油氣生產(chǎn)站場(chǎng)電氣遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張書華，郭大光，何林海，王 廷，胡 鷹

（1.中油（新疆）石油工程有限公司 設(shè)計(jì)分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000）

1 電氣遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)構(gòu)成概述

本文中所介紹到的新型實(shí)用性電氣遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)方案主要是服務(wù)于油氣電氣遠(yuǎn)程運(yùn)行管理系統(tǒng)，其服務(wù)器、客戶端、操作和維護(hù)站、網(wǎng)關(guān)、安檢以及報(bào)警等裝置都具有非常強(qiáng)的實(shí)用性。

其中，客戶端通過(guò)隨附的軟件連接PC，手機(jī)和平板的相關(guān)應(yīng)用客戶端通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到公網(wǎng)與服務(wù)器進(jìn)行通信。運(yùn)維終端采用嵌入式工控機(jī)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接到公網(wǎng)，運(yùn)維終端的通信模塊包括RS485和ZigBee。報(bào)警設(shè)備采用蜂鳴器聲音，能夠通過(guò)電纜或網(wǎng)關(guān)來(lái)對(duì)站場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)。

運(yùn)維終端采用ZigBee通信來(lái)定位各傳感器及終端運(yùn)維的位置，并上傳至服務(wù)器運(yùn)維站，通過(guò)數(shù)據(jù)檢索接口連接到站場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。服務(wù)器組件由應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成，應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器連接到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到公網(wǎng)。

2 油氣站中遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用

遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)可以對(duì)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)控的目的，并將核心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令進(jìn)行分析和決策，是一個(gè)可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并且完全標(biāo)準(zhǔn)化的操作管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)油氣站場(chǎng)供配電系統(tǒng)的信息進(jìn)行采集，從而實(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)、故障警告、降低開發(fā)成本的目的。

系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控集成一體，用于油田、基礎(chǔ)井等聯(lián)合站點(diǎn)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)生產(chǎn)和視頻監(jiān)控，且可以與采油通信工廠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接計(jì)算機(jī)，以此確定站場(chǎng)內(nèi)遠(yuǎn)程電阻的情況以及設(shè)備的運(yùn)行狀況，可以有效的提高站場(chǎng)內(nèi)的工作效率，確保工作環(huán)境的安全和自動(dòng)化。

本系統(tǒng)可以提高油氣生產(chǎn)泵的效率（實(shí)現(xiàn)單井實(shí)時(shí)優(yōu)化），并使用工作圖進(jìn)行輔助計(jì)量。進(jìn)而使油氣場(chǎng)站系統(tǒng)提高整體效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。還可以培養(yǎng)和儲(chǔ)備長(zhǎng)期發(fā)展能力，優(yōu)化組織模式，降低工程總量和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的成本。實(shí)現(xiàn)安全油場(chǎng)和燃料的良好發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)對(duì)象的可視化、生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化管理以及生產(chǎn)決策智能化[1]。

運(yùn)維終端將采集到的每個(gè)傳感器上的數(shù)據(jù)和服務(wù)器上視頻監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸至動(dòng)力配電系統(tǒng)上。服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)儲(chǔ)存這些數(shù)據(jù)，安裝在應(yīng)用服務(wù)器上的運(yùn)營(yíng)管理軟件也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？蛻舳嗽L問(wèn)服務(wù)端，提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)和控制功能[2]。油氣站動(dòng)力運(yùn)行管理系統(tǒng)可以自動(dòng)或由工作人員手動(dòng)操作通過(guò)客戶端發(fā)送報(bào)警控制命令，服務(wù)器端立刻向運(yùn)維終端和維護(hù)設(shè)備發(fā)送通知，運(yùn)維終端可以控制報(bào)警設(shè)備發(fā)出蜂鳴器報(bào)警。相關(guān)工作人員可通過(guò)PC、手機(jī)App或平板App等隨時(shí)判斷配電系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)，得到錯(cuò)誤提示、使用報(bào)告、操作信息及后續(xù)措施等，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能運(yùn)維。該系統(tǒng)可用于新舊配電系統(tǒng)的建設(shè)或更換，具有維修簡(jiǎn)單、投資少的特點(diǎn)[3]。

系統(tǒng)采用Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)，每個(gè)傳感器以及終端需要的能耗也比較低，在需求多且無(wú)法提供交流電源的場(chǎng)合，各傳感器還可以為電池供電，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的電壓保持。同時(shí)每個(gè)傳感器和運(yùn)維終端都可以直接通過(guò)Zigbee安裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位，方便實(shí)時(shí)連續(xù)性的監(jiān)控。

圖1為油氣站電力運(yùn)行管理系統(tǒng)示意圖。

圖1 油氣電力運(yùn)行管理系統(tǒng)圖示

油氣電力運(yùn)行管理系統(tǒng)的自動(dòng)切斷裝置設(shè)置在操作維修站和燃料供應(yīng)電源之間。如果有可燃?xì)怏w，自動(dòng)關(guān)閉裝置會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，且連接終端電源，防止跟蹤相應(yīng)數(shù)據(jù)[4]。如果周圍易燃易爆氣體超過(guò)閾值，自動(dòng)停機(jī)裝置就會(huì)切斷工作和維護(hù)終端的電源。

3 電氣運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)各個(gè)部分詳細(xì)介紹

該電氣站電氣運(yùn)行管理系統(tǒng)配置有服務(wù)器、客戶端、操作和維護(hù)站、網(wǎng)關(guān)、安檢、無(wú)人值守、值班交接、報(bào)警裝置等。

服務(wù)器可以采用兩種連接形式。一種是將應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器連接到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到公網(wǎng)；另一種是應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的集成連接，服務(wù)器可以安裝基于WINDOWS或LINUX平臺(tái)的架構(gòu)。

終端客戶端由帶有隨附軟件的PC終端組成。移動(dòng)終端可以是APP也可以是配套的平板APP，客戶端可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)對(duì)公網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)，并實(shí)時(shí)與服務(wù)器通信。

運(yùn)維終端是嵌入式工控機(jī)，同時(shí)具有RS485等數(shù)據(jù)檢索接口。運(yùn)維終端采用研華ECU-4553嵌入式工控機(jī)，使用Cortex A8處理器，且?guī)в歇?dú)立端口，有16個(gè)RS-232/485、4個(gè)以太網(wǎng)10/100端口，支持寬帶工作的溫度位-40～70 ℃。運(yùn)維終端隱藏在高壓開關(guān)柜內(nèi)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入公網(wǎng)通信服務(wù)器，并通過(guò)數(shù)據(jù)檢索接口從油氣站制造商的配電系統(tǒng)和設(shè)備中檢索相關(guān)信息。

傳感器集成由氣流傳感器、溫度傳感器、二氧化硫傳感器、濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器等設(shè)備組成，并配備了ZigBee通信模塊。每個(gè)傳感器通過(guò)支持ZigBee協(xié)議的網(wǎng)關(guān)與運(yùn)維終端或接口通信，并通過(guò)電纜獲取終端運(yùn)行維護(hù)的主要數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)ZigBee通信模塊直接與正在工作的維護(hù)站通信[5]，由于油氣生產(chǎn)站場(chǎng)的所處的區(qū)域不同，因此通信連接方式也不同。

視頻監(jiān)控設(shè)備主要使用的是視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)，并通過(guò)電纜或網(wǎng)關(guān)連接到終端進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)。而在通信設(shè)備中，聲音報(bào)警器采取的設(shè)備是蜂鳴器，并通過(guò)電纜或網(wǎng)關(guān)連接到運(yùn)維終端，視頻監(jiān)控設(shè)備和音頻報(bào)警設(shè)備設(shè)置在油氣生產(chǎn)站場(chǎng)不同的位置。

自動(dòng)停機(jī)裝置設(shè)置在運(yùn)維終端與油氣站供電電源之間。如果燃?xì)庑孤┢鸹?，關(guān)機(jī)裝置將自動(dòng)斷開工作電源，并維護(hù)終端以防止跟蹤相關(guān)數(shù)據(jù)。自動(dòng)切斷裝置可在易燃易爆氣體超過(guò)閾值時(shí)采用可燃?xì)怏w泄漏自動(dòng)切斷裝置，切斷終端運(yùn)行維護(hù)所需要的電源[6]。

4 電氣運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能

4.1 全景圖

站點(diǎn)全景圖，可以進(jìn)行方便快速、直觀的索引。操作人員點(diǎn)擊站點(diǎn)直接跳轉(zhuǎn)到站點(diǎn)板，之后可以通過(guò)顏色標(biāo)注站點(diǎn)的相關(guān)信息，如：站點(diǎn)狀態(tài)、設(shè)備總數(shù)、數(shù)量、電話、地址。

4.2 檢查區(qū)域

針對(duì)不同客戶的需求，系統(tǒng)更新了支持查看電力、能源、電費(fèi)、需求、事件警報(bào)、設(shè)備狀態(tài)、站點(diǎn)等信息的專用看板。其中，監(jiān)控畫面可以動(dòng)態(tài)監(jiān)控實(shí)時(shí)系統(tǒng)圖，通過(guò)瀏覽器和移動(dòng)應(yīng)用程序可以隨時(shí)查看動(dòng)態(tài)屏幕。設(shè)備監(jiān)控可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)、查看設(shè)備狀態(tài)（歷史曲線、數(shù)據(jù)報(bào)告、通信狀態(tài)）。視頻跟蹤則支持連接第三方設(shè)備的視頻監(jiān)控。歷史曲線和歷史報(bào)告為客戶提供多種報(bào)告趨勢(shì)曲線模板，支持瀏覽器端和APP同時(shí)查看，支持至少5 min的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[7]。月度賬戶則關(guān)注站場(chǎng)內(nèi)的安全用電、變壓器分析（電壓、負(fù)債率、溫度、功率因數(shù)三相不平衡度、諧波、優(yōu)化建議）、線路分析（負(fù)載曲線、溫度、因數(shù)因數(shù)、三相、不平衡度、諧波、優(yōu)化建議）、經(jīng)濟(jì)用電量（電費(fèi)分析、年度電費(fèi)分析、分時(shí)、需求曲線、日用電量分析、耗電量對(duì)比、優(yōu)化建議）、檢查運(yùn)維、分析設(shè)備狀況、分析告警（自定義報(bào)警策略和報(bào)警參數(shù)，支持同時(shí)向App和短信推送通知信息，報(bào)警成為運(yùn)維任務(wù)并且在設(shè)備的生命周期中自動(dòng)記錄操作和維護(hù)）、故障追憶（用于發(fā)生故障時(shí)的節(jié)點(diǎn)，記憶故障前5 min和故障后2 min的變化，有助于有效診斷事故原因）。

4.3 數(shù)據(jù)分析和能源管理

數(shù)據(jù)分析和能源管理都提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、排放和顯示電費(fèi)單等功能，通過(guò)數(shù)據(jù)采集和挖掘?qū)崿F(xiàn)靈活高效的運(yùn)作，不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)抄表功能又可以進(jìn)行靈活的數(shù)據(jù)分析，可根據(jù)需要配置分公司、分項(xiàng)、部門、分區(qū)，逐日逐月逐年分析不同能源的需求量和每季度能源需求量。電源管理可以按分項(xiàng)、分支、分部門查看不同功率變體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、當(dāng)前和昨天的能源需求趨勢(shì)以及當(dāng)前和上個(gè)月的能源需求趨勢(shì)。能源報(bào)告是系統(tǒng)自動(dòng)編譯能源消耗情況，并顯示每日和每月能源消耗的報(bào)告，每個(gè)季節(jié)和分支的能源消耗狀況都被清晰而直觀地展示出來(lái)。年度分析主要是對(duì)支路、分項(xiàng)、部門、區(qū)等不同的支路進(jìn)行年度能源分析[8]。電力成本分析是對(duì)用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以及對(duì)月度、年度的標(biāo)準(zhǔn)方差進(jìn)行分析。對(duì)總用電量和每條饋線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，列出符合國(guó)網(wǎng)計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的電費(fèi)清單，給用戶一個(gè)短期的電費(fèi)需求清單。

4.4 電能質(zhì)量

實(shí)時(shí)跟蹤可以實(shí)時(shí)對(duì)能源使用的相關(guān)信息進(jìn)行評(píng)分，能夠直觀地展示供電質(zhì)量，功率因數(shù)、三相不平衡度、電壓、電流額定負(fù)載、電流諧波畸變率并實(shí)時(shí)警報(bào)。單頻段監(jiān)測(cè)可以通過(guò)頻段檢查電能質(zhì)量的問(wèn)題，如諧波和三相不平衡，并提供實(shí)時(shí)警報(bào)。三相不平衡分析是指三相在線不平衡單回路的分析。

4.5 設(shè)備管理

設(shè)備分類帳主要管理設(shè)備的基本信息，例如設(shè)備的內(nèi)部標(biāo)識(shí)、名稱、類型和制造商。配置配電室、供電柜、電器、采集設(shè)備之間的關(guān)系。管理分類、使用分類、安裝地點(diǎn)、購(gòu)買時(shí)間、完成時(shí)間、維修時(shí)間等。設(shè)備故障及維修記錄管理能夠制作所有相關(guān)警報(bào)的綜合列表，可通過(guò)掃描設(shè)備二維碼隨時(shí)查詢故障信息和設(shè)備維護(hù)記錄。還可以對(duì)數(shù)字資產(chǎn)、電子數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行管理。對(duì)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)相關(guān)的設(shè)備信息進(jìn)行管理，設(shè)備檔案中的運(yùn)維信息可以查看設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)，建設(shè)設(shè)備完整生命周期，從維護(hù)到保養(yǎng)、從大修到更換，都有強(qiáng)大的設(shè)備管理追蹤。

4.6 檢查計(jì)劃

檢查計(jì)劃包括對(duì)不同工作的實(shí)施情況進(jìn)行檢查，例如檢查工作、維修工作、緊急搶修工作、安全檢查維護(hù)、停電維修工作等。審核計(jì)劃由系統(tǒng)制定，計(jì)劃審核完成后，具體的審核工作由巡檢人員手機(jī)進(jìn)行推送，工作人員需要進(jìn)行工作并登記相關(guān)內(nèi)容，該應(yīng)用程序可以適用于不同類型設(shè)備。審核員可以直接在應(yīng)用程序中記錄個(gè)人檢查結(jié)果，應(yīng)用程序?qū)⒆詣?dòng)檢查評(píng)價(jià)并為客戶提供總體評(píng)分，實(shí)現(xiàn)配電安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)化。

系統(tǒng)故障警報(bào)可以直接作為一項(xiàng)任務(wù)提交到客戶端中，工作人員接到客戶的維修電話或其他服務(wù)人員的報(bào)告維修，都可以通過(guò)PC端輸入相關(guān)平臺(tái)的維修信息，并根據(jù)許可證運(yùn)送配件以跟進(jìn)維修。運(yùn)維人員可以自主接單，所有操作和維護(hù)過(guò)程都通過(guò)應(yīng)用程序進(jìn)行記錄，可以在系統(tǒng)中查看，所有線下運(yùn)維操作均由運(yùn)維運(yùn)營(yíng)商支持，秉持移動(dòng)、共享運(yùn)維的理念[9,10]。

5 結(jié) 論

由于油氣采集站的配電系統(tǒng)是為支持油氣采集過(guò)程而布置的，而在油氣生產(chǎn)的過(guò)程中，配電系統(tǒng)的運(yùn)行信息受到站控系統(tǒng)和輸送管理系統(tǒng)的限制，因此值班員工并不完全了解站場(chǎng)內(nèi)部分配系統(tǒng)和設(shè)備的狀態(tài)。由于配電系統(tǒng)較小，受到重視的程度也不高，因此在有限的投資和低自動(dòng)化配置的情況下，維護(hù)人員就無(wú)法知道電力系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)以及站場(chǎng)內(nèi)的設(shè)備情況，如果配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，工作人員只有受托才會(huì)排除故障，進(jìn)行維修，他們的工作是處于被動(dòng)狀態(tài)的。

本文中的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)可以對(duì)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)控的目的，并將核心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令進(jìn)行分析和決策，是一個(gè)可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并且完全標(biāo)準(zhǔn)化的操作管理系統(tǒng)。系統(tǒng)使用數(shù)字控制計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行信息共享，專注于石油與天然氣開發(fā)領(lǐng)域的數(shù)字化管理和設(shè)施建設(shè)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)油氣開發(fā)領(lǐng)域信息自動(dòng)采集、問(wèn)題的自動(dòng)預(yù)防、自動(dòng)對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行預(yù)警并現(xiàn)場(chǎng)視頻審核，可以達(dá)到降低開發(fā)成本、優(yōu)化土地建設(shè)、合理配置勞動(dòng)力、合理設(shè)置工作組織的效果。本文對(duì)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，旨在推進(jìn)電氣運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理的進(jìn)步。