一种抽油机电力参数测量仪

何渝霜董实(.东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆 6338;.中国石油大庆第二采油厂信息中心,黑龙江大庆 63300)



一种抽油机电力参数测量仪

何渝霜1董实2
(1.东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆 163318;2.中国石油大庆第二采油厂信息中心,黑龙江大庆 163300)

【摘 要】当今社会科技飞速发展,对能源的需求量也日益增加。石油,作为全世界重要能源之一,如今成为人类在未来发展中不可或缺的物质。截止2015年中国石油开采量已达62亿吨,剩余可采量206亿吨,我国经济发展的脚步已经远快于我国石油开采的速度,在我国经济如此快速发展下,中国已成为石油第二大消耗国。根据预测至2020年我国原油缺口量将至少达2.7亿吨,对外进口量将超过70%,因此油田企业以节能作为目标想要尽量提高抽油机的工作效率,进行了对抽油机以及抽油机测量仪的全方面技术提高,不仅能够节能降耗,并且对我国油田采油工艺的发展也有较大影响。

【关键词】抽油机 能源 测量仪

1 引言

当今能源的消耗量日益增大，然而开采量逐日递减，人类的生命活动离不开能源，照这样的速度发展能源也将枯竭。所以各个油田不得不把节能降耗的目标贯穿于油田生产经营的整个过程。从中国发现大庆油田的初期，在仅仅的五十年期间中国石油的消耗量上升速度惊人，随后逐步调整为开采要可持续发展、科学发展才能对人类真正有益。现代为了实现能源的最大效率以及节能降耗的目的，油田企业也加大对这一方面的研究力度，实现油田企业能在未来的良性循环，提出了各个有效的措施。如今国内也产生了许多不同型号的电力参数测试仪。

相比国内外的抽油机电力参数测量仪进行了一定的比较，国内生产的抽油机测试仪比如DZY-III便携式抽油机测试仪和BCX综合测试仪，虽然价格低廉，操作方便简单，但是体积过大，做工相对粗糙，精度较低，受周围工作环境影响过大，并不利于在野外长时间的操作。国外的抽油机虽然价格比国内昂贵，但有利操作人员掌控，体型轻巧携带方便，并且精度高。国外生产的抽油机电力参数测试仪在不断发展的新技术中实现了自身价值，在世界电力技术发展中也相对成熟。

在各大油田企业开采石油过程中，希望能得到一精度等级高的电力参数测量仪，才能进一步达到节能降耗的目的。然而我国的抽油机电力参数测试仪的体积和精度都是一个需要攻克的问题，所以我国目前就需设计一高精度、价格低廉、便携式油井测试仪。

2 系统模块设计

为了更精确的测量出抽油机的各个参数达到抽油机电能最小消耗量，同时要求在抽油机一个周期内能够进行对历史数据的记录分析，本课题主要研究并设计一种抽油机电力参数测试仪，不仅可以测量出电流与电压，还可以对抽油机的平衡度进行分析。这里设计的抽油机电力参数测试仪以芯片STM32F103VCT6控制系统，包括键盘控制模块、时钟电路模块、数据存储模块、电源模块、LCD显示模块。主要功能是利用电压电流信号对抽油机进行抽油机平衡度的监测，过程为通过电压采集模块、电流采集模块对电压电流信号进行采集，并可以通过LCD串口显示器进行实时的显示。通过CPU执行模块将采集到的电压电流信号传输到时钟电路模块进行时间记录，键盘控制模块对其进行控制，数据存储模块进行对一个周期内所记录的电压电流数据，当记录了整个周期内的电压电流信号后就可以监测抽油机的运行状态和不平衡度。抽油机的能耗是通过点击消耗的功率体现的，要求抽油机的平衡度达到一定的标准才能实现节能降耗，而抽油机的各种工作状态(包括地面和地下)都是在电机电力参数上直接反映出来。实现抽油机节能降耗，这种抽油机电力参数测量仪既能测量整个周期的电流电压，又能对其进行数据的分析，简化了A/D复杂的外围电路的设计，具体结构如图1所示。

3 实现测量方法

系统主要用SA9904B芯片实现对抽油机的三相电各项参数的测量。电压互感器和电流互感器采集到的电压与电流信号，将大电流信号和电压信号变换为可以经过SA9904B处理的小信号，处理后信号可以直接供给CPU控制单元进行运算处理。测量的数据或波形通过串口显示屏显示，并能够对被测量数据进行分析。使用键盘进行选择测量，屏幕上就会显示出被测量值。此外利用E2PROM存储芯片来对过去一段时间内测得的数据进行存储，并可随时进行调取这些数据进行分析，配有的USB借口实现测量仪与上机位之间的数据通信基本量的测量是实现仪器其它参数测量的基础。

测量的主要电路:

(1)电压互感器电路如图2所示。

电压输入端电路主要是将输入的工频电压信号转换成SA9904B 可以测量的电压信号(±5V)。用A相电压模拟输入为例，其余两相的输入通道设计原理相同。其采集电压电路如图2所示，电压互感器选择HPT205N，电阻R4选择220欧，电阻R1选择130K欧，经仿真输入电流大小范围为0-2mA，输出电流大小范围为0-2mA。这样电压值输出最大为0.44V，不超过0.5V。R5和C1构成一个RC滤

波器。

(2)电流互感器电路如图3所示。

选用的互感器CT1为TA5061，其输入电流范围为0-500A，输出电流0.1A。ADE7758 的电流通道IAP、IAN 最大信号电压变换范围为±0.5V。其中给以SA9904B 的信号取样电阻R10 和R11都为1.8欧，且当电流最大为0.1A时，其输出电压最大值约为0.36V，不超过0.5V。限幅二极管起到保护作用。

测量的主要参数运算:

SA9904B芯片内部能够将电压电流信号进行计算得到有功功率、无功功率以及功率因数等参数。SA9904B内部总共含有20个引脚，用PDIP-20进行封装。SA9904B内部有9个元暂存器来装载各相的无功耗能、有功耗能与电压参数。被测电路的功率不会直接提供给用户，而是通过内部公式运算后的最终结果传送给用户。

计算每相的有功或无功电能:

(1)VRATED为电表的额定电源电压，IRATED为电表的额定电源电流，N=相继读数间的暂存器数值之差(Δ值)，INTTIME为相继读数间的时间差值(单位为秒)。

电能=(VRATED*IRATED)/320000 (1)

(2)计算每相的有功或无功功率:

功率=电能*N/INTTIME/320000 (2)

(3)精度:

SA9904B芯片的RMS电压的测量精度为1%，有功功率的测量精度为1.0级。适合做抽油机电力参数测试仪的三相有功和无功仪表，所以利用此芯片设计出的仪表精度误差在1%之内。

4 结语

完成整个抽油机电力参数测试仪的理论分析和硬件实物制作，以成品的形式进行成果展示，预期检测误差在0.03%左右，定位误差在1%范围以内，更好的满足现场生产的需求，同时能够实现抽油机电力参数的测量和分析，通过USB接口可以实现与上位机之间的数据通信和相应的设置，有效的提高系统工作职能和自动化程度，并配有SD数据存储芯片，方便对历史测量信息和分析结果的存储和查询调用，从而强化该系统的管理职能。

总之，该电力参数测量仪相比国内市场所有的测量仪更加安全可靠、使用方便、精度高、测试参数多、支持数据存储与数据通信等优点，亦可以用于对抽油机电机的电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等参数的测量。

参考文献

[1]李成凯.智能油井电参数测试仪[D].北京:中国石油大学,2009.

[2]冯建勤,赵志永,乔智等.多功能电力仪表计量芯片[J].电子设计工程,2011.

[3]廖百健.抽油机能效测试分析仪的研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[4]刘志刚.基于ADE7758的电力监测仪表的研究与实现[D].北京:北京化工大学,2010.