油田電控一體化裝置智能管理系統設計

李璐，高煒欣，馮亞軍

（1.陜西省油氣井測控技術重點實驗室 （西安石油大學），陜西 西安 710065；2.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710016）

油田電控一體化裝置是集成供配電、自動控制、及通信三種功能于一體的油田站場數字化和無人值守的核心裝置［1］。對該裝置的研究吸引了眾多研究人員的關注，文獻 ［2］中提到，將電控一體化裝置引入注入站解決了常規站場電纜溝積水的問題，節約了占地面積。文獻 ［3］提到電控一體化裝置撬體具有智能環境控制系統可以確保設備穩定安全運行。文獻 ［4］中提到電控裝置的研發取消了站場傳統的配電室、控制值班室、宿舍等建筑，采用電控一體化裝置實現了站場無人值守的數字化管理。

總結已有的文獻發現，這些一體化裝置的研究與應用雖然為生產帶來了一定的效果，但是目前來說有些部分與油田生產實際情況難以吻合或者智能化程度不足。因此本文提出針對油田的特殊性和需求的智能管理系統，其主要結構分為三方面：硬件設備管理；數據采集與分析；云端數據管理。更具體的內容則分為以下幾個部分：1）智能監控；2）數據采集與分析；3）電氣設備與線纜安全預測；4）數字化交付與全壽命周期管理。

1 系統設計需求分析

西北油田大多處于野外戈壁灘，地貌復雜、環境惡劣、作業困難。因此，油田供配電系統的設計也要適應油田實際環境。本次只能管理系統設計主要考慮到以下幾個方面的需求：1）油田環境惡劣，現場電纜老化嚴重，如果不及時維修與更換將會對供電系統帶來很大的影響。2）由于油氣田生產的特殊性，某些操作崗位會給工作人員帶來一定的危險性，因此這些崗位需要實現無人值守或者智能管理。3）油氣田站場易發生火災爆炸等危險事故，因此，需要實現遠程監控與報警。4）油田生產過程中會產生很多復雜的數據，人工分析會十分的消耗時間以及存在很大的誤差與錯誤，因此需要實現智能數據分析。

2 硬件設備管理

電控一體化裝置中主要有高壓柜、低壓柜、變頻器、UPS等電氣設備，通信機柜以及DCS、PLC等一些儀表裝置。這些設備及裝置均按照設計圖紙安裝在相應位置，各個設備中均裝有可接入的端子接口，以便進行監測與控制。

3 智能監控

西北油田站場會存在火災、誤操作等問題，常規一體化裝置不能很好的預防與解決這些問題。因此，本次智能系統選擇在設備安裝處設有實時監控攝像頭，攝像頭具有紅外夜視、智能識別等功能以及200像素高清拍攝。

攝像頭圖像數據傳輸至后臺監控系統，該系統具有人臉識別以及行為分析的功能。當識別到非系統錄入人員面部特征時，會產生報警提示信號，當時別到系統已錄入人員面部特征時則不會產生報警提示信號。若有工作人員進入現場操作時，監控系統會對操作時的動作進行分析，如果操作動作有危險那么系統就會產生報警信號，如果操作正常則正常運行。視頻畫面中出現煙霧，火光等情況，監控系統也可以做出及時的預警。

4 數據采集與分析

4.1 工藝過程及電氣生產數據采集與分析

油田生產現場大都已經具有SCADA系統，在此基礎上，油田工藝過程及電氣生產中的數據采集與分析采用DCS進行，傳統的DCS一般分為三層網絡結構：生產管理級，監控級和過程控制級［5］。其中控制級是DCS系統最底層的部分，對現場 電機電流、電壓；各類控制箱門狀態；回壓、油壓、套壓、井口溫度等的監測，監測的數據傳輸至監控級以及生產管理級?？刂浦鳈C的系統軟件對實時傳輸來的信息進行處理分析，形成表格流程圖等存入數據庫或者打印出來。數據采集系統框圖如圖1所示。

圖1 數據采集系統框圖

數據采集系統以實際油田生產作業為對象，通過各類傳感器和智能儀表實時監測以及網絡通訊完成數據傳輸，形成了可以實現運維監測、數據處理分析和診斷以及反饋控制的數據采集分析自控系統。

4.2 數據傳輸

系統中的各個子級之間有自己獨立的數據傳輸系統，同時監控操作站又通過有線或者無線的方式將數據上傳至4G智能網關，所有數據以及分析結果可以傳輸至云平臺，公司管理人員可以通過云平臺數據空間進行信息查看以及進行監管操作。

5 電氣設備與線纜安全預測

由于油田實際生產的特殊性，站場易產生溫度過高、火災，氣體泄漏等狀況，油田地處環境惡劣，電纜易老化和絕緣降低因此本次智能管理系統采用動環監控系統及局方檢測系統來解決這些問題。

1）油田站場動環監控系統

動環監控系統可以實現對現場環境的通風、溫度、濕度、空調、風機設備等的監控和邏輯控制。動環監控系統啟動后，可以實現對現場動力環境和安防的全面、實時監控［6］，邏輯控制可以使環境處于一個適宜的狀態，比如：溫度過高，空調冷風啟動降低溫度，通風不足，風機啟動進行通風等。同時，該系統還可以對系統不可控制的緊急事件進行及時準確的發現和預警，此時后臺管理人員發現預警，即可派出相應工作人員去現場解決問題。

2）油田電力線纜局放監測系統

局部放電簡稱局放，是電纜絕緣缺陷的表現特征［7］。局部放電是電纜絕緣降低和老化的重要表現，而電纜的絕緣狀態和配電系統的穩定可靠運行密切相關。因此，局放監測系統的運用是十分有必要的。

圖2是油田電力線纜局放監測系統示意圖，當電纜發生局部放電時會產生相應的脈沖電流，通過電流傳感器將信號傳至局放信號采集器中，信號采集器對信號進行處理后將數據信息傳至監測主機，監測主機內部有專門的數據分析軟件，這些軟件會對傳輸過來的數據信息進行分析，得出分析結果。監測主機分析出的結果數據回傳至后臺監控中心，工作人員會在第一時間判斷電纜絕緣是否出現老化、破壞等問題。

圖2 油田電力線纜局放監測系統示意圖

6 數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設計的整個過程中，采用數字化交付以及全壽命中期管理［8］。數字化交付在國家標準 《石油化工工程數字化交付標準》GB／T 51296-2018中給出了定義，數字化交付的主要作用是通過信息技術將實際的工程建設數據信息與運行管理結合起來，可以形成信息的發送、接收、使用的過程，促進企業業務流和數據流的結合。

全壽命周期管理是指在某一產品的設計過程中，從其起始階段就開始全面考慮這一產品的整個壽命周期的影響以及使用因素，進而進行有效的針對性完善，使這些影響因素可以在設計階段就充分地被綜合優化［9］。將全生命周期管理引入到本次智能系統設計中，可以使其選擇的技術方案更加可靠和適用。

油田電控一體化裝置智能系統設計過程中同樣引入了數字化交付以及全生命周期管理。通過數據的分級進行系統管理分級，根據不同級的需要提供相應的數據。可以分為：運行管理、施工建設、日常維護、廠家售后和材料采購。系統管理根據數據分級之后具體內容如表1。

表1 系統管理分級數據表

7 展望

本次設計的油田電控一體化裝置智能監控系統已經可以實現數據的自動采集和智能分析、實時數據監測、云端數據管理，同時也可以實現系統功能自我管理和控制。如今4G通信技術發展成熟，同時本系統已經搭建了云監測平臺，因此在將來可以開發出一種智能移動設備APP，實現對系統數據的隨時查看，對緊急事件的及時發現和處理。這種APP的開發使得管理人員可以隨時隨地的進行管理操作，讓整個系統更加智能化，也更加便捷。