唐怡 杜銀昌 王海云 吳昊 蔣志鵬

摘 要：海上無人井口平臺(tái)在設(shè)備發(fā)生報(bào)警或故障時(shí)，如何檢查及排除故障，是無人平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。為此，提出了一種智能化無人平臺(tái)電氣系統(tǒng)與故障診斷方案，可提高海上油氣田電力操作的速動(dòng)性、靈敏性、可靠性，減輕或避免設(shè)備損壞以及對(duì)其他設(shè)備供電的影響，避免電氣設(shè)備故障造成的停產(chǎn)損失，減少電氣操作人員登陸平臺(tái)的次數(shù)，對(duì)于保證油氣田穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：智能化;無人平臺(tái);電氣系統(tǒng);故障診斷

1 無人平臺(tái)電氣系統(tǒng)與常規(guī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)的差異性分析

根據(jù)海上無人駐守井口平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)定，對(duì)海上無人平臺(tái)電氣系統(tǒng)有明確要求，下面將對(duì)無人平臺(tái)電氣系統(tǒng)與常規(guī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)的差別進(jìn)行描述。（1）設(shè)置能量管理系統(tǒng)（EMS）子站或電氣監(jiān)控柜，與遠(yuǎn)程控制中心通信。此項(xiàng)要求與常規(guī)井口平臺(tái)基本一致，可設(shè)置EMS子站，狀態(tài)或指令通過海纜光纖傳至有人駐守平臺(tái)EMS總站進(jìn)行監(jiān)控。（2）中高壓開關(guān)柜斷路器、低壓開關(guān)柜空氣斷路器應(yīng)配置電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。在有人駐守平臺(tái)時(shí)，電氣操作人員可在中控室進(jìn)行ESD關(guān)斷，在開關(guān)間進(jìn)行開關(guān)的復(fù)位、合閘、分閘等操作。由于平時(shí)無人駐守，無人平臺(tái)的盤柜應(yīng)配置電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，此項(xiàng)要求為無人平臺(tái)特有。（3）繼電保護(hù)設(shè)備、故障錄波啟動(dòng)等信號(hào)具備遠(yuǎn)程遙控復(fù)位功能。此項(xiàng)要求為無人平臺(tái)特有，復(fù)位可通過遠(yuǎn)程遙控完成。（4）繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置應(yīng)具備記錄遠(yuǎn)程操作功能。遠(yuǎn)程操作應(yīng)至少通過兩個(gè)指示同時(shí)發(fā)生對(duì)應(yīng)變化來確定設(shè)備已操作到位，即滿足“雙確認(rèn)”要求。此項(xiàng)要求為無人平臺(tái)特有。（5）交流不間斷電源（UPS）宜配置在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)蓄電池內(nèi)阻和電壓狀態(tài)等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。常規(guī)平臺(tái)一般無此配置，此項(xiàng)不是強(qiáng)制性要求，可根據(jù)業(yè)主是否有此需求確定。

2 無人平臺(tái)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在分析了無人平臺(tái)與常規(guī)平臺(tái)電氣系統(tǒng)的區(qū)別后，需要著重關(guān)注電氣設(shè)計(jì)原則，根據(jù)海上井口平臺(tái)無人化頂層設(shè)計(jì)報(bào)告，電氣設(shè)計(jì)原則主要?dú)w納為以下幾點(diǎn)：（1）無人井口平臺(tái)電氣系統(tǒng)應(yīng)具備向油田中心平臺(tái)（或FPSO）控制中心及電站管理系統(tǒng)（EMS）上傳電氣設(shè)備及運(yùn)行情況的狀態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)和必要的視頻信息的功能，同時(shí)可接受遠(yuǎn)程控制中心的遙控、遙調(diào)。電氣人員或授權(quán)控制人員負(fù)責(zé)完成運(yùn)行、監(jiān)視和控制工作。（2）無人井口平臺(tái)電氣技術(shù)和設(shè)備選擇應(yīng)遵循“安全、可靠、高效、環(huán)?！痹瓌t，優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成熟、自動(dòng)化程度高、維護(hù)少的高可靠性產(chǎn)品。（3）無人井口平臺(tái)電氣設(shè)備應(yīng)設(shè)置有人/無人切換模式，避免在有人檢修和維護(hù)時(shí)外部誤操作造成的人員傷害，確保有人操作和檢修時(shí)的安全。（4）繼電保護(hù)配置宜滿足雙重化配置的要求，應(yīng)具備信息遠(yuǎn)傳、遠(yuǎn)動(dòng)功能。遠(yuǎn)動(dòng)操作宜滿足“雙確認(rèn)”要求。（5）無人井口平臺(tái)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)采用功能完善的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，滿足遠(yuǎn)方監(jiān)視、控制的運(yùn)行要求。（6）UPS電源作為無人平臺(tái)遠(yuǎn)程操作的基礎(chǔ)條件，應(yīng)適當(dāng)提高配置質(zhì)量，滿足高可靠性要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)視和控制目的。

3 電氣系統(tǒng)故障診斷方案

3.1 ? ?系統(tǒng)組成

電氣故障診斷系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和評(píng)估分析診斷系統(tǒng)。

3.1.1 ? ?數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、二次回路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3個(gè)主要部分。（1）溫度監(jiān)測(cè)主要利用傳感器來進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，將傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)相應(yīng)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)電氣參數(shù)數(shù)據(jù)的采集。溫度監(jiān)測(cè)借助了無線射頻技術(shù)，利用射頻傳送采集到的溫度值，多采用自供電技術(shù)，直接測(cè)量開關(guān)柜與斷路器之間動(dòng)靜觸頭的連接溫度。傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧，采用內(nèi)嵌式安裝。智能組件與觸臂為一體化設(shè)計(jì)，不影響溫升，不破壞絕緣，最高工作溫度可達(dá)125 ℃，同時(shí)測(cè)量精準(zhǔn)度更高，檢修維護(hù)十分方便。（2）機(jī)械特性監(jiān)測(cè)是通過內(nèi)置多個(gè)智能傳感器，獲取斷路器狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)模型對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的監(jiān)測(cè)及診斷。機(jī)械特性傳感器集成于斷路器內(nèi)部，可實(shí)時(shí)獲取斷路器機(jī)械狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行特性測(cè)試，覆蓋周期性年檢測(cè)試的機(jī)械參數(shù)，包括斷路器的合分閘時(shí)間、合分閘速度、斷路器運(yùn)動(dòng)行程、觸頭開距等。（3）二次回路的電壓、電流、功率不穩(wěn)定，容易造成斷路器拒動(dòng)和操作不穩(wěn)定。因此，二次回路監(jiān)測(cè)也十分重要。搭載霍爾傳感器，其是一種非介入式電壓電流測(cè)量傳感器，不影響原有的開關(guān)柜回路設(shè)計(jì)，且可全面監(jiān)測(cè)開關(guān)柜的各個(gè)線圈和儲(chǔ)能馬達(dá)。

傳感器可以監(jiān)測(cè)及診斷儲(chǔ)能電機(jī)的儲(chǔ)能時(shí)間、儲(chǔ)能電機(jī)的儲(chǔ)能電流（平均值）、合閘線圈的動(dòng)作電流（平均值）、分閘線圈的動(dòng)作電流（平均值）。

3.1.2 ? ?評(píng)估分析診斷系統(tǒng)

廠家專業(yè)、全范圍的溫升模型，可以實(shí)現(xiàn)基于實(shí)際負(fù)載變化的實(shí)時(shí)診斷，預(yù)判設(shè)備的健康狀態(tài)，針對(duì)性地解決潛在故障，降低停電概率。另外，可支持狀態(tài)檢修，并預(yù)估設(shè)備的損耗以建立無人平臺(tái)的全生命周期管理體系。其主要特點(diǎn)：提前獲悉設(shè)備溫升風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備狀態(tài)的檢修，用計(jì)劃性檢修替代緊急維修，減小非計(jì)劃停電比例。

在線的實(shí)時(shí)設(shè)備工作機(jī)械特性檢測(cè)主要特點(diǎn)：實(shí)時(shí)獲悉設(shè)備機(jī)械特性曲線，達(dá)到機(jī)械特性風(fēng)險(xiǎn)分析與預(yù)警的目的;實(shí)現(xiàn)預(yù)防性檢修，減少非計(jì)劃維修電流增加等一系列問題，以免影響發(fā)電機(jī)的安全和整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 ? ?電氣故障診斷系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

電氣人員通過溫度監(jiān)測(cè)和機(jī)械特性監(jiān)測(cè)的雙重分析評(píng)估，可以更加直觀地了解電氣設(shè)備的健康指標(biāo)，可實(shí)時(shí)追溯查詢各項(xiàng)指標(biāo)記錄，還可以制定可執(zhí)行的運(yùn)行維護(hù)策略，從而實(shí)現(xiàn)無人平臺(tái)的電氣系統(tǒng)故障診斷，避免不必要的停產(chǎn)損失，大大提高生產(chǎn)效率。

4 軌道式巡檢機(jī)器人應(yīng)用方案

無人平臺(tái)無人駐守，巡檢人員登陸一次耗時(shí)耗力，建議在投入電氣系統(tǒng)故障診斷方案后，為進(jìn)一步保障無人平臺(tái)的安全運(yùn)行，可選用軌道式巡檢機(jī)器人進(jìn)行無人平臺(tái)的24 h不間斷巡檢。墾利3-2平臺(tái)已將智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用到平臺(tái)電氣巡檢中，下面具體介紹智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用方案。

4.1 ? ?智能巡檢新模式

在人工智能發(fā)展的時(shí)代，智能機(jī)器人逐漸走進(jìn)人類生活。用“智能機(jī)器人”代替“人工巡檢”已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，隨著智能機(jī)器人的引入，人力成本得以節(jié)省，人工風(fēng)險(xiǎn)得以降低，工作質(zhì)量和效率得以提升。將智能機(jī)器人投入無人平臺(tái)，可以將人工智能代替人工的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得恰到好處。

4.2 ? ?智能機(jī)器人介紹

智能機(jī)器人機(jī)身可按需求掛載不同探測(cè)器，如有害氣體傳感器、局放檢測(cè)儀、SF6傳感器、紅外熱成像儀等，運(yùn)行軌道按現(xiàn)場(chǎng)需求任意敷設(shè)，通過軌道運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)在MCC間、變頻器間、變壓器間等重要電氣場(chǎng)所的大范圍、不間斷巡檢，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣故障。

由于開關(guān)柜內(nèi)是密閉空間，智能巡檢機(jī)器人掛載的常規(guī)紅外熱成像儀，有些部位不能直接抵達(dá)，可通過在開關(guān)柜內(nèi)安裝微型熱成像儀的方式，將開關(guān)柜重點(diǎn)部位的熱成像信號(hào)傳輸出來，集合到巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜的全面測(cè)溫。

無人平臺(tái)在設(shè)置智能巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，搭建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)無人平臺(tái)電氣參數(shù)的及時(shí)外傳，便于電氣人員及時(shí)掌握平臺(tái)各個(gè)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況，有效提高工作效率。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造如圖1所示。

4.3 ? ?巡檢機(jī)器人方案特點(diǎn)

無人平臺(tái)設(shè)置智能巡檢機(jī)器人后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)、局放監(jiān)測(cè)、智能抄表、智能巡檢以及對(duì)無人平臺(tái)的遠(yuǎn)程管理。其主要特點(diǎn)如下：（1）機(jī)器人配置有局放監(jiān)測(cè)儀、煙霧探測(cè)器、溫濕度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況，有效聯(lián)動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。（2）SF6紅外氣體檢測(cè)儀，可對(duì)室內(nèi)SF6氣體泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。（3）可移動(dòng)定點(diǎn)局放監(jiān)測(cè)。（4）可升降云臺(tái)，攜帶監(jiān)視設(shè)備，可對(duì)環(huán)境與機(jī)柜設(shè)備進(jìn)行無死角監(jiān)控，智能診斷分析環(huán)境和設(shè)備異常情況。（5）紅外熱成像精確測(cè)溫技術(shù)，監(jiān)測(cè)診斷機(jī)柜和柜內(nèi)設(shè)備溫度，對(duì)異常溫度進(jìn)行報(bào)警和有效分析報(bào)告。（6）工作人員可通過機(jī)器人，遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài);收到異常報(bào)警后，第一時(shí)間派遣機(jī)器人前往指定設(shè)備進(jìn)行核實(shí)。（7）減少人員誤操作概率，大大提高操作的安全、可靠性。

平臺(tái)首次應(yīng)用智能巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)聲音與圖像的遠(yuǎn)程共享，構(gòu)建無人平臺(tái)透明化電網(wǎng)，給予電氣工程師遠(yuǎn)程支持，此項(xiàng)設(shè)計(jì)可擴(kuò)展為無人平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

智能化無人平臺(tái)電氣系統(tǒng)將電氣系統(tǒng)故障診斷方案與智能巡檢機(jī)器人相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)海上無人井口平臺(tái)的遙信、遙控、遙調(diào)，完成智能自動(dòng)巡檢任務(wù)，可減少電氣人員登陸平臺(tái)次數(shù)，為平臺(tái)運(yùn)行提供良好的保障。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 魏春先.海上石油平臺(tái)無人化、智能化設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2020（9）：98-99.

收稿日期：2020-12-08

作者簡(jiǎn)介：唐怡（1988—），女，天津人，工程師，從事海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。