油氣生產站場電氣遠程運維系統設計與實現

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 設計分公司，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 電氣遠程運維系統構成概述

本文中所介紹到的新型實用性電氣遠程運維系統技術方案主要是服務于油氣電氣遠程運行管理系統，其服務器、客戶端、操作和維護站、網關、安檢以及報警等裝置都具有非常強的實用性。

其中，客戶端通過隨附的軟件連接PC，手機和平板的相關應用客戶端通過網關連接到公網與服務器進行通信。運維終端采用嵌入式工控機可以通過網關與服務器連接到公網，運維終端的通信模塊包括RS485和ZigBee。報警設備采用蜂鳴器聲音，能夠通過電纜或網關來對站場內進行檢測和維護。

運維終端采用ZigBee通信來定位各傳感器及終端運維的位置，并上傳至服務器運維站，通過數據檢索接口連接到站場進行數據通信。服務器組件由應用服務器和數據庫服務器組成，應用服務器和數據庫服務器連接到內部網絡，應用服務器通過網關連接到公網。

2 油氣站中遠程運維系統的應用

遠程運維系統可以對運營進行管理，實現實時現場自動化監控的目的，并將核心計算機系統的指令進行分析和決策，是一個可以將生產數據進行收集并且完全標準化的操作管理系統。此系統可以通過對油氣站場供配電系統的信息進行采集，從而實現管理數據、故障警告、降低開發成本的目的。

系統將數據采集、視頻監控集成一體，用于油田、基礎井等聯合站點的自動化數據生產和視頻監控，且可以與采油通信工廠通過互聯網連接計算機，以此確定站場內遠程電阻的情況以及設備的運行狀況，可以有效的提高站場內的工作效率，確保工作環境的安全和自動化。

本系統可以提高油氣生產泵的效率（實現單井實時優化），并使用工作圖進行輔助計量。進而使油氣場站系統提高整體效率，降低勞動強度。還可以培養和儲備長期發展能力，優化組織模式，降低工程總量和生產經營的成本。實現安全油場和燃料的良好發展、可持續發展，實現生產對象的可視化、生產過程的數字化管理以及生產決策智能化[1]。

運維終端將采集到的每個傳感器上的數據和服務器上視頻監控設備的數據傳輸至動力配電系統上。服務器端的數據庫會儲存這些數據，安裝在應用服務器上的運營管理軟件也會對數據進行處理。客戶端訪問服務端，提供數據訪問和控制功能[2]。油氣站動力運行管理系統可以自動或由工作人員手動操作通過客戶端發送報警控制命令，服務器端立刻向運維終端和維護設備發送通知，運維終端可以控制報警設備發出蜂鳴器報警。相關工作人員可通過PC、手機App或平板App等隨時判斷配電系統的真實狀態，得到錯誤提示、使用報告、操作信息及后續措施等，實現配電系統的智能運維。該系統可用于新舊配電系統的建設或更換，具有維修簡單、投資少的特點[3]。

系統采用Zigbee技術設計，每個傳感器以及終端需要的能耗也比較低，在需求多且無法提供交流電源的場合，各傳感器還可以為電池供電，實現長時間的電壓保持。同時每個傳感器和運維終端都可以直接通過Zigbee安裝技術實現定位，方便實時連續性的監控。

圖1為油氣站電力運行管理系統示意圖。

圖1 油氣電力運行管理系統圖示

油氣電力運行管理系統的自動切斷裝置設置在操作維修站和燃料供應電源之間。如果有可燃氣體，自動關閉裝置會自動關閉，且連接終端電源，防止跟蹤相應數據[4]。如果周圍易燃易爆氣體超過閾值，自動停機裝置就會切斷工作和維護終端的電源。

3 電氣運行監測管理系統各個部分詳細介紹

該電氣站電氣運行管理系統配置有服務器、客戶端、操作和維護站、網關、安檢、無人值守、值班交接、報警裝置等。

服務器可以采用兩種連接形式。一種是將應用服務器和數據庫服務器結合起來，應用服務器和數據庫服務器連接到內部網絡，應用服務器通過網關連接到公網；另一種是應用服務器和數據庫服務器的集成連接，服務器可以安裝基于WINDOWS或LINUX平臺的架構。

終端客戶端由帶有隨附軟件的PC終端組成。移動終端可以是APP也可以是配套的平板APP，客戶端可以通過網關對公網進行訪問，并實時與服務器通信。

運維終端是嵌入式工控機，同時具有RS485等數據檢索接口。運維終端采用研華ECU-4553嵌入式工控機，使用Cortex A8處理器，且帶有獨立端口，有16個RS-232/485、4個以太網10/100端口，支持寬帶工作的溫度位-40～70 ℃。運維終端隱藏在高壓開關柜內，通過網關接入公網通信服務器，并通過數據檢索接口從油氣站制造商的配電系統和設備中檢索相關信息。

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、可燃氣體傳感器等設備組成，并配備了ZigBee通信模塊。每個傳感器通過支持ZigBee協議的網關與運維終端或接口通信，并通過電纜獲取終端運行維護的主要數據，也可以通過ZigBee通信模塊直接與正在工作的維護站通信[5]，由于油氣生產站場的所處的區域不同，因此通信連接方式也不同。

視頻監控設備主要使用的是視頻監控攝像機，并通過電纜或網關連接到終端進行運行和維護。而在通信設備中，聲音報警器采取的設備是蜂鳴器，并通過電纜或網關連接到運維終端，視頻監控設備和音頻報警設備設置在油氣生產站場不同的位置。

自動停機裝置設置在運維終端與油氣站供電電源之間。如果燃氣泄漏起火，關機裝置將自動斷開工作電源，并維護終端以防止跟蹤相關數據。自動切斷裝置可在易燃易爆氣體超過閾值時采用可燃氣體泄漏自動切斷裝置，切斷終端運行維護所需要的電源[6]。

4 電氣運行監測管理系統可實現的功能

4.1 全景圖

站點全景圖，可以進行方便快速、直觀的索引。操作人員點擊站點直接跳轉到站點板，之后可以通過顏色標注站點的相關信息，如：站點狀態、設備總數、數量、電話、地址。

4.2 檢查區域

針對不同客戶的需求，系統更新了支持查看電力、能源、電費、需求、事件警報、設備狀態、站點等信息的專用看板。其中，監控畫面可以動態監控實時系統圖，通過瀏覽器和移動應用程序可以隨時查看動態屏幕。設備監控可以實時存儲運行數據、查看設備狀態（歷史曲線、數據報告、通信狀態）。視頻跟蹤則支持連接第三方設備的視頻監控。歷史曲線和歷史報告為客戶提供多種報告趨勢曲線模板，支持瀏覽器端和APP同時查看，支持至少5 min的數據存儲[7]。月度賬戶則關注站場內的安全用電、變壓器分析（電壓、負債率、溫度、功率因數三相不平衡度、諧波、優化建議）、線路分析（負載曲線、溫度、因數因數、三相、不平衡度、諧波、優化建議）、經濟用電量（電費分析、年度電費分析、分時、需求曲線、日用電量分析、耗電量對比、優化建議）、檢查運維、分析設備狀況、分析告警（自定義報警策略和報警參數，支持同時向App和短信推送通知信息，報警成為運維任務并且在設備的生命周期中自動記錄操作和維護）、故障追憶（用于發生故障時的節點，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 數據分析和能源管理

數據分析和能源管理都提供數據統計、分析、排放和顯示電費單等功能，通過數據采集和挖掘實現靈活高效的運作，不僅可以實現傳統抄表功能又可以進行靈活的數據分析，可根據需要配置分公司、分項、部門、分區，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、分支、分部門查看不同功率變體的統計數據、當前和昨天的能源需求趨勢以及當前和上個月的能源需求趨勢。能源報告是系統自動編譯能源消耗情況，并顯示每日和每月能源消耗的報告，每個季節和分支的能源消耗狀況都被清晰而直觀地展示出來。年度分析主要是對支路、分項、部門、區等不同的支路進行年度能源分析[8]。電力成本分析是對用電量進行統計，以及對月度、年度的標準方差進行分析。對總用電量和每條饋線進行統計分析，列出符合國網計費標準的電費清單，給用戶一個短期的電費需求清單。

4.4 電能質量

實時跟蹤可以實時對能源使用的相關信息進行評分，能夠直觀地展示供電質量，功率因數、三相不平衡度、電壓、電流額定負載、電流諧波畸變率并實時警報。單頻段監測可以通過頻段檢查電能質量的問題，如諧波和三相不平衡，并提供實時警報。三相不平衡分析是指三相在線不平衡單回路的分析。

4.5 設備管理

設備分類帳主要管理設備的基本信息，例如設備的內部標識、名稱、類型和制造商。配置配電室、供電柜、電器、采集設備之間的關系。管理分類、使用分類、安裝地點、購買時間、完成時間、維修時間等。設備故障及維修記錄管理能夠制作所有相關警報的綜合列表，可通過掃描設備二維碼隨時查詢故障信息和設備維護記錄。還可以對數字資產、電子數據倉庫進行管理。對與實時數據相關的設備信息進行管理，設備檔案中的運維信息可以查看設備當前的運行參數，建設設備完整生命周期，從維護到保養、從大修到更換，都有強大的設備管理追蹤。

4.6 檢查計劃

檢查計劃包括對不同工作的實施情況進行檢查，例如檢查工作、維修工作、緊急搶修工作、安全檢查維護、停電維修工作等。審核計劃由系統制定，計劃審核完成后，具體的審核工作由巡檢人員手機進行推送，工作人員需要進行工作并登記相關內容，該應用程序可以適用于不同類型設備。審核員可以直接在應用程序中記錄個人檢查結果，應用程序將自動檢查評價并為客戶提供總體評分，實現配電安全運行的標準化。

系統故障警報可以直接作為一項任務提交到客戶端中，工作人員接到客戶的維修電話或其他服務人員的報告維修，都可以通過PC端輸入相關平臺的維修信息，并根據許可證運送配件以跟進維修。運維人員可以自主接單，所有操作和維護過程都通過應用程序進行記錄，可以在系統中查看，所有線下運維操作均由運維運營商支持，秉持移動、共享運維的理念[9,10]。

5 結 論

由于油氣采集站的配電系統是為支持油氣采集過程而布置的，而在油氣生產的過程中，配電系統的運行信息受到站控系統和輸送管理系統的限制，因此值班員工并不完全了解站場內部分配系統和設備的狀態。由于配電系統較小，受到重視的程度也不高，因此在有限的投資和低自動化配置的情況下，維護人員就無法知道電力系統的真實狀態以及站場內的設備情況，如果配電系統出現故障，工作人員只有受托才會排除故障，進行維修，他們的工作是處于被動狀態的。

本文中的遠程運維系統可以對運營進行管理，實現實時現場自動化監控的目的，并將核心計算機系統的指令進行分析和決策，是一個可以將生產數據進行收集并且完全標準化的操作管理系統。系統使用數字控制計算機網絡并進行信息共享，專注于石油與天然氣開發領域的數字化管理和設施建設。通過實現油氣開發領域信息自動采集、問題的自動預防、自動對錯誤進行預警并現場視頻審核，可以達到降低開發成本、優化土地建設、合理配置勞動力、合理設置工作組織的效果。本文對遠程運維系統進行了詳細的介紹，旨在推進電氣運行監測管理的進步。