油田电控一体化装置智能管理系统设计

李璐，高炜欣，冯亚军

（1.陕西省油气井测控技术重点实验室 （西安石油大学），陕西 西安 710065；2.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710016）

油田电控一体化装置是集成供配电、自动控制、及通信三种功能于一体的油田站场数字化和无人值守的核心装置［1］。对该装置的研究吸引了众多研究人员的关注，文献 ［2］中提到，将电控一体化装置引入注入站解决了常规站场电缆沟积水的问题，节约了占地面积。文献 ［3］提到电控一体化装置撬体具有智能环境控制系统可以确保设备稳定安全运行。文献 ［4］中提到电控装置的研发取消了站场传统的配电室、控制值班室、宿舍等建筑，采用电控一体化装置实现了站场无人值守的数字化管理。

总结已有的文献发现，这些一体化装置的研究与应用虽然为生产带来了一定的效果，但是目前来说有些部分与油田生产实际情况难以吻合或者智能化程度不足。因此本文提出针对油田的特殊性和需求的智能管理系统，其主要结构分为三方面：硬件设备管理；数据采集与分析；云端数据管理。更具体的内容则分为以下几个部分：1）智能监控；2）数据采集与分析；3）电气设备与线缆安全预测；4）数字化交付与全寿命周期管理。

1 系统设计需求分析

西北油田大多处于野外戈壁滩，地貌复杂、环境恶劣、作业困难。因此，油田供配电系统的设计也要适应油田实际环境。本次只能管理系统设计主要考虑到以下几个方面的需求：1）油田环境恶劣，现场电缆老化严重，如果不及时维修与更换将会对供电系统带来很大的影响。2）由于油气田生产的特殊性，某些操作岗位会给工作人员带来一定的危险性，因此这些岗位需要实现无人值守或者智能管理。3）油气田站场易发生火灾爆炸等危险事故，因此，需要实现远程监控与报警。4）油田生产过程中会产生很多复杂的数据，人工分析会十分的消耗时间以及存在很大的误差与错误，因此需要实现智能数据分析。

2 硬件设备管理

电控一体化装置中主要有高压柜、低压柜、变频器、UPS等电气设备，通信机柜以及DCS、PLC等一些仪表装置。这些设备及装置均按照设计图纸安装在相应位置，各个设备中均装有可接入的端子接口，以便进行监测与控制。

3 智能监控

西北油田站场会存在火灾、误操作等问题，常规一体化装置不能很好的预防与解决这些问题。因此，本次智能系统选择在设备安装处设有实时监控摄像头，摄像头具有红外夜视、智能识别等功能以及200像素高清拍摄。

摄像头图像数据传输至后台监控系统，该系统具有人脸识别以及行为分析的功能。当识别到非系统录入人员面部特征时，会产生报警提示信号，当时别到系统已录入人员面部特征时则不会产生报警提示信号。若有工作人员进入现场操作时，监控系统会对操作时的动作进行分析，如果操作动作有危险那么系统就会产生报警信号，如果操作正常则正常运行。视频画面中出现烟雾，火光等情况，监控系统也可以做出及时的预警。

4 数据采集与分析

4.1 工艺过程及电气生产数据采集与分析

油田生产现场大都已经具有SCADA系统，在此基础上，油田工艺过程及电气生产中的数据采集与分析采用DCS进行，传统的DCS一般分为三层网络结构：生产管理级，监控级和过程控制级［5］。其中控制级是DCS系统最底层的部分，对现场 电机电流、电压；各类控制箱门状态；回压、油压、套压、井口温度等的监测，监测的数据传输至监控级以及生产管理级。控制主机的系统软件对实时传输来的信息进行处理分析，形成表格流程图等存入数据库或者打印出来。数据采集系统框图如图1所示。

图1 数据采集系统框图

数据采集系统以实际油田生产作业为对象，通过各类传感器和智能仪表实时监测以及网络通讯完成数据传输，形成了可以实现运维监测、数据处理分析和诊断以及反馈控制的数据采集分析自控系统。

4.2 数据传输

系统中的各个子级之间有自己独立的数据传输系统，同时监控操作站又通过有线或者无线的方式将数据上传至4G智能网关，所有数据以及分析结果可以传输至云平台，公司管理人员可以通过云平台数据空间进行信息查看以及进行监管操作。

5 电气设备与线缆安全预测

由于油田实际生产的特殊性，站场易产生温度过高、火灾，气体泄漏等状况，油田地处环境恶劣，电缆易老化和绝缘降低因此本次智能管理系统采用动环监控系统及局方检测系统来解决这些问题。

1）油田站场动环监控系统

动环监控系统可以实现对现场环境的通风、温度、湿度、空调、风机设备等的监控和逻辑控制。动环监控系统启动后，可以实现对现场动力环境和安防的全面、实时监控［6］，逻辑控制可以使环境处于一个适宜的状态，比如：温度过高，空调冷风启动降低温度，通风不足，风机启动进行通风等。同时，该系统还可以对系统不可控制的紧急事件进行及时准确的发现和预警，此时后台管理人员发现预警，即可派出相应工作人员去现场解决问题。

2）油田电力线缆局放监测系统

局部放电简称局放，是电缆绝缘缺陷的表现特征［7］。局部放电是电缆绝缘降低和老化的重要表现，而电缆的绝缘状态和配电系统的稳定可靠运行密切相关。因此，局放监测系统的运用是十分有必要的。

图2是油田电力线缆局放监测系统示意图，当电缆发生局部放电时会产生相应的脉冲电流，通过电流传感器将信号传至局放信号采集器中，信号采集器对信号进行处理后将数据信息传至监测主机，监测主机内部有专门的数据分析软件，这些软件会对传输过来的数据信息进行分析，得出分析结果。监测主机分析出的结果数据回传至后台监控中心，工作人员会在第一时间判断电缆绝缘是否出现老化、破坏等问题。

图2 油田电力线缆局放监测系统示意图

6 数字化交付与全寿命周期管理

油田电控一体化装置智能管理系统设计的整个过程中，采用数字化交付以及全寿命中期管理［8］。数字化交付在国家标准 《石油化工工程数字化交付标准》GB／T 51296-2018中给出了定义，数字化交付的主要作用是通过信息技术将实际的工程建设数据信息与运行管理结合起来，可以形成信息的发送、接收、使用的过程，促进企业业务流和数据流的结合。

全寿命周期管理是指在某一产品的设计过程中，从其起始阶段就开始全面考虑这一产品的整个寿命周期的影响以及使用因素，进而进行有效的针对性完善，使这些影响因素可以在设计阶段就充分地被综合优化［9］。将全生命周期管理引入到本次智能系统设计中，可以使其选择的技术方案更加可靠和适用。

油田电控一体化装置智能系统设计过程中同样引入了数字化交付以及全生命周期管理。通过数据的分级进行系统管理分级，根据不同级的需要提供相应的数据。可以分为：运行管理、施工建设、日常维护、厂家售后和材料采购。系统管理根据数据分级之后具体内容如表1。

表1 系统管理分级数据表

7 展望

本次设计的油田电控一体化装置智能监控系统已经可以实现数据的自动采集和智能分析、实时数据监测、云端数据管理，同时也可以实现系统功能自我管理和控制。如今4G通信技术发展成熟，同时本系统已经搭建了云监测平台，因此在将来可以开发出一种智能移动设备APP，实现对系统数据的随时查看，对紧急事件的及时发现和处理。这种APP的开发使得管理人员可以随时随地的进行管理操作，让整个系统更加智能化，也更加便捷。