鉆井平臺電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

陳明

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司市場管理中心，黑龍江 大慶 163000）

電力驅(qū)動是石油鉆井普遍采用的動力驅(qū)動方式之一，特別是在成本不斷上升的今天，電力驅(qū)動鉆井是國內(nèi)外重點選擇的鉆井動力驅(qū)動方式。在國內(nèi)油田，特別是電網(wǎng)覆蓋的老油區(qū)，電力驅(qū)動幾乎是唯一的鉆井驅(qū)動方式，占每年鉆井總井口數(shù)的80%以上。電能質(zhì)量是保證電力驅(qū)動鉆井順利進(jìn)行的重要因素。電能質(zhì)量的治理工作是目前油田保證低成本、高速度鉆井，實現(xiàn)綠色鉆井的重要工作之一。電能質(zhì)量治理工作的前提是電能質(zhì)量監(jiān)測。為此，建立一套科學(xué)化的監(jiān)測手段和管理模式非常重要。

1 研究的總體目標(biāo)

在充分考慮野外鉆井工況的情況下，以現(xiàn)代先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和信息技術(shù)為手段，建立電能指標(biāo)在線實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、分析一體化平臺，形成科學(xué)化的鉆井井場電能質(zhì)量監(jiān)測管理模式，為鉆井井場電能質(zhì)量的事中控制提供決策依據(jù)，為鉆井井場電能質(zhì)量的事后分析提供手段。

2 系統(tǒng)框圖

2.1 配電室數(shù)據(jù)采集

通過在監(jiān)測測點安裝電能質(zhì)量分析儀，完成電能參數(shù)原始數(shù)據(jù)的采集、電能參數(shù)指標(biāo)計算和電能數(shù)據(jù)的本地數(shù)據(jù)存儲，將井隊現(xiàn)場數(shù)據(jù)打包通過無線通信（GPRS、LoRa）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端服務(wù)器與鉆井平臺值班室。主要功能為完成原始電能數(shù)據(jù)采集、電能參數(shù)指標(biāo)計算、電能數(shù)據(jù)報文打包、電能數(shù)據(jù)報文發(fā)送、無線信道連接與無線信道偵測心跳信息的發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸控制信息接收、電表時鐘校準(zhǔn)。

2.2 公司數(shù)據(jù)采集

通過在公司總部設(shè)置服務(wù)器，完成井場測點儀表的無線通信連接偵聽、控制指令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解包、以及向數(shù)據(jù)庫存儲等。通過在公司設(shè)置數(shù)據(jù)備份服務(wù)器，實現(xiàn)各井隊測點電能參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的持久性存儲，與控制指令存儲、實施波形數(shù)據(jù)存儲等。

前置服務(wù)器完成多路電表無線信道連接偵聽、向多路電表發(fā)送控制指令、多路電表無線信道的電能數(shù)據(jù)偵聽與報文數(shù)據(jù)接收、存儲、多路電能數(shù)據(jù)報文的報文解碼，并向公司電能數(shù)據(jù)庫寫入、完成解碼后的電能數(shù)據(jù)向公司電能數(shù)據(jù)庫寫入。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成多個電表的電能數(shù)據(jù)存儲、鉆井隊相關(guān)信息存儲、電表相關(guān)信息存儲、系統(tǒng)管理信息存儲。

2.3 鉆井平臺應(yīng)用終端

在鉆井平臺安裝終端與配電室終端建立數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)配電室電能波形顯示、電能參數(shù)指標(biāo)歷史趨勢分析、測點的對比分析等。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 電能質(zhì)量分析儀

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電力電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，各種非線性、沖擊性、波動性負(fù)載也大量增加，使電力系統(tǒng)所遭受的電能質(zhì)量污染也日趨嚴(yán)重。SR系列在線多功能測試電表專門為工業(yè)、商業(yè)/辦公樓等供配電場所設(shè)計，能快速地檢測電網(wǎng)質(zhì)量及電氣特性，并可準(zhǔn)確計量電度消耗。操作安裝簡便而精確，能快速計算大量電力參數(shù)并對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實時檢測電壓、電流、功率、電度、諧波不平衡度等電能質(zhì)量參數(shù)，實時檢測供電線路用電情況，以便及時了解當(dāng)前供電電能質(zhì)量，快速做出相應(yīng)治理改善。

3.1.1 技術(shù)特點

電源工作范圍寬，AC 50～270V可正常工作，表箱體積小，安裝方便。

精度0.2級，準(zhǔn)確計量與顯示，基本電量參數(shù)包括三相電壓、電流、有功、無功功率、功率因數(shù)、有功、無功電度等。

可實時顯示三相和單相電壓、電流的實時波形。

可顯示電壓、電流的THD及2到63次諧波含量。

可顯示電壓、電流的三相不平衡度及CF、KF因子。

可顯示正、負(fù)、零序電壓、電流分量。

可檢測電網(wǎng)發(fā)生的過壓、過流、欠壓、瞬變等SOE事件。

可檢測電壓短時閃變和長時閃變值。

可記錄電網(wǎng)中的三相電壓、電流、有功、無功功率歷史曲線。

支持單相、三相四線、三相三線等多種接線方式，可用于600V以下無外置PT接入及各高壓等級外置PT接入。具有RS485通信接口、支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU通信協(xié)議，可將大量電能參數(shù)上傳監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1.2 功能特點

通信模式：支持TCP/UDP。

多種通信協(xié)議：（1）comway通信協(xié)議；（2）透傳協(xié)議；（3）兼容桑榮協(xié)議；（4）兼容宏電協(xié)議。

服務(wù)器地址設(shè)置方式：固定公網(wǎng)IP或動態(tài)域名；多服務(wù)器并行通信：支持同時向三個服務(wù)器并行發(fā)送數(shù)據(jù)；穩(wěn)定的工作模式：支持自動斷線重連，可以設(shè)置心跳包和自定義注冊包；出色的網(wǎng)管功能：可以通過定時任務(wù)或者短信遠(yuǎn)程啟用網(wǎng)管，在線監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)和修改配置參數(shù)；實用的短信AT指令功能：可以通過短信查詢和修改配置參數(shù)；可靠性保障機制：可以設(shè)置無GSM信號重啟時間，可以設(shè)置定時重啟時間。

3.2 鉆井平臺本地終端

鉆井平臺本地終端

利用LoRa通信方式將鉆井平臺與配電室采集單元建立無線數(shù)據(jù)鏈路，將配電室電能質(zhì)量狀況進(jìn)行本地顯示，供鉆井平臺工作人員室內(nèi)實時觀測。

3.2.1 指標(biāo)參數(shù)

4 技術(shù)應(yīng)用

4.1 無線通信鏈接

在電表與前置服務(wù)器之間的無線信道是否暢通，是數(shù)據(jù)采集與指令發(fā)送的前提。只有電表與前置服務(wù)器處于連接狀態(tài)，前置服務(wù)器才能給采集器發(fā)送指令，采集器才能將指定數(shù)據(jù)發(fā)送給前置服務(wù)器。因此，無線信道連接檢測是系統(tǒng)的首要工作。

無線通信連接檢測的基本邏輯是，每一路電表分別定時給前置服務(wù)器發(fā)送心跳消息，前置服務(wù)器獲取到某一路電表發(fā)送的心跳消息后，確認(rèn)與該電表建立連接，并記錄與該電表的連接狀態(tài)為已連接狀態(tài)；當(dāng)前置服務(wù)器超過一定時間（或確定的幾個檢測周期）沒有接收到該路電表的心跳消息時，前置服務(wù)器會認(rèn)為與該電表的鏈接已斷開，并將連接狀態(tài)置為斷開狀態(tài)。當(dāng)處于斷開狀態(tài)時，前置服務(wù)器無法發(fā)送指令給該路電表，該電表也無法發(fā)送數(shù)據(jù)包給前置服務(wù)器。

基本方式是，前置服務(wù)器通過對所有電表的無線傳輸信道端口進(jìn)行輪詢，在確定的時間周期內(nèi)接收到該路電表的心跳信息，那么認(rèn)為該路電表無線信道處于連接狀態(tài)，否則處于斷開狀態(tài)。

4.2 電能參數(shù)/指標(biāo)采集

前置服務(wù)器完成電能參數(shù)/指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，主要實現(xiàn)井場電表采集的電能數(shù)據(jù)向公司電能數(shù)據(jù)庫的發(fā)送和存儲。

電能參數(shù)/指標(biāo)數(shù)據(jù)需要持久存儲。

電能參數(shù)/指標(biāo)數(shù)據(jù)采集采用前置服務(wù)器向井場電表的“索取”或“拉”的方式，即前置服務(wù)器需要不斷向井場電表發(fā)送“數(shù)據(jù)傳送指令”，井場電表接收到一個“數(shù)據(jù)傳送指令”后，發(fā)送一個符合一定標(biāo)準(zhǔn)的“電能報文數(shù)據(jù)包”，井場電表如果沒有接收到 “數(shù)據(jù)傳送指令”，則不發(fā)送“電能報文數(shù)據(jù)包”。

電能參數(shù)/指標(biāo)數(shù)據(jù)采集基本邏輯是：前置服務(wù)器對每一個電表采集信道進(jìn)行輪詢，首先檢查當(dāng)前信道的“連接狀態(tài)”，如果該信道處于“連接”狀態(tài)，則檢查該信道數(shù)據(jù)端口是否有到達(dá)的“電能報文數(shù)據(jù)包”，如果有，則把該“電能報文數(shù)據(jù)包”插入到該信道的數(shù)據(jù)隊列中，然后對數(shù)據(jù)隊列中的“電能報文數(shù)據(jù)包”進(jìn)行解析，最后插入到公司電能數(shù)據(jù)庫中。

電能參數(shù)/指標(biāo)數(shù)據(jù)采集功能分為三部分，如下圖所示。

（1）傳送指令發(fā)送

系統(tǒng)對各信道進(jìn)行輪詢，檢查“連接狀態(tài)”，如果當(dāng)前信道處于“連接”狀態(tài)，則向井場電表發(fā)送“數(shù)據(jù)傳送指令”。

（2）電能數(shù)據(jù)接收

系統(tǒng)對各信道數(shù)據(jù)端口進(jìn)行輪詢，如有“電能報文數(shù)據(jù)包”，則插入到對應(yīng)的先進(jìn)先出數(shù)據(jù)隊列中。

（3）向數(shù)據(jù)庫寫入

系統(tǒng)對各信道隊列進(jìn)行輪詢，如有“電能報文數(shù)據(jù)包”，則解析該數(shù)據(jù)包，然后按映射規(guī)則寫入公司電能數(shù)據(jù)庫中。

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

本系統(tǒng)支持無線覆蓋模式和離線存儲模式，并支持沒有無線信號覆蓋的野外鉆井工況。在線諧波分析電表支持高壓6kV、低壓600V等多種電壓等級（通過外置PT/CT支持）。本系統(tǒng)應(yīng)用后：

鉆井電力管理者能夠在總部（后線）實時查看鉆井現(xiàn)場電能質(zhì)量情況，能夠減少管理者現(xiàn)場檢測、維護(hù)頻次，從而降低成本，保證高效、安全鉆井；

通過實時監(jiān)測鉆井現(xiàn)場的電能質(zhì)量情況，發(fā)現(xiàn)用電異常（過流/過壓/欠流/欠壓/諧波過大/頻率不穩(wěn)等），及時進(jìn)行現(xiàn)場整改與控制，避免電力事故發(fā)生，保護(hù)電氣設(shè)備，實現(xiàn)事前預(yù)測與控制。

電力事故發(fā)生后，通過分析能夠有效查找問題，提出合理解決方案，提高電力故障檢測效率。

能夠在后線掌握每一口井的電力消耗（電度）情況，減少現(xiàn)場抄表工作量，降低成本。

能夠根據(jù)電能歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行分隊、分區(qū)塊等電力事件、事故、能耗等全面綜合統(tǒng)計分析，提升電能綜合管理水平。

本系統(tǒng)能夠作為獨立的裝置，在大慶鉆探國內(nèi)、國外鉆井電力驅(qū)動的鉆井隊，以及國內(nèi)外同類單位推廣應(yīng)用。

6 結(jié)語

實現(xiàn)了鉆井電力管理人員在后線實時集中監(jiān)控各鉆井隊在鉆井的用電能消耗及電能質(zhì)量，為電力管理人員進(jìn)行電力事件分析提供了有效的手段，提出了適應(yīng)鉆井井場電力管理的業(yè)務(wù)管理模式。

建議：進(jìn)一步開發(fā)軟件電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，提高軟件的綜合分析功能。