數字化油田綜合電量儀表檢測技術研究

李英杰 （大慶油田技術監督中心）

大慶油田經過60 a 開發建設，開采已進入特高含水中后期，開發成本逐年攀升，低油價風險時而顯現，經營效益不確定因素增多[1-2]。為適應改革深化新形勢，大慶油田自2012 年以來實施整裝區域數字化建設，轉換發展動能，打造競爭優勢，實現油田生產方式深刻變革[3]。在產能建設及老油田改造中對大、中型站場及偏遠地區典型工程實施數字化建設，積極推進油氣生產數字化[4-5]，著力實施數字化典型工程。

數字化油田建設是實現油田振興發展的重大戰略舉措和保障措施[6]，隨著數字化油田技術的推廣，應用了大量的綜合電量儀表。這些數字化油田綜合電量儀表的應用為油田精細分析、超前預警等提供有力支撐，提高了管理效率和工作效率；同時，由于數字化油田綜合電量儀表功能繁多，因此，對其相應的計量檢測和量值溯源提出了更高的要求。

1 背景介紹

數字化油田使用的綜合電量儀表是一種集多種功能于一體的智能化儀表，主要用于油田、電力、冶金、化工等行業的電能計量、監測、管理和控制。它具有高精度、高穩定性、高可靠性等特點，能夠滿足各種復雜環境下的使用需求，對三相四線制、三相五線制等負載的各相線電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能、無功電能、線路頻率等參數能夠進行實時測量、顯示與控制，并通過RS485 接口或模擬量變送輸出接口對被測電量數據進行遠傳。油井的監控和管理占據了油田生產較大部分工作量，其信息化建設程度直接影響著后期的運行和管理模式[7]，傳統有線儀表在使用中有以下幾處缺點：

1）數據統計不準確。傳統有線儀表采用人工巡井方式采集數據，是按照規定的要求、按順序進行采集，無法做到數據采集工作在同一時刻完成；由于數據采集的不同時間和季節負荷變化，采集來的數據在嚴格意義上來說統計分析是不準確的。

2）數據采集成本高，勞動強度大。傳統有線儀表采集數據單一，需要種類多樣的儀表采集不同數據。由于巡井人員有限，造成工作效率低，采集數據成本高，勞動強度大。

3）無法對井場進行有效監控。長期以來，井場和計量間的監察和管理是針對已發生的數據進行的。當發現數據異常時，要通過后期的全面調查來找出問題，缺乏針對性，無法做到對井場、計量間進行有效監控[8]。

4）管理模式落后，缺乏系統地運作。由于采用定期人工巡井的粗放式管理模式，并不能對井場、計量間等數據信息進行實時的采集、統計與分析、從而做出最優決策[9]。

與傳統有線儀表相比，數字化油田綜合電量儀表可遠程在線檢測儀表狀態，采集的數據準確、可靠，不需要人工巡檢，極大的減少了生產一線員工的用工量；同時，通過對數字化油田綜合電量儀表進行遠程在線監測，對生產數據的準確性和及時性進行增強，一旦出現故障能夠很快鎖定目標，及時對生產狀態做出應急處理，可提高生產安全性，提高油氣生產管理水平，節省大量人力、物力[10]。

數字化油田綜合電量儀表是計量、保護、監控等系統中不可缺少的組成部分，在油田數字化建設中提供可靠的電量參數，是其他數字化儀器儀表可靠運行的基礎；要對其進行有效檢測，保證數字化油田現場采集數據的準確性、可靠性。因此，強化數字化油田綜合電量儀表的管理，是強化數字化油田管理的根本，是完善量值溯源體系、提高檢測資源利用效率、避免檢測裝置重復建設、人員隊伍重復組建，保障油田儀器儀表精準運行的關鍵。

2 數字化油田綜合電量儀表檢測

數字化油田綜合電量儀表可記錄電壓、電流的最高值、最低值及出現的時間，記錄每天電壓上限、下限及計算電壓的合格率，分無線和有線兩種數據傳輸方式，主要形式包括多功能電力儀表、電量采集器、電量變送器等新型儀器儀表。目前油田采用的綜合電量儀表沒有統一的生產規范，各廠家規格雜亂、尺寸各異，因而就沒有專用的檢定裝置對其進行自動檢測。各計量檢測機構在對綜合電量儀表進行檢測時主要采用兩種方式進行：一種是當送檢工作量較小時，采用手動接線進行檢測；另一種是當送檢工作量較大時，專門設計適合該單位專用的自動化檢定裝置進行檢測。

綜合電量儀表在檢測過程中主要存在以下幾個問題：一是部分綜合電量儀表在設計開發中未考慮后續檢驗檢測工作的需求，沒有相應的檢測端口，不利于檢測和維護工作的開展；二是檢測依據規程規范不完善，不能適應綜合電量儀表的檢測需要；三是由于綜合電量儀表數量大，沒有配套的自動化檢測裝置，無法進行高效的自動檢測。

綜合以上因素，在綜合電量儀表檢定裝置的研究上選擇了負載能力強的三相多功能標準表和程控三相功率源，能夠提供輔助電源供電，整體準確度等級不低于0.05 級。三相綜合電量儀表檢定裝置見圖1。

圖1 三相綜合電量儀表檢定裝置Fig.1 Verification device of three-phase comprehensive electricity instrument

以三相綜合電能表檢定裝置為基礎，可完成普通三相三線電能表、三相四線電能表、多功能電能表、電量變送器、三相電量采集器等數字化油田常見的電能表和綜合電量儀表的檢測工作。三相多功能標準表可獨立作為標準或現場校驗儀使用，程控三相功率源是一個與臺體分開的可移動的獨立三相電源，電壓、電流為獨立模塊，帶屏顯，可通過屏幕對程控三相功率源進行操作。臺體有串口服務器，可通過計算機控制臺體，提高運行速度。

為滿足數字化油田綜合電量儀表的檢測需要，分別設計了兩種專用檢測表架臺體：一種是用于檢測多功能電力儀表的表架臺體見圖2a，此種表架臺體適用于兩種接線方式的綜合電量儀表檢測（見圖3）；另一種是用于檢測綜合電量采集器的表架臺體見圖2b，此種表架臺體適用圖2b 中所示綜合電量采集器的檢測工作。此外，考慮以后其他類似儀表的檢測，還預留了擴展電流電壓接口，方便更新升級。

圖2 綜合電量儀表兩種檢測表架臺體Fig.2 Two kinds of test meter frame for comprehensive electricity meter

圖3 常見的綜合電量儀表Fig.3 Common comprehensive electricity instrument

圖3a 所示綜合電量儀表采用直接壓接的接線方式，接線端子的接線方式見圖4a。接線端子可自由定義電壓、電流、脈沖信號、電源等端子的接線順序，方便連接。同時端子接觸面采用麻點設計，增加了接觸面積，也起到了防止錯位虛接的作用。四個緊固件可在上下左右四個方向調節，以適應不同尺寸儀表的檢測工作。

圖4 接線端子的接線方式Fig.4 Wiring mode of the terminal

圖3b 所示綜合電量儀表采用端子排直接插拔的接線方式，接線端子地接線方式見圖4b。接線端子也可自由定義電壓、電流、脈沖信號、電源等端子的接線順序，方便連接。

數字化油田綜合電量儀表主要采用ZigBee 和WIA-PA 兩種技術將采集到的數據從單井傳送至井場RTU。如果使用的是ZigBee 儀表，則通過公網4G 進行上行數據傳輸；如果采用WIA-PA 儀表，則通過WIA-PA 技術進行上行數據傳輸，然后通過有線傳輸方式上傳到數據所需地點。RTU 具有擴展性，在外電源失效時，存儲器中的程序和數據不會丟失，存儲數據具有時間標簽，能夠遠程和就地編制、修改測試程序，具有故障自診斷并發出報警的功能。

在實驗室內搭建符合WIA-PA 和ZigBee 兩種技術的無線通信網絡環境，數字化儀表無線數據讀取裝置見圖5。

圖5 數字化儀表無線數據讀取裝置Fig.5 Reading device of digital instrument wireless data

實現數字化油田綜合電量儀表與RTU 設備、RTU 設備與工控機之間的無線通信，并通過組態軟件實時顯示、記錄數據的功能。RTU 設備負責采集電壓、電流、功率等電參數據，同時將匯集的數據上傳至主線傳輸網絡，將數據接入實驗室內的服務器，以便在電腦上實時顯示、記錄數據，這樣就可以與綜合電量儀表檢定裝置配合，實現電壓、電流、功率等電參數據的在無線傳輸情況下的全自動化檢測。

3 現場檢測技術研究

為保證儀器儀表的準確可靠，所有計量儀表必須進行首次檢測（安裝前） 及周期檢測（安裝后）[11]；但現有實驗室綜合電量儀表檢定裝置和數據讀取裝置只能對數字化油田綜合電量儀表以拆卸送檢的方式進行檢測；物聯網系統中每一塊表都有電子身份信息，檢測過程中要注意保存數字化油田綜合電量儀表的原有配置信息，檢測完畢現場安裝時位置不能改變，儀表信息要重新配對，這對現場操作人員和通訊技術手段提出了很高的要求。

數字化油田綜合電量儀表在現場環境中只是一次測量部分，沒有顯示和處理數據部分。在檢定時就需要計算機或手抄器等終端設備的配合，方能完成檢定工作。同時，新型數字化油田綜合電量儀表集成化程度越來越高，例如，以前的儀表功能單一，電壓、電流、功率、電能等都是分開計量的，現在的數字化油田綜合電量儀表都是將不同功能、不同種類的計量儀表甚至不同專業的計量儀表集中在一起。這些數字化油田綜合電量儀表在檢測時每個單獨的功能都有相應的規程和規范，但這些功能集中在一塊表上時，就沒有統一的規程或規范；有時一塊儀表的功能涉及到不同的計量專業，在出證時還有一表多證的情況，這就涉及到了多個專業聯合檢定的問題。數字化油田綜合電量儀表檢測模式見圖6。

圖6 數字化油田綜合電量儀表檢測模式Fig.6 Detection mode of comprehensive electricity instrument for digital oilfield

將電參數綜合測試儀接入RTU 電參數采集端子，或者用電壓鉗、電流鉗接入配電箱內空氣開關端子，通過計算機軟件讀取RTU 自帶電量參數與綜合測試儀采集電量參數進行比對校準，實時采集監測并儲存綜合電量儀表的電流、電壓、功率因數、有功功率、無功功率等數據，并進行數據趨勢分析，完成數字化油田綜合電量儀表全參數比對。通過計算機軟件讀取RTU 采集到的數字化油田綜合電量儀表的比對數據見圖7，通過數據采集比對實現數字化油田綜合電量儀表不拆卸在線檢測，形成適應數字化油田運行的儀表檢測運維新模式，能夠降低維護檢測成本，有效保證數字化油田現場采集數據的準確性，提升數字化油田綜合電量儀表檢測能力、檢測效率，最大限度降低對生產的影響。

圖7 數字化油田綜合電量儀表比對數據Fig.7 Comparison data of comprehensive electricity instrument for digital oilfield

4 結束語

通過研究數字化油田綜合電量儀表檢測技術，得到了切實可行的實驗室和現場檢測方法，確保了綜合電量儀表的量值傳遞和溯源，保障了其性能的準確和可靠。這一檢測技術不僅為數字化油田的發展提供了有力支持，也為其他類似設備的檢測帶來了新的思路和方法。

將繼續深入研究并完善數字化油田綜合電量儀表檢測技術，以滿足數字化油田的發展需求。通過對數字化油田綜合電量儀表檢測技術的研究，分區塊、系統的、全面的評價數字化油田計量性能的可靠性、準確性、及時性，提升數字化油田管理效率和工作效率，實現質量和效益的最大化。