制方案；其次控制第（2）部分啟動，可根據(jù)實際情況選擇單只探頭逐級驅(qū)動電機(jī)和分組電機(jī)同步驅(qū)動；最后關(guān)閉第（2）部分再啟（3）部分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，降低電機(jī)驅(qū)動部分對數(shù)據(jù)采集的干擾[8]。

2.1 探頭內(nèi)各用電模塊性能測試分析

探頭內(nèi)部用電模塊的功耗特性包含瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性：功耗的穩(wěn)態(tài)特性主要用于效率、續(xù)航能力計算；瞬態(tài)特性主要用于系統(tǒng)可靠性分析，其中第（1）部分的瞬態(tài)功耗主要用于井中所有掛接探頭的同步啟動能力分析，而支撐臂電機(jī)驅(qū)動的瞬態(tài)功耗特性主要用于同步驅(qū)動分組電機(jī)能力的分析。支撐臂電機(jī)驅(qū)動的瞬態(tài)功耗特性包括啟動瞬間功率和卡死極限功率，在計算同步驅(qū)動一組電機(jī)的數(shù)量時選擇兩瞬間功率值較大者進(jìn)行分析。單只探頭在18～48 V的輸入范圍內(nèi)，分別在24V、32V、40V的輸入電壓下，在其他測試條件相同的情況下，對上面3部分用電模塊的相關(guān)功耗特性進(jìn)行測試，實驗測得的相關(guān)參數(shù)基本一致，且每只探頭的對應(yīng)參數(shù)有很好的一致性，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 探管內(nèi)部各用電模塊功耗特性參數(shù)

表1中各參數(shù)可用于分析電源系統(tǒng)的啟動安全性分析，VSP設(shè)備系統(tǒng)的功耗分析、效率計算以及續(xù)航能力估算。在分析啟動安全性時用瞬態(tài)特性計算，VSP系統(tǒng)掛接探頭數(shù)量的計算分析采用P①瞬=4.5 W（①啟動瞬間功率）為計算參數(shù)，同時啟動電機(jī)的數(shù)量計算采用P②瞬=6.84W（②收臂卡死極限功率）為分析參數(shù)。在分析電源系統(tǒng)的功率輸出和運(yùn)行效率時，需要以穩(wěn)態(tài)驅(qū)動功率分析計算[9]。

2.2 電源系統(tǒng)供電性能測試分析

中轉(zhuǎn)站輸送電能給探頭，其輸電性能決定著電源系統(tǒng)的主要參數(shù)。各探頭內(nèi)部完全相同，性能參數(shù)具有良好的一致性，因此可建立如圖3左所示模型對控制中轉(zhuǎn)站供電性能進(jìn)行分析[10]。

圖3 電源供電模型示意圖

圖3中，1、2、3、…、n為探頭編號，中轉(zhuǎn)站到首節(jié)探頭距離100m，此段電源總線阻抗為8Ω，電源內(nèi)阻為2Ω，因此R1=8+2=10Ω。探頭之間的間距1m，實測值為R2=R3=…=Rn=0.05Ω遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R1，可忽略不計，因此在掛接探頭不多（n≤20）的情況下可視井中所有探頭為一功率體，等效電路如圖3右所示。U0=48V為中轉(zhuǎn)站輸出電壓，P0為輸出功率，U為功率體的輸入電壓，P為井下所有探頭獲得的功率。由電源供電模型可得：

由式（1）可知，當(dāng)i=U0/（2R1）時井中探頭獲得功率達(dá)到最大值Pmax與U0的關(guān)系式，如式（2）所示。當(dāng)掛接探頭所需瞬態(tài)總功率P超過Pmax后，級聯(lián)探頭出現(xiàn)啟動不良，為確保電源系統(tǒng)啟動可靠，掛接探頭功率P必須小于Pmax，因此電流i范圍為0＜i＜U0/（2R1）。將U0=48V，R1=10 Ω代入式（2）可得U0與Pmax關(guān)系如圖4所示。本設(shè)計中探頭輸入電壓范圍18～72V，因此中轉(zhuǎn)站的輸電能力還有提升的空間。

圖4 U0與Pmax關(guān)系圖

將U0=48V，R1=10Ω代入0＜i＜U0/（2R1）和式（1）可計算得到：

由式（3）可得i與P的關(guān)系曲線，如圖5所示，可以根據(jù)該曲線確定電源導(dǎo)線的最大電流指標(biāo)并合理選擇線纜型號。

圖5 i與P關(guān)系圖

圖6 U與P關(guān)系圖

圖7 μ與P關(guān)系圖

圖8 N1與N2關(guān)系圖

將i=（U0-U）/R1代入式（1），并將R1=10 Ω，U0= 48 V代入式（1）計算，可得探頭輸入電壓U與P的關(guān)系式，見式（4）。由式（4）可得探頭輸入U與P關(guān)系曲線如圖6，根據(jù)該曲線確定探頭內(nèi)部電源模塊的輸入電壓范圍參數(shù)。

由上面推導(dǎo)得出控制中轉(zhuǎn)站電源輸出效率μ與井中探頭獲得功率P關(guān)系，見式（6），可得μ與P關(guān)系如圖7所示。由曲線可知中轉(zhuǎn)站電源的輸出功率越大，效率越低。在本文設(shè)計中，輸出的最大功率Pmax=57.6W，此時效率為50%。

3 電源系統(tǒng)優(yōu)化啟動方案

VSP系統(tǒng)野外施工的穩(wěn)定性、續(xù)航能力及施工效率至關(guān)重要，電源系統(tǒng)的安全啟動決定著穩(wěn)定性，探頭內(nèi)部電源優(yōu)化管理影響續(xù)航能力，同時掛接探頭數(shù)量N1與同時驅(qū)動電機(jī)數(shù)N2決定著施工效率。在最大輸出功率的情況下，系統(tǒng)能驅(qū)動的探頭數(shù)最大值N1MAX由探頭第①部分瞬態(tài)功率（P①瞬=4.5W）決定，其關(guān)系如式（7）所示；確定N1MAX的值后，在N1≤N1MAX前提下根據(jù)實際確定N1，剔除掛接探頭穩(wěn)態(tài)功耗N1·P①穩(wěn)，此時同步驅(qū)動電機(jī)最多個數(shù)N2MAX由探頭內(nèi)②部分瞬間功耗（P②瞬=6.84W）決定，其關(guān)系如式（8）所示。

式中Pmax=57.6 W為井中探頭能獲取的最大功率，P①穩(wěn)=1.5W為探頭第①部分穩(wěn)態(tài)功耗。將表1數(shù)據(jù)代入式（7）得同時驅(qū)動最多12只探頭，同步啟動N1（N1≤8）只探頭數(shù)后，由式（8）能同時啟動N2≤6只電機(jī)，其關(guān)系如圖8。根據(jù)以上關(guān)系能合理配置啟動參數(shù)，以提高設(shè)備施工效率。

4 結(jié)束語

本文通過分析VSP系統(tǒng)中下井電源的輸出功率、效率、可靠啟動與電源總線電壓及傳輸導(dǎo)線阻抗的關(guān)系，確定了電源系統(tǒng)相關(guān)模塊組件參數(shù)；同時分析了電源系統(tǒng)參數(shù)與探頭電機(jī)啟動的關(guān)系，提出了優(yōu)化的電源啟動管理方案。最終確定了探頭和電機(jī)的啟動參數(shù)，使系統(tǒng)得以在高可靠性下高效率的工作。測試結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)經(jīng)100m四芯鎧裝電纜供電時，可同時驅(qū)動最多12只探頭采集數(shù)據(jù)，并能同時驅(qū)動6只電機(jī)工作，并可根據(jù)實際需求配置下井探管數(shù)量。在野外多次現(xiàn)場試驗過程中，未出現(xiàn)過卡井事故或無法啟動現(xiàn)象，施工效率比傳統(tǒng)設(shè)備顯著提高。

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Reliability analysis and design on VSP power supply system’s startup

YANG Lin-feng1，TUO Xian-guo1，2，LI Huai-liang1，2，SHENG Tong2
（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu 610059，China；2.Key Lab of Earth Exploration and Information Techniques of Ministry of Education，Chengdu 610059，China）

In order to realize the reliable power supply system of the digital VSP，this paper provided the analysis and calculation of the performance of the power supply system，including the stability and reliability on startup，and output power，and efficiency.Then the power consumption parameters within the probe are determined by experiment to achieve the reasonable system configuration parameters，and to solve the problem of the power system’s startup.The optimization scheme of synchronous driving of motors was presented for improving the exploration efficiency of the VSP instrument.The startup parameters of probes and motors are decided by actual demand.The results show that supply power can drive simultaneously 12 probes at most and then start simultaneously 6 motors，when armored cable is 100 meters long.Meanwhile，the reliability and the exploration efficiency of the VSP system are significantly improved.

VSP power supply system；reliability on startup；power output；exploration efficiency

P315.61；TH262.2；TP202.+1；TN86

：A

：1674-5124（2014）01-0141-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.035

2013-05-24；

：2013-07-08

國家自然科學(xué)基金重大科研儀器設(shè)備研制專項（41227802）國家杰出青年基金項目（41025015）

陽林鋒（1986-），男，四川廣安市人，碩士研究生，專業(yè)方向為物探儀器工程地震儀及核測井儀器開發(fā)。