水下生产控制系统是实现水面岸基站和水下生产系统沟通的桥梁,是水下油气田勘探开发的核心设施。少数几个大型跨国公司掌握着水下生产控制系统的设计、制造及安装技术,我国在这一领域和发达国家相比还有很大差距。随着我国对油气资源消耗的快速增长,国内石油公司急迫需要研制全电式水下生产控制系统来支持我国对深水、超深水油气资源的开发,同时缩短与发达国家在全电气控制领域的差距。全电式水下分配单元承担着连接岸基站设施与水下控制设施的任务,是全电式水下生产控制系统的关键组成环节。本文从全电式水下分配单元的功能、结构研究出发,完成了水下分配单元的相关设计。首先介绍了水下生产控制系统的发展过程;分析研究了常见水下分配单元的结构形式,按照深水工况及设计要求,对全电式水下分配单元的功能与结构进行了定义。其次,采用Solid Works软件设计了全电式水下分配单元的总体机电集成封装结构。提出了一种采用模块化方法设计的全电式水下分配单元系统结构。采用主控电路耐压壳体、低压转换耐压壳体及高压转换耐压壳体完成了水下分配单元的集成封装。基于第一强度理论,完成了水下分配单元耐压壳体的强度计算与稳定性校核,并采用ANSYS Workbench软件对耐压壳体进行了有限元分析,保证水下分配单元能适于深水环境。水下分配单元高压转换壳体采用壳体内部灌充散热油和高压缩比气体相结合的方式进行散热,最后采用COMSAL和MATLAB软件分别对电能转换器2D模型和气液结合缓压机理进行了仿真分析;水下分配单元主控电路壳体则采用端盖热传导的散热方式进行散热。分析比较了高压交流输电、直流输电方式,确定采用金属导线回路的输电方式来为水下分配系统提供所需的电能。分析了双管正激变换、PWM控制及ISOP组合系统的均压、均流技术,提出采用基于PMW双管正激拓扑结构的方法把MOSFET元器件通过输入串联/输出并联相结合的方式,来实现水下分配系统的1.2KV DC高压电能到400V DC中压电能及400V DC中压电能到48V、24V DC等低压直流的转换。提出了一种由水面监控层、主干网层及子网层组成的水下信号分配系统结构。依据OSI/RM模型,设计了一种基于TCP/IP协议技术的主干网通信协议分层模型。采用RS485协议、Mod Bus/RTU协议、基于TCP/IP协议的以太网技术及应用层自定义协议相结合的方法,实现对水下控制和生产设施的通信控制与信号采集。最后,采用OPTISYSTEM软件建立了点对多点下行控制信号光纤通信模型,验证了下行控制信号通信系统的可行性,并分析得出了影响光纤通信质量的因素;采用基于光纤光栅的光波分复用通信系统来实现水下生产信息的上传,并进行了仿真验证。