NO328715B1

NO328715B1 - Integrated communication and power system

Info

Publication number: NO328715B1
Application number: NO20045256A
Authority: NO
Inventors: Olav Bakka; Truls Norman
Original assignee: Aker Subsea As
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2010-05-03
Also published as: NO20045256L

Abstract

For å unngå signalforstyrrelser ved kommunikasjon via elektriske høyspentkablerfor tilførsel av elektrisk kraft til offshore installasjoner benyttes kraftledninger som er galvanisk isolert fra hverandre. Dette kan for eksempel gjøres ved å benytte en trefasekabel pluss en enkeltleder.In order to avoid signal interference when communicating via electric high voltage cables for supplying electrical power to offshore installations, power lines which are galvanically insulated from each other are used. This can be done, for example, by using a three-phase cable plus a single conductor.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et integrert kommunikasjons- og kraftsystem i samsvar med ingressen til det etterfølgende krav 1. Dette er et system som kombinerer overføring av kraft og signaler via en spesialutformet kabelkonfigurasjon til reguleringsinnretninger offshore, spesielt på havbunnen. The present invention relates to an integrated communication and power system in accordance with the preamble to the subsequent claim 1. This is a system that combines the transmission of power and signals via a specially designed cable configuration to regulation devices offshore, especially on the seabed.

For å redusere utslippet av karbondioksid og andre miljøskadelige gasser har myndighetene oppmuntret til og pålagt bruk av tilførsel av elektrisk strøm fra landbaserte kraftstasjoner til offshoreinstallasjoner. For en havbunnsinstallasjon er strømtilførsel via en kabel fra land vanligvis den eneste mulighet. In order to reduce the emission of carbon dioxide and other environmentally harmful gases, the authorities have encouraged and mandated the use of the supply of electricity from land-based power stations to offshore installations. For a subsea installation, power supply via a cable from shore is usually the only option.

I tillegg til krafttilførsel blir offshoreinstallasjoner mer og mer avhengig av datakommunikasjon med landbaserte anlegg. Dette fordrer overføring av store mengder data mellom installasjonen og land. In addition to power supply, offshore installations are becoming more and more dependent on data communication with land-based facilities. This requires the transfer of large amounts of data between the installation and land.

Prinsippet med samtidig bruk av kraftoverføringskabler og linjer for kommunikasjonsformål er kjent under uttrykket "comms-on-power" (kommunikasjon over kraftledning) eller PLC (Power Line Carrier). På land har dette vært gjort lenge. Offshore brukes det typisk som et tillegg til fiberoptisk kabel, men kan også installeres som det eneste system. Når det er installert som det eneste system, har det visse tekniske fortrinn, idet det for eksempel kan redusere kravet til antall våte, sammenpassbare koplinger på havbunnen. Kraft og kommunikasjon fordeles deretter til hver reguleringsinnretning. The principle of simultaneous use of power transmission cables and lines for communication purposes is known under the term "comms-on-power" or PLC (Power Line Carrier). On land, this has been done for a long time. Offshore, it is typically used as an addition to fiber optic cable, but can also be installed as the only system. When installed as the only system, it has certain technical advantages, in that it can, for example, reduce the requirement for the number of wet, mating connections on the seabed. Power and communication are then distributed to each control device.

Over meget lange avstander - typisk over 100 km - er det vanskelig å gjennomføre en kombinert kraft- og signaloverføring, og signalene utsettes for forstyrrelser fra den elektriske strøm. På land kan dette løses ved å sette inn forsterkere med visse mellomrom. Offshore er det ikke ønskelig med forsterkere, ettersom dette ville innebære installasjon av meget ømfintlig utstyr på havbunnen, hvor det ville være meget vanskelig å få tilgang til utstyret for vedlikehold. Over very long distances - typically over 100 km - it is difficult to carry out a combined power and signal transmission, and the signals are exposed to disturbances from the electric current. On land, this can be solved by inserting amplifiers at certain intervals. Offshore, amplifiers are not desirable, as this would involve the installation of very delicate equipment on the seabed, where it would be very difficult to access the equipment for maintenance.

Et eksempel på kommunikasjon via kraftledninger er vist i US 5949327, der den ene lederen i et trefasearrangement brukes som den ene kommunikasjonssignalveien og en jordleder brukes som den andre kommunikasjonssignalveien. En vesentlig ulempe med å bruke jordlederen som kommunikasjonssignalleder er at signalene lett vil kunne forstyrres av krypstrømmer og returstrømmer fra krafttilførselen. Dessuten vil signaloverføring via den ene lederen i trefasearrangementet føre til ubalanse i et ellers balansert system. An example of communication via power lines is shown in US 5949327, where one conductor in a three-phase arrangement is used as one communication signal path and a ground conductor is used as the other communication signal path. A significant disadvantage of using the earth conductor as a communication signal conductor is that the signals can easily be disturbed by creepage currents and return currents from the power supply. Furthermore, signal transmission via the one conductor in the three-phase arrangement will lead to an imbalance in an otherwise balanced system.

Et annet eksempel er WO 00/33108. Ifølge denne publikasjonen er flere signalledere galvanisk isolerte i fra hverandre. Det er dessuten tilkoblet strømkilder som gir krafttilførsel på signallederne. Det er imidlertid betydelig lavere effekter (1800 W) som skal overføres her enn det som behøves for å forsyne en offshore installasjon. Dette arrangementet vil derfor ikke egne seg til den foreliggende oppfinnelses formål. Another example is WO 00/33108. According to this publication, several signal conductors are galvanically isolated from each other. Power sources are also connected to supply power to the signal conductors. However, there are significantly lower effects (1800 W) to be transmitted here than what is needed to supply an offshore installation. This arrangement will therefore not be suitable for the purpose of the present invention.

Enda et eksempel er vist i US 5444184. Her overføres signalet på et tvinnet par. Kraften overføres som trefase eller énfase der hvert par virker som leder. På denne måten går kraftstrømmen samme vei i begge signallederne og skaper mindre forstyrrelser. Imidlertid er ikke lederne for kommunikasjonssignalet galvanisk atskilte. Derved vil det likevel kunne oppstå forstyrrelser. Another example is shown in US 5444184. Here the signal is transmitted on a twisted pair. The power is transmitted as three-phase or single-phase, where each pair acts as a conductor. In this way, the power flow goes the same way in both signal conductors and creates less interference. However, the conductors of the communication signal are not galvanically separated. Thereby, disturbances may still occur.

Den foreliggende oppfinnelse har til hensikt å løse de ovennevnte problemer uten eller i det minste med et vesentlig redusert behov for forsterkning av The present invention aims to solve the above-mentioned problems without or at least with a significantly reduced need for reinforcement of

kommunikasj onssignalene. the communication signals.

Dette oppnås ved de trekk som er angitt i den kjennetegnende delen av krav 1. This is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Oppfinnelsen anordner generelle hensyn og gjennomføringer i systemutformingen som gjøres for å oppnå og optimalisere den ovenfor beskrevne dobbeltfunksjon gjennom å bruke et sett med, fortrinnsvis, fire kopperledere for overføring av både kraft og kommunikasj onssignaler. The invention arranges general considerations and implementations in the system design which are made to achieve and optimize the above-described dual function by using a set of, preferably, four copper conductors for the transmission of both power and communication signals.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj under henvisning til de ledsagende tegninger, som viser utførelser av oppfinnelsen, hvor: Figur 1 viser en alternativ utførelse i en 3-fase pluss enkeltkabel-arrangement; Figur 2 viser skjematisk et tverrsnitt gjennom en kabel for realisering av arrangementet i figur 1; Figur 1 viser en måte å arrangere lederne på i et trefasearrangement med en ekstra enkeltleder. Koplingene anordnes og koples på vanlig måte for å oppnå det ønskede optimum for ICPS-systemet (Integrated Communications and Power System). 3-fase + 1-ledersystemet kan brukes over lengre avstander enn et firepols-arrangementet der hvor kabelisolasjonen har en ytre halvleder. The invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings, which show embodiments of the invention, where: Figure 1 shows an alternative embodiment in a 3-phase plus single cable arrangement; Figure 2 schematically shows a cross-section through a cable for realizing the arrangement in Figure 1; Figure 1 shows a way of arranging the conductors in a three-phase arrangement with an additional single conductor. The connections are arranged and connected in the usual way to achieve the desired optimum for the ICPS system (Integrated Communications and Power System). The 3-phase + 1-conductor system can be used over longer distances than a four-pole arrangement where the cable insulation has an outer semiconductor.

Som vist på figur 1, forsynes ICPS med kraft i land-/dekkenden 1, og kraften tas ut i havbunnsenden 2 via belastningsutjevnende flerviklingstransformatorer 3 og 4. As shown in Figure 1, the ICPS is supplied with power in the land/cover end 1, and the power is taken out in the seabed end 2 via load equalizing multi-winding transformers 3 and 4.

I utførelsen på figur 1 har transformatoren 3 en trefase-primærvikling 16 og en trefase-sekundærvikling 17. Trefase-sekundærviklingen 17 er koplet til tre ledere 18,19 og 20. Parallelt med de tre ledere 18,19,20 befinner det seg en enkeltleder 21.1 hver ende av lederne 18 - 21 er et filter 12. In the embodiment in Figure 1, the transformer 3 has a three-phase primary winding 16 and a three-phase secondary winding 17. The three-phase secondary winding 17 is connected to three conductors 18,19 and 20. Parallel to the three conductors 18,19,20 there is a single conductor 21.1 each end of the conductors 18 - 21 is a filter 12.

Transformatoren 4 har en trefase-primærvikling 22 og en flerhet av énfase-sekundærviklinger 15. Hver av sekundærviklingene er utstyrt med et filter 12. Når det gjelder utførelsen på figur 1, fordeler sekundærviklingene 15 kraft og signaler til forskjellig utstyr på installasjonen. The transformer 4 has a three-phase primary winding 22 and a plurality of single-phase secondary windings 15. Each of the secondary windings is equipped with a filter 12. Regarding the embodiment in Figure 1, the secondary windings 15 distribute power and signals to various equipment on the installation.

Figur 2 viser skjematisk et tverrsnitt gjennom en kabel som rommer ledere 18-21 på figur 1. På denne figur betegner LI, L2 og L3 henholdsvis ledere 18, 19 og 20, og S betegner enkeltlederen 21. Figure 2 schematically shows a cross-section through a cable that accommodates conductors 18-21 in Figure 1. In this figure, LI, L2 and L3 respectively denote conductors 18, 19 and 20, and S denotes the single conductor 21.

ICPS'ets funksjon og egenskaper kan beskrives som følger: The function and characteristics of the ICPS can be described as follows:

Elektrisk kraft med fast frekvens tilføres primærviklingen for å sende strøm gjennom og betjene regulerings- og kommunikasjonsutstyr på havbunnen. Krafttilkoplingen er forskjellig fra tilkoplingen for "comm's on power". I 3-fase + 1-ledersystemet tilføres kraft i form av en standard trefase-tilførsel. En egen kjerne/leder som kun brukes for "comms' on power"-systemet, danner en del av forsyningskabelen. Electric power with a fixed frequency is supplied to the primary winding to transmit power through and operate control and communication equipment on the seabed. The power connection is different from the connection for "comm's on power". In the 3-phase + 1-conductor system, power is supplied in the form of a standard three-phase supply. A separate core/conductor used only for the "comms' on power" system forms part of the supply cable.

Overføring av kommunikasjonssignaler innenfor et bestemt frekvensbånd skjer via de samme ledersett som brukes til kraftoverføring i enheten. Transmission of communication signals within a specific frequency band takes place via the same sets of conductors that are used for power transmission in the unit.

Kraft og kommunikasjonssignaler skilles i begge kabelender ved å avslutte i spesialutformede filtre. Power and communication signals are separated at both cable ends by terminating in specially designed filters.

Kabelen som går fra en kraftkilde som befinner seg på land eller på et overstell (topside), koples til en spesialutformet, flerviklings-nettransformator i havbunnsenden. The cable, which runs from a power source located on land or on a superstructure (topside), is connected to a specially designed, multi-winding mains transformer at the seabed end.

Som anskueliggjort ved hjelp av tverrsnittet på figur 2, befinner ikke enkeltlederen seg i nærheten av de tre ledere som brukes til kraftforsyning. Avstanden mellom enkeltlederen og de tre kraftledere bestemmes av et antall faktorer som for eksempel: - forsyningskabelens minste utvendige diameter, - laveste kapasitans, laveste induktans. Fordelen er at avstanden mellom de tre ledere og den frittstående leder kan varieres, følgelig kan induktansen for "comms"-systemet optimaliseres. As can be seen with the help of the cross-section in Figure 2, the single conductor is not located near the three conductors used for power supply. The distance between the single conductor and the three power conductors is determined by a number of factors such as: - the smallest external diameter of the supply cable, - lowest capacitance, lowest inductance. The advantage is that the distance between the three conductors and the independent conductor can be varied, consequently the inductance for the "comms" system can be optimised.

Utformingen av den undersjøiske flerviklingstransformator som vises på figur 1, sikrer at alle havbunnsplasserte reguleringsenheter er galvanisk atskilt, og at konsekvensen av en enkeltfeil dermed begrenser seg til den sviktende forbruker. The design of the submarine multi-winding transformer shown in Figure 1 ensures that all control units located on the seabed are galvanically isolated, and that the consequence of a single fault is thus limited to the failing consumer.

Claims

1. Integrated communication and energy system comprising at least one first transformer located on land, at least one second transformer located offshore, at least four conductors, of which at least three connect the first transformer to the second transformer, with at least three of said conductors conducting electric power and at least one of said conductors is galvanically isolated from at least one of the other conductors, the communication signals being conducted in two galvanically isolated conductors, the conductors forming a three-phase arrangement plus a single conductor, where the three conductors forming the three-phase arrangement together form the one conductor for the communication signals and where the single conductor forms the second conductor for the communication signals, characterized in that the single conductor is only used for the transmission of communication signals.