智能化無人平臺電氣系統與故障診斷方案研究

唐怡 杜銀昌 王海云 吳昊 蔣志鵬

摘 要：海上無人井口平臺在設備發生報警或故障時，如何檢查及排除故障，是無人平臺設計的重要內容。為此，提出了一種智能化無人平臺電氣系統與故障診斷方案，可提高海上油氣田電力操作的速動性、靈敏性、可靠性，減輕或避免設備損壞以及對其他設備供電的影響，避免電氣設備故障造成的停產損失，減少電氣操作人員登陸平臺的次數，對于保證油氣田穩定生產具有重要意義。

關鍵詞：智能化;無人平臺;電氣系統;故障診斷

1 無人平臺電氣系統與常規平臺電氣系統的差異性分析

根據海上無人駐守井口平臺設計規定，對海上無人平臺電氣系統有明確要求，下面將對無人平臺電氣系統與常規平臺電氣系統的差別進行描述。（1）設置能量管理系統（EMS）子站或電氣監控柜，與遠程控制中心通信。此項要求與常規井口平臺基本一致，可設置EMS子站，狀態或指令通過海纜光纖傳至有人駐守平臺EMS總站進行監控。（2）中高壓開關柜斷路器、低壓開關柜空氣斷路器應配置電動操作機構。在有人駐守平臺時，電氣操作人員可在中控室進行ESD關斷，在開關間進行開關的復位、合閘、分閘等操作。由于平時無人駐守，無人平臺的盤柜應配置電動操作機構，此項要求為無人平臺特有。（3）繼電保護設備、故障錄波啟動等信號具備遠程遙控復位功能。此項要求為無人平臺特有，復位可通過遠程遙控完成。（4）繼電保護和安全自動裝置應具備記錄遠程操作功能。遠程操作應至少通過兩個指示同時發生對應變化來確定設備已操作到位，即滿足“雙確認”要求。此項要求為無人平臺特有。（5）交流不間斷電源（UPS）宜配置在線監測裝置，對蓄電池內阻和電壓狀態等進行遠程監測。常規平臺一般無此配置，此項不是強制性要求，可根據業主是否有此需求確定。

2 無人平臺電氣系統設計原則

在分析了無人平臺與常規平臺電氣系統的區別后，需要著重關注電氣設計原則，根據海上井口平臺無人化頂層設計報告，電氣設計原則主要歸納為以下幾點：（1）無人井口平臺電氣系統應具備向油田中心平臺（或FPSO）控制中心及電站管理系統（EMS）上傳電氣設備及運行情況的狀態、實時測量數據和必要的視頻信息的功能，同時可接受遠程控制中心的遙控、遙調。電氣人員或授權控制人員負責完成運行、監視和控制工作。（2）無人井口平臺電氣技術和設備選擇應遵循“安全、可靠、高效、環保”原則，優先選擇結構簡單、成熟、自動化程度高、維護少的高可靠性產品。（3）無人井口平臺電氣設備應設置有人/無人切換模式，避免在有人檢修和維護時外部誤操作造成的人員傷害，確保有人操作和檢修時的安全。（4）繼電保護配置宜滿足雙重化配置的要求，應具備信息遠傳、遠動功能。遠動操作宜滿足“雙確認”要求。（5）無人井口平臺電氣自動化系統應采用功能完善的實時監控系統，滿足遠方監視、控制的運行要求。（6）UPS電源作為無人平臺遠程操作的基礎條件，應適當提高配置質量，滿足高可靠性要求，并能夠實現遠方監視和控制目的。

3 電氣系統故障診斷方案

3.1 ? ?系統組成

電氣故障診斷系統包括數據采集監測系統和評估分析診斷系統。

3.1.1 ? ?數據采集監測系統

數據采集監測系統包括溫度監測系統、機械特性監測系統、二次回路監測系統3個主要部分。（1）溫度監測主要利用傳感器來進行實時數據監測，將傳感器安裝在開關柜內相應位置進行監測，實現電氣參數數據的采集。溫度監測借助了無線射頻技術，利用射頻傳送采集到的溫度值，多采用自供電技術，直接測量開關柜與斷路器之間動靜觸頭的連接溫度。傳感器結構簡單、小巧，采用內嵌式安裝。智能組件與觸臂為一體化設計，不影響溫升，不破壞絕緣，最高工作溫度可達125 ℃，同時測量精準度更高，檢修維護十分方便。（2）機械特性監測是通過內置多個智能傳感器，獲取斷路器狀態參數數據，利用數學模型對采集的數據進行分析計算，進而實現對斷路器的監測及診斷。機械特性傳感器集成于斷路器內部，可實時獲取斷路器機械狀態數據，實時進行特性測試，覆蓋周期性年檢測試的機械參數，包括斷路器的合分閘時間、合分閘速度、斷路器運動行程、觸頭開距等。（3）二次回路的電壓、電流、功率不穩定，容易造成斷路器拒動和操作不穩定。因此，二次回路監測也十分重要。搭載霍爾傳感器，其是一種非介入式電壓電流測量傳感器，不影響原有的開關柜回路設計，且可全面監測開關柜的各個線圈和儲能馬達。

傳感器可以監測及診斷儲能電機的儲能時間、儲能電機的儲能電流（平均值）、合閘線圈的動作電流（平均值）、分閘線圈的動作電流（平均值）。

3.1.2 ? ?評估分析診斷系統

廠家專業、全范圍的溫升模型，可以實現基于實際負載變化的實時診斷，預判設備的健康狀態，針對性地解決潛在故障，降低停電概率。另外，可支持狀態檢修，并預估設備的損耗以建立無人平臺的全生命周期管理體系。其主要特點：提前獲悉設備溫升風險狀態，實現基于設備狀態的檢修，用計劃性檢修替代緊急維修，減小非計劃停電比例。

在線的實時設備工作機械特性檢測主要特點：實時獲悉設備機械特性曲線，達到機械特性風險分析與預警的目的;實現預防性檢修，減少非計劃維修電流增加等一系列問題，以免影響發電機的安全和整個電力系統的穩定性。

3.2 ? ?電氣故障診斷系統優點

電氣人員通過溫度監測和機械特性監測的雙重分析評估，可以更加直觀地了解電氣設備的健康指標，可實時追溯查詢各項指標記錄，還可以制定可執行的運行維護策略，從而實現無人平臺的電氣系統故障診斷，避免不必要的停產損失，大大提高生產效率。

4 軌道式巡檢機器人應用方案

無人平臺無人駐守，巡檢人員登陸一次耗時耗力，建議在投入電氣系統故障診斷方案后，為進一步保障無人平臺的安全運行，可選用軌道式巡檢機器人進行無人平臺的24 h不間斷巡檢。墾利3-2平臺已將智能巡檢機器人應用到平臺電氣巡檢中，下面具體介紹智能巡檢機器人的應用方案。

4.1 ? ?智能巡檢新模式

在人工智能發展的時代，智能機器人逐漸走進人類生活。用“智能機器人”代替“人工巡檢”已廣泛應用于各領域，隨著智能機器人的引入，人力成本得以節省，人工風險得以降低，工作質量和效率得以提升。將智能機器人投入無人平臺，可以將人工智能代替人工的優勢發揮得恰到好處。

4.2 ? ?智能機器人介紹

智能機器人機身可按需求掛載不同探測器，如有害氣體傳感器、局放檢測儀、SF6傳感器、紅外熱成像儀等，運行軌道按現場需求任意敷設，通過軌道運行，可實現在MCC間、變頻器間、變壓器間等重要電氣場所的大范圍、不間斷巡檢，以便及時發現電氣故障。

由于開關柜內是密閉空間，智能巡檢機器人掛載的常規紅外熱成像儀，有些部位不能直接抵達，可通過在開關柜內安裝微型熱成像儀的方式，將開關柜重點部位的熱成像信號傳輸出來，集合到巡檢系統，實現對開關柜的全面測溫。

無人平臺在設置智能巡檢機器人的基礎上，將數據進行網絡傳輸，搭建網絡平臺，實現無人平臺電氣參數的及時外傳，便于電氣人員及時掌握平臺各個電氣設備的運行狀況，有效提高工作效率。網絡構造如圖1所示。

4.3 ? ?巡檢機器人方案特點

無人平臺設置智能巡檢機器人后，可實現對無人平臺的環境監測、局放監測、智能抄表、智能巡檢以及對無人平臺的遠程管理。其主要特點如下：（1）機器人配置有局放監測儀、煙霧探測器、溫濕度傳感器，可實時監控現場環境狀況，有效聯動環境監測系統。（2）SF6紅外氣體檢測儀，可對室內SF6氣體泄漏情況進行監測。（3）可移動定點局放監測。（4）可升降云臺，攜帶監視設備，可對環境與機柜設備進行無死角監控，智能診斷分析環境和設備異常情況。（5）紅外熱成像精確測溫技術，監測診斷機柜和柜內設備溫度，對異常溫度進行報警和有效分析報告。（6）工作人員可通過機器人，遠程查看現場設備狀態;收到異常報警后，第一時間派遣機器人前往指定設備進行核實。（7）減少人員誤操作概率，大大提高操作的安全、可靠性。

平臺首次應用智能巡檢機器人，實現聲音與圖像的遠程共享，構建無人平臺透明化電網，給予電氣工程師遠程支持，此項設計可擴展為無人平臺的標準設計。

5 結語

智能化無人平臺電氣系統將電氣系統故障診斷方案與智能巡檢機器人相結合，可實現海上無人井口平臺的遙信、遙控、遙調，完成智能自動巡檢任務，可減少電氣人員登陸平臺次數，為平臺運行提供良好的保障。

[參考文獻]

[1] 魏春先.海上石油平臺無人化、智能化設計[J].機電信息，2020（9）：98-99.

收稿日期：2020-12-08

作者簡介：唐怡（1988—），女，天津人，工程師，從事海洋平臺電力系統設計工作。