李璐，高煒欣，馮亞軍

（1.陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （西安石油大學(xué)），陜西 西安 710065；2.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710016）

油田電控一體化裝置是集成供配電、自動(dòng)控制、及通信三種功能于一體的油田站場(chǎng)數(shù)字化和無(wú)人值守的核心裝置［1］。對(duì)該裝置的研究吸引了眾多研究人員的關(guān)注，文獻(xiàn) ［2］中提到，將電控一體化裝置引入注入站解決了常規(guī)站場(chǎng)電纜溝積水的問(wèn)題，節(jié)約了占地面積。文獻(xiàn) ［3］提到電控一體化裝置撬體具有智能環(huán)境控制系統(tǒng)可以確保設(shè)備穩(wěn)定安全運(yùn)行。文獻(xiàn) ［4］中提到電控裝置的研發(fā)取消了站場(chǎng)傳統(tǒng)的配電室、控制值班室、宿舍等建筑，采用電控一體化裝置實(shí)現(xiàn)了站場(chǎng)無(wú)人值守的數(shù)字化管理。

總結(jié)已有的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，這些一體化裝置的研究與應(yīng)用雖然為生產(chǎn)帶來(lái)了一定的效果，但是目前來(lái)說(shuō)有些部分與油田生產(chǎn)實(shí)際情況難以吻合或者智能化程度不足。因此本文提出針對(duì)油田的特殊性和需求的智能管理系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)分為三方面：硬件設(shè)備管理；數(shù)據(jù)采集與分析；云端數(shù)據(jù)管理。更具體的內(nèi)容則分為以下幾個(gè)部分：1）智能監(jiān)控；2）數(shù)據(jù)采集與分析；3）電氣設(shè)備與線(xiàn)纜安全預(yù)測(cè)；4）數(shù)字化交付與全壽命周期管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

西北油田大多處于野外戈壁灘，地貌復(fù)雜、環(huán)境惡劣、作業(yè)困難。因此，油田供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也要適應(yīng)油田實(shí)際環(huán)境。本次只能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮到以下幾個(gè)方面的需求：1）油田環(huán)境惡劣，現(xiàn)場(chǎng)電纜老化嚴(yán)重，如果不及時(shí)維修與更換將會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)帶來(lái)很大的影響。2）由于油氣田生產(chǎn)的特殊性，某些操作崗位會(huì)給工作人員帶來(lái)一定的危險(xiǎn)性，因此這些崗位需要實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或者智能管理。3）油氣田站場(chǎng)易發(fā)生火災(zāi)爆炸等危險(xiǎn)事故，因此，需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警。4）油田生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多復(fù)雜的數(shù)據(jù)，人工分析會(huì)十分的消耗時(shí)間以及存在很大的誤差與錯(cuò)誤，因此需要實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)分析。

2 硬件設(shè)備管理

電控一體化裝置中主要有高壓柜、低壓柜、變頻器、UPS等電氣設(shè)備，通信機(jī)柜以及DCS、PLC等一些儀表裝置。這些設(shè)備及裝置均按照設(shè)計(jì)圖紙安裝在相應(yīng)位置，各個(gè)設(shè)備中均裝有可接入的端子接口，以便進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

3 智能監(jiān)控

西北油田站場(chǎng)會(huì)存在火災(zāi)、誤操作等問(wèn)題，常規(guī)一體化裝置不能很好的預(yù)防與解決這些問(wèn)題。因此，本次智能系統(tǒng)選擇在設(shè)備安裝處設(shè)有實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)z像頭，攝像頭具有紅外夜視、智能識(shí)別等功能以及200像素高清拍攝。

攝像頭圖像數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有人臉識(shí)別以及行為分析的功能。當(dāng)識(shí)別到非系統(tǒng)錄入人員面部特征時(shí)，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警提示信號(hào)，當(dāng)時(shí)別到系統(tǒng)已錄入人員面部特征時(shí)則不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警提示信號(hào)。若有工作人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)對(duì)操作時(shí)的動(dòng)作進(jìn)行分析，如果操作動(dòng)作有危險(xiǎn)那么系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，如果操作正常則正常運(yùn)行。視頻畫(huà)面中出現(xiàn)煙霧，火光等情況，監(jiān)控系統(tǒng)也可以做出及時(shí)的預(yù)警。

4 數(shù)據(jù)采集與分析

4.1 工藝過(guò)程及電氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與分析

油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大都已經(jīng)具有SCADA系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，油田工藝過(guò)程及電氣生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與分析采用DCS進(jìn)行，傳統(tǒng)的DCS一般分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：生產(chǎn)管理級(jí)，監(jiān)控級(jí)和過(guò)程控制級(jí)［5］。其中控制級(jí)是DCS系統(tǒng)最底層的部分，對(duì)現(xiàn)場(chǎng) 電機(jī)電流、電壓；各類(lèi)控制箱門(mén)狀態(tài)；回壓、油壓、套壓、井口溫度等的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控級(jí)以及生產(chǎn)管理級(jí)?？刂浦鳈C(jī)的系統(tǒng)軟件對(duì)實(shí)時(shí)傳輸來(lái)的信息進(jìn)行處理分析，形成表格流程圖等存入數(shù)據(jù)庫(kù)或者打印出來(lái)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以實(shí)際油田生產(chǎn)作業(yè)為對(duì)象，通過(guò)各類(lèi)傳感器和智能儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及網(wǎng)絡(luò)通訊完成數(shù)據(jù)傳輸，形成了可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)維監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理分析和診斷以及反饋控制的數(shù)據(jù)采集分析自控系統(tǒng)。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)中的各個(gè)子級(jí)之間有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，同時(shí)監(jiān)控操作站又通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的方式將數(shù)據(jù)上傳至4G智能網(wǎng)關(guān)，所有數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果可以傳輸至云平臺(tái)，公司管理人員可以通過(guò)云平臺(tái)數(shù)據(jù)空間進(jìn)行信息查看以及進(jìn)行監(jiān)管操作。

5 電氣設(shè)備與線(xiàn)纜安全預(yù)測(cè)

由于油田實(shí)際生產(chǎn)的特殊性，站場(chǎng)易產(chǎn)生溫度過(guò)高、火災(zāi)，氣體泄漏等狀況，油田地處環(huán)境惡劣，電纜易老化和絕緣降低因此本次智能管理系統(tǒng)采用動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)及局方檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)解決這些問(wèn)題。

1）油田站場(chǎng)動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)

動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的通風(fēng)、溫度、濕度、空調(diào)、風(fēng)機(jī)設(shè)備等的監(jiān)控和邏輯控制。動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力環(huán)境和安防的全面、實(shí)時(shí)監(jiān)控［6］，邏輯控制可以使環(huán)境處于一個(gè)適宜的狀態(tài)，比如：溫度過(guò)高，空調(diào)冷風(fēng)啟動(dòng)降低溫度，通風(fēng)不足，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)等。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以對(duì)系統(tǒng)不可控制的緊急事件進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)和預(yù)警，此時(shí)后臺(tái)管理人員發(fā)現(xiàn)預(yù)警，即可派出相應(yīng)工作人員去現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題。

2）油田電力線(xiàn)纜局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

局部放電簡(jiǎn)稱(chēng)局放，是電纜絕緣缺陷的表現(xiàn)特征［7］。局部放電是電纜絕緣降低和老化的重要表現(xiàn)，而電纜的絕緣狀態(tài)和配電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行密切相關(guān)。因此，局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用是十分有必要的。

圖2是油田電力線(xiàn)纜局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖，當(dāng)電纜發(fā)生局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖電流，通過(guò)電流傳感器將信號(hào)傳至局放信號(hào)采集器中，信號(hào)采集器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后將數(shù)據(jù)信息傳至監(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)內(nèi)部有專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)分析軟件，這些軟件會(huì)對(duì)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，得出分析結(jié)果。監(jiān)測(cè)主機(jī)分析出的結(jié)果數(shù)據(jù)回傳至后臺(tái)監(jiān)控中心，工作人員會(huì)在第一時(shí)間判斷電纜絕緣是否出現(xiàn)老化、破壞等問(wèn)題。

圖2 油田電力線(xiàn)纜局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

6 數(shù)字化交付與全壽命周期管理

油田電控一體化裝置智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，采用數(shù)字化交付以及全壽命中期管理［8］。數(shù)字化交付在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》GB／T 51296-2018中給出了定義，數(shù)字化交付的主要作用是通過(guò)信息技術(shù)將實(shí)際的工程建設(shè)數(shù)據(jù)信息與運(yùn)行管理結(jié)合起來(lái)，可以形成信息的發(fā)送、接收、使用的過(guò)程，促進(jìn)企業(yè)業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)流的結(jié)合。

全壽命周期管理是指在某一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，從其起始階段就開(kāi)始全面考慮這一產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期的影響以及使用因素，進(jìn)而進(jìn)行有效的針對(duì)性完善，使這些影響因素可以在設(shè)計(jì)階段就充分地被綜合優(yōu)化［9］。將全生命周期管理引入到本次智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以使其選擇的技術(shù)方案更加可靠和適用。

油田電控一體化裝置智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中同樣引入了數(shù)字化交付以及全生命周期管理。通過(guò)數(shù)據(jù)的分級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)管理分級(jí)，根據(jù)不同級(jí)的需要提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。可以分為：運(yùn)行管理、施工建設(shè)、日常維護(hù)、廠(chǎng)家售后和材料采購(gòu)。系統(tǒng)管理根據(jù)數(shù)據(jù)分級(jí)之后具體內(nèi)容如表1。

表1 系統(tǒng)管理分級(jí)數(shù)據(jù)表

7 展望

本次設(shè)計(jì)的油田電控一體化裝置智能監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和智能分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、云端數(shù)據(jù)管理，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能自我管理和控制。如今4G通信技術(shù)發(fā)展成熟，同時(shí)本系統(tǒng)已經(jīng)搭建了云監(jiān)測(cè)平臺(tái)，因此在將來(lái)可以開(kāi)發(fā)出一種智能移動(dòng)設(shè)備APP，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的隨時(shí)查看，對(duì)緊急事件的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。這種APP的開(kāi)發(fā)使得管理人員可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行管理操作，讓整個(gè)系統(tǒng)更加智能化，也更加便捷。