電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)在海洋石油平臺的設(shè)計及應(yīng)用

劉云飛

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459)

引言

近年來，為了促進海上油氣田數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型，油氣田作業(yè)區(qū)陸續(xù)部署了各類電氣設(shè)備的監(jiān)測系統(tǒng)。然而，各系統(tǒng)監(jiān)測對象單一、功能單一；未充分挖掘海量數(shù)據(jù)的潛在價值，不能對電氣設(shè)備的運行狀態(tài)進行預(yù)判和提供有效的管理意見；各系統(tǒng)相互獨立，信息不完全共享，操作管理不便；不適應(yīng)海上平臺的無人化、智能化、信息共享化發(fā)展趨勢。針對以上問題，設(shè)計并研發(fā)了一款適用于海上油氣平臺的電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)。

1 電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)簡述

電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)具備針對多類關(guān)鍵電氣設(shè)備監(jiān)測預(yù)警、故障診斷、綜合狀態(tài)評估、檢修策略智能推薦等高級應(yīng)用功能，可實現(xiàn)電氣設(shè)備全景狀態(tài)實時感知及綜合分析評估。 本系統(tǒng)可解決電氣設(shè)備傳統(tǒng)檢修模式單一、低效的弊端，實現(xiàn)了多類電氣設(shè)備的統(tǒng)一健康管理。本系統(tǒng)采用“橫向覆蓋，縱向分析，動靜結(jié)合”的設(shè)計思路：橫向覆蓋指以一套系統(tǒng)完成對多種類大數(shù)量電氣設(shè)備的集中監(jiān)測管理；縱向分析指對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行由淺及深、由表及里、從數(shù)據(jù)信息的平鋪直敘到深度剖析的過程；動靜結(jié)合指系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)的耦合分析，將數(shù)據(jù)的價值最大化。動態(tài)數(shù)據(jù)指設(shè)備實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)為日常運維數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)。電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)充分整合現(xiàn)有的在線監(jiān)測信息、設(shè)備參數(shù)信息、巡檢數(shù)據(jù)等為信息資料，建設(shè)統(tǒng)一的、智能化的監(jiān)測診斷中心，以全面掌握各類電氣設(shè)備的狀態(tài)信息。本系統(tǒng)總體界面如圖1所示。

圖1 電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)界面圖

2 電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)功能

電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)能夠以海纜、開關(guān)柜、變壓器、UPS等電氣設(shè)備運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),整合電氣設(shè)備參數(shù)信息、巡檢數(shù)據(jù)等信息資料,實現(xiàn)對電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)整合傳輸、集中顯示、監(jiān)測預(yù)警、故障診斷的一體化監(jiān)管,全面掌握關(guān)鍵電氣設(shè)備的狀態(tài)信息。如圖2所示,現(xiàn)場層級主要通過邊緣計算的方式實現(xiàn)對各類設(shè)備多源異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理分析,并且可以通過標準化通信規(guī)約實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的無縫接入與靈活擴展;監(jiān)視層級的應(yīng)用對象為運檢和現(xiàn)場電氣工作人員,具備電氣設(shè)備的在線工況監(jiān)測、運行狀態(tài)評估、故障診斷分析及維修決策支持功能,是實現(xiàn)電氣設(shè)備智能運維的關(guān)鍵;管理層級匯集全部電氣設(shè)備的狀態(tài)信息,便于從公司層面實現(xiàn)電氣設(shè)備的全局總覽、集中管控與統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

圖2 電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)層級示意圖

2.1 數(shù)據(jù)獲取功能

針對多種數(shù)據(jù)源接入現(xiàn)狀，電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)可提供標準化的數(shù)據(jù)接口，對海洋石油平臺上智能電氣設(shè)備的動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)進行有用性篩選和預(yù)處理，使其能夠滿足故障診斷、狀態(tài)評估等高級應(yīng)用的需求。

2.2 監(jiān)測報警

系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的閾值告警，還利用了深度循環(huán)卷積網(wǎng)絡(luò)等算法進行設(shè)備狀態(tài)趨勢預(yù)測，能夠?qū)崿F(xiàn)基于狀態(tài)趨勢追蹤的監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢預(yù)警，通過閾值告警、趨勢預(yù)測兩者結(jié)合的方式，構(gòu)成綜合預(yù)警策略，從而提高了報警的準備性和可靠性。對于超出閾值范圍的劣化指標，應(yīng)能根據(jù)不同的類別和等級及時向各級設(shè)備管理人員發(fā)布預(yù)警信息，實時監(jiān)測結(jié)果及其發(fā)展趨勢、經(jīng)歷的不良工況以及家族缺陷等信息，對狀態(tài)進行量化分級，及時預(yù)測設(shè)備可能存在的故障風(fēng)險，發(fā)出預(yù)警，避免突發(fā)性事故的發(fā)生。[1]

2.3 故障診斷

系統(tǒng)集成各類電氣設(shè)備的在線監(jiān)測、巡檢試驗、帶電檢測、運行工況以及環(huán)境氣候等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，通過三比值法、熱路分析、有限元模擬等研究方法分別建立起對應(yīng)設(shè)備的故障診斷模型，基于邊緣物聯(lián)代理和人工智能算法，判斷設(shè)備是否存在異常、故障情況及對應(yīng)等級，并通過深度決策樹模型及算法實現(xiàn)了故障原因的反向致因分析。算法可以結(jié)合電氣設(shè)備狀態(tài)量的橫向數(shù)據(jù)和縱向數(shù)據(jù)，得出具體的故障模式，以利于合理安排試驗計劃，提高檢修效率。本系統(tǒng)具有較強的推理和容錯能力，利用強大的算法，在采集的數(shù)據(jù)不全的情況下，仍然可以進行有效計算。故障診斷系統(tǒng)能實時掌握電氣設(shè)備的運行狀況、電氣參數(shù)的特性,減少突發(fā)性故障的發(fā)生,提高設(shè)備的安全可靠性和運行效益,降低設(shè)備強迫停運率、維修成本和壽命周期費用,延長設(shè)備的使用壽命。[2]

2.4 綜合狀態(tài)評估

電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)基于《油浸式變壓器狀態(tài)評價導(dǎo)則》Q/GDW 10169-2016、《電纜線路狀態(tài)評價導(dǎo)則》QGDW455 -2010等多個電氣設(shè)備狀態(tài)評價導(dǎo)則，建立了各類設(shè)備對應(yīng)的多級評估指標體系，通過熵權(quán)法與層析分析法確定指標權(quán)重，最終融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)并基于云模型實現(xiàn)了電氣設(shè)備的綜合狀態(tài)評估。狀態(tài)評估功能可以通過以下形式啟動：

a) 定時分析：在設(shè)定的時間內(nèi)執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)評價；

b) 觸發(fā)分析：在設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，立即觸發(fā)對設(shè)備進行狀態(tài)評價，如對設(shè)備進行了新的檢修試驗后，立即觸發(fā)評價設(shè)備；

c) 人工分析：①用戶指定一個或一批（站）設(shè)備進行狀態(tài)評價分析，評價過程可跟蹤檢查；②根據(jù)用戶需要評價的設(shè)備類型，由用戶提供相關(guān)設(shè)備信息后進行評價，評價過程可跟蹤檢查。

2.5風(fēng)險評估功能

電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)能通過識別電氣設(shè)備潛在的內(nèi)部缺陷和外部威脅，分析設(shè)備遭到失效威脅后的資產(chǎn)損失程度和威脅發(fā)生概率，通過風(fēng)險評估模型得出設(shè)備的風(fēng)險等級。[3]

2.6 檢修決策智能推薦

本系統(tǒng)依據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)評估結(jié)果以及由在線監(jiān)測情況得到的預(yù)測分析，結(jié)合檢修技術(shù)、檢修資源與設(shè)備運行等條件，綜合考慮設(shè)備維修次序、維修時間和維修等級，基于模糊關(guān)聯(lián)分析算法提供電氣設(shè)備的檢修決策建議，并利用?；鶊D等可視化手段展示檢修決策的推導(dǎo)過程，實現(xiàn)了對包括檢修項目、檢修時間等在內(nèi)的綜合檢修策略進行智能優(yōu)化和推薦，[4]最終將建議結(jié)果遞交設(shè)備管理人員或傳送到相關(guān)的外部生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)進行實施安排。

2.7 管理信息可視化

a)圖形顯示

系統(tǒng)提供強大矢量圖形系統(tǒng),能夠滿足用戶復(fù)雜的圖形顯示功能,并提供滿足關(guān)鍵變配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究與示范操作要求的各種交互手段。提供設(shè)備查詢、統(tǒng)計結(jié)果的圖形定位功能:可通過設(shè)備管理結(jié)果的報表顯示方式下,從顯示結(jié)果直接到圖形系統(tǒng)定位;可通過圖形上選擇設(shè)備,查詢設(shè)備屬性;可實現(xiàn)圖形上選擇設(shè)備,統(tǒng)計關(guān)聯(lián)設(shè)備。

b)報表顯示

報表制作和顯示可提供圖形和報表的混排功能。查詢結(jié)果可支持圖片格式,如查詢結(jié)果中可以顯示局放或溫度圖譜的照片。系統(tǒng)報表和圖形顯示緊密結(jié)合,提供各種圖數(shù)互查方式,方便查詢統(tǒng)計操作。

c)報警顯示

報警顯示功能可分為兩部分,電力設(shè)備運行狀態(tài)實時報警和歷史查詢,所有報警均記錄并存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)提供分級分類顯示的顯示功能,并且設(shè)置方式可由用戶自定義。

d)統(tǒng)計分析

提供統(tǒng)一的統(tǒng)計分析功能,統(tǒng)計分析的定義、配置工具和實用例程,對存儲在實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行各種應(yīng)用統(tǒng)計分析。

e)狀態(tài)診斷報告

能獨立生成并發(fā)布狀態(tài)診斷報告,供相關(guān)職能部門使用。

f)WEB客戶端

用戶能在經(jīng)授權(quán)的WEB客戶端,通過IE等網(wǎng)絡(luò)瀏覽工具,像監(jiān)測診斷系統(tǒng)工作站的用戶一樣,瀏覽系統(tǒng)的相關(guān)畫面和信息。

3 電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)技術(shù)特點與優(yōu)勢

3.1 技術(shù)特點

電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)的主要技術(shù)特點為：

1）基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)對電氣設(shè)備的診斷預(yù)警、狀態(tài)評價、風(fēng)險評估和維修決策推薦。

2）綜合考慮外部環(huán)境等因素對設(shè)備狀態(tài)的影響，實現(xiàn)了海上電氣設(shè)備全景狀態(tài)的實時感知及綜合評估分析。

3）基于多維數(shù)據(jù)的深度數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)對電氣設(shè)備綜合狀態(tài)及其關(guān)鍵參數(shù)趨勢預(yù)測，并通過標桿設(shè)備選型等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)核心參數(shù)的故障致因分析，其診斷評估結(jié)果更為科學(xué)精準。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢

電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)采用了基于“云邊統(tǒng)籌+微服務(wù)”的技術(shù)架構(gòu)，支持安全、高效的 PaaS云平臺部署，優(yōu)化了數(shù)據(jù)獲取、傳輸、存儲和計算等全過程。能夠?qū)崿F(xiàn)多種類、大數(shù)量電氣設(shè)備的一體化監(jiān)測管理，可促成集約型、精細化的管理模式。綜合利用各類動態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)，有助于打破數(shù)據(jù)壁壘，形成電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)生態(tài)鏈，從而實現(xiàn)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的最大價值發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)語

電氣設(shè)備監(jiān)測管理系統(tǒng)基于“大數(shù)據(jù)+人工智能”的計算模式，實現(xiàn)了電氣設(shè)備狀態(tài)自適應(yīng)評估、故障原因智能分析、運維策略自動生成，能夠加強信息共享、有效提升海上油氣平臺的供電可靠性，預(yù)防電氣事故的發(fā)生，促進平臺的無人化、智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。