鉆井平臺電能質量在線監測系統研究與應用

陳明

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司市場管理中心，黑龍江 大慶 163000）

電力驅動是石油鉆井普遍采用的動力驅動方式之一，特別是在成本不斷上升的今天，電力驅動鉆井是國內外重點選擇的鉆井動力驅動方式。在國內油田，特別是電網覆蓋的老油區，電力驅動幾乎是唯一的鉆井驅動方式，占每年鉆井總井口數的80%以上。電能質量是保證電力驅動鉆井順利進行的重要因素。電能質量的治理工作是目前油田保證低成本、高速度鉆井，實現綠色鉆井的重要工作之一。電能質量治理工作的前提是電能質量監測。為此，建立一套科學化的監測手段和管理模式非常重要。

1 研究的總體目標

在充分考慮野外鉆井工況的情況下，以現代先進的物聯網技術、通信技術和信息技術為手段，建立電能指標在線實時數據采集、監測、分析一體化平臺，形成科學化的鉆井井場電能質量監測管理模式，為鉆井井場電能質量的事中控制提供決策依據，為鉆井井場電能質量的事后分析提供手段。

2 系統框圖

2.1 配電室數據采集

通過在監測測點安裝電能質量分析儀，完成電能參數原始數據的采集、電能參數指標計算和電能數據的本地數據存儲，將井隊現場數據打包通過無線通信（GPRS、LoRa）將數據轉發到遠端服務器與鉆井平臺值班室。主要功能為完成原始電能數據采集、電能參數指標計算、電能數據報文打包、電能數據報文發送、無線信道連接與無線信道偵測心跳信息的發送、數據傳輸控制信息接收、電表時鐘校準。

2.2 公司數據采集

通過在公司總部設置服務器，完成井場測點儀表的無線通信連接偵聽、控制指令發送、數據接收、數據解包、以及向數據庫存儲等。通過在公司設置數據備份服務器，實現各井隊測點電能參數指標數據的持久性存儲，與控制指令存儲、實施波形數據存儲等。

前置服務器完成多路電表無線信道連接偵聽、向多路電表發送控制指令、多路電表無線信道的電能數據偵聽與報文數據接收、存儲、多路電能數據報文的報文解碼，并向公司電能數據庫寫入、完成解碼后的電能數據向公司電能數據庫寫入。數據庫服務器完成多個電表的電能數據存儲、鉆井隊相關信息存儲、電表相關信息存儲、系統管理信息存儲。

2.3 鉆井平臺應用終端

在鉆井平臺安裝終端與配電室終端建立數據鏈路，實現配電室電能波形顯示、電能參數指標歷史趨勢分析、測點的對比分析等。

3 系統結構

3.1 電能質量分析儀

現代電力系統中，電力電子設備的應用越來越廣泛，各種非線性、沖擊性、波動性負載也大量增加，使電力系統所遭受的電能質量污染也日趨嚴重。SR系列在線多功能測試電表專門為工業、商業/辦公樓等供配電場所設計，能快速地檢測電網質量及電氣特性，并可準確計量電度消耗。操作安裝簡便而精確，能快速計算大量電力參數并對所有數據進行處理。實時檢測電壓、電流、功率、電度、諧波不平衡度等電能質量參數，實時檢測供電線路用電情況，以便及時了解當前供電電能質量，快速做出相應治理改善。

3.1.1 技術特點

電源工作范圍寬，AC 50～270V可正常工作，表箱體積小，安裝方便。

精度0.2級，準確計量與顯示，基本電量參數包括三相電壓、電流、有功、無功功率、功率因數、有功、無功電度等。

可實時顯示三相和單相電壓、電流的實時波形。

可顯示電壓、電流的THD及2到63次諧波含量。

可顯示電壓、電流的三相不平衡度及CF、KF因子。

可顯示正、負、零序電壓、電流分量。

可檢測電網發生的過壓、過流、欠壓、瞬變等SOE事件。

可檢測電壓短時閃變和長時閃變值。

可記錄電網中的三相電壓、電流、有功、無功功率歷史曲線。

支持單相、三相四線、三相三線等多種接線方式，可用于600V以下無外置PT接入及各高壓等級外置PT接入。具有RS485通信接口、支持標準Modbus-RTU通信協議，可將大量電能參數上傳監控系統。

3.1.2 功能特點

通信模式：支持TCP/UDP。

多種通信協議：（1）comway通信協議；（2）透傳協議；（3）兼容桑榮協議；（4）兼容宏電協議。

服務器地址設置方式：固定公網IP或動態域名；多服務器并行通信：支持同時向三個服務器并行發送數據；穩定的工作模式：支持自動斷線重連，可以設置心跳包和自定義注冊包；出色的網管功能：可以通過定時任務或者短信遠程啟用網管，在線監控設備運行狀態和修改配置參數；實用的短信AT指令功能：可以通過短信查詢和修改配置參數；可靠性保障機制：可以設置無GSM信號重啟時間，可以設置定時重啟時間。

3.2 鉆井平臺本地終端

鉆井平臺本地終端

利用LoRa通信方式將鉆井平臺與配電室采集單元建立無線數據鏈路，將配電室電能質量狀況進行本地顯示，供鉆井平臺工作人員室內實時觀測。

3.2.1 指標參數

4 技術應用

4.1 無線通信鏈接

在電表與前置服務器之間的無線信道是否暢通，是數據采集與指令發送的前提。只有電表與前置服務器處于連接狀態，前置服務器才能給采集器發送指令，采集器才能將指定數據發送給前置服務器。因此，無線信道連接檢測是系統的首要工作。

無線通信連接檢測的基本邏輯是，每一路電表分別定時給前置服務器發送心跳消息，前置服務器獲取到某一路電表發送的心跳消息后，確認與該電表建立連接，并記錄與該電表的連接狀態為已連接狀態；當前置服務器超過一定時間（或確定的幾個檢測周期）沒有接收到該路電表的心跳消息時，前置服務器會認為與該電表的鏈接已斷開，并將連接狀態置為斷開狀態。當處于斷開狀態時，前置服務器無法發送指令給該路電表，該電表也無法發送數據包給前置服務器。

基本方式是，前置服務器通過對所有電表的無線傳輸信道端口進行輪詢，在確定的時間周期內接收到該路電表的心跳信息，那么認為該路電表無線信道處于連接狀態，否則處于斷開狀態。

4.2 電能參數/指標采集

前置服務器完成電能參數/指標數據的采集，主要實現井場電表采集的電能數據向公司電能數據庫的發送和存儲。

電能參數/指標數據需要持久存儲。

電能參數/指標數據采集采用前置服務器向井場電表的“索取”或“拉”的方式，即前置服務器需要不斷向井場電表發送“數據傳送指令”，井場電表接收到一個“數據傳送指令”后，發送一個符合一定標準的“電能報文數據包”，井場電表如果沒有接收到 “數據傳送指令”，則不發送“電能報文數據包”。

電能參數/指標數據采集基本邏輯是：前置服務器對每一個電表采集信道進行輪詢，首先檢查當前信道的“連接狀態”，如果該信道處于“連接”狀態，則檢查該信道數據端口是否有到達的“電能報文數據包”，如果有，則把該“電能報文數據包”插入到該信道的數據隊列中，然后對數據隊列中的“電能報文數據包”進行解析，最后插入到公司電能數據庫中。

電能參數/指標數據采集功能分為三部分，如下圖所示。

（1）傳送指令發送

系統對各信道進行輪詢，檢查“連接狀態”，如果當前信道處于“連接”狀態，則向井場電表發送“數據傳送指令”。

（2）電能數據接收

系統對各信道數據端口進行輪詢，如有“電能報文數據包”，則插入到對應的先進先出數據隊列中。

（3）向數據庫寫入

系統對各信道隊列進行輪詢，如有“電能報文數據包”，則解析該數據包，然后按映射規則寫入公司電能數據庫中。

5 現場應用情況

本系統支持無線覆蓋模式和離線存儲模式，并支持沒有無線信號覆蓋的野外鉆井工況。在線諧波分析電表支持高壓6kV、低壓600V等多種電壓等級（通過外置PT/CT支持）。本系統應用后：

鉆井電力管理者能夠在總部（后線）實時查看鉆井現場電能質量情況，能夠減少管理者現場檢測、維護頻次，從而降低成本，保證高效、安全鉆井；

通過實時監測鉆井現場的電能質量情況，發現用電異常（過流/過壓/欠流/欠壓/諧波過大/頻率不穩等），及時進行現場整改與控制，避免電力事故發生，保護電氣設備，實現事前預測與控制。

電力事故發生后，通過分析能夠有效查找問題，提出合理解決方案，提高電力故障檢測效率。

能夠在后線掌握每一口井的電力消耗（電度）情況，減少現場抄表工作量，降低成本。

能夠根據電能歷史數據，進行分隊、分區塊等電力事件、事故、能耗等全面綜合統計分析，提升電能綜合管理水平。

本系統能夠作為獨立的裝置，在大慶鉆探國內、國外鉆井電力驅動的鉆井隊，以及國內外同類單位推廣應用。

6 結語

實現了鉆井電力管理人員在后線實時集中監控各鉆井隊在鉆井的用電能消耗及電能質量，為電力管理人員進行電力事件分析提供了有效的手段，提出了適應鉆井井場電力管理的業務管理模式。

建議：進一步開發軟件電能質量分析系統，提高軟件的綜合分析功能。