智能化无人平台电气系统与故障诊断方案研究

唐怡 杜银昌 王海云 吴昊 蒋志鹏

摘 要：海上无人井口平台在设备发生报警或故障时，如何检查及排除故障，是无人平台设计的重要内容。为此，提出了一种智能化无人平台电气系统与故障诊断方案，可提高海上油气田电力操作的速动性、灵敏性、可靠性，减轻或避免设备损坏以及对其他设备供电的影响，避免电气设备故障造成的停产损失，减少电气操作人员登陆平台的次数，对于保证油气田稳定生产具有重要意义。

关键词：智能化;无人平台;电气系统;故障诊断

1 无人平台电气系统与常规平台电气系统的差异性分析

根据海上无人驻守井口平台设计规定，对海上无人平台电气系统有明确要求，下面将对无人平台电气系统与常规平台电气系统的差别进行描述。（1）设置能量管理系统（EMS）子站或电气监控柜，与远程控制中心通信。此项要求与常规井口平台基本一致，可设置EMS子站，状态或指令通过海缆光纤传至有人驻守平台EMS总站进行监控。（2）中高压开关柜断路器、低压开关柜空气断路器应配置电动操作机构。在有人驻守平台时，电气操作人员可在中控室进行ESD关断，在开关间进行开关的复位、合闸、分闸等操作。由于平时无人驻守，无人平台的盘柜应配置电动操作机构，此项要求为无人平台特有。（3）继电保护设备、故障录波启动等信号具备远程遥控复位功能。此项要求为无人平台特有，复位可通过遠程遥控完成。（4）继电保护和安全自动装置应具备记录远程操作功能。远程操作应至少通过两个指示同时发生对应变化来确定设备已操作到位，即满足“双确认”要求。此项要求为无人平台特有。（5）交流不间断电源（UPS）宜配置在线监测装置，对蓄电池内阻和电压状态等进行远程监测。常规平台一般无此配置，此项不是强制性要求，可根据业主是否有此需求确定。

2 无人平台电气系统设计原则

在分析了无人平台与常规平台电气系统的区别后，需要着重关注电气设计原则，根据海上井口平台无人化顶层设计报告，电气设计原则主要归纳为以下几点：（1）无人井口平台电气系统应具备向油田中心平台（或FPSO）控制中心及电站管理系统（EMS）上传电气设备及运行情况的状态、实时测量数据和必要的视频信息的功能，同时可接受远程控制中心的遥控、遥调。电气人员或授权控制人员负责完成运行、监视和控制工作。（2）无人井口平台电气技术和设备选择应遵循“安全、可靠、高效、环保”原则，优先选择结构简单、成熟、自动化程度高、维护少的高可靠性产品。（3）无人井口平台电气设备应设置有人/无人切换模式，避免在有人检修和维护时外部误操作造成的人员伤害，确保有人操作和检修时的安全。（4）继电保护配置宜满足双重化配置的要求，应具备信息远传、远动功能。远动操作宜满足“双确认”要求。（5）无人井口平台电气自动化系统应采用功能完善的实时监控系统，满足远方监视、控制的运行要求。（6）UPS电源作为无人平台远程操作的基础条件，应适当提高配置质量，满足高可靠性要求，并能够实现远方监视和控制目的。

3 电气系统故障诊断方案

3.1    系统组成

电气故障诊断系统包括数据采集监测系统和评估分析诊断系统。

3.1.1    数据采集监测系统

数据采集监测系统包括温度监测系统、机械特性监测系统、二次回路监测系统3个主要部分。（1）温度监测主要利用传感器来进行实时数据监测，将传感器安装在开关柜内相应位置进行监测，实现电气参数数据的采集。温度监测借助了无线射频技术，利用射频传送采集到的温度值，多采用自供电技术，直接测量开关柜与断路器之间动静触头的连接温度。传感器结构简单、小巧，采用内嵌式安装。智能组件与触臂为一体化设计，不影响温升，不破坏绝缘，最高工作温度可达125 ℃，同时测量精准度更高，检修维护十分方便。（2）机械特性监测是通过内置多个智能传感器，获取断路器状态参数数据，利用数学模型对采集的数据进行分析计算，进而实现对断路器的监测及诊断。机械特性传感器集成于断路器内部，可实时获取断路器机械状态数据，实时进行特性测试，覆盖周期性年检测试的机械参数，包括断路器的合分闸时间、合分闸速度、断路器运动行程、触头开距等。（3）二次回路的电压、电流、功率不稳定，容易造成断路器拒动和操作不稳定。因此，二次回路监测也十分重要。搭载霍尔传感器，其是一种非介入式电压电流测量传感器，不影响原有的开关柜回路设计，且可全面监测开关柜的各个线圈和储能马达。

传感器可以监测及诊断储能电机的储能时间、储能电机的储能电流（平均值）、合闸线圈的动作电流（平均值）、分闸线圈的动作电流（平均值）。

3.1.2    评估分析诊断系统

厂家专业、全范围的温升模型，可以实现基于实际负载变化的实时诊断，预判设备的健康状态，针对性地解决潜在故障，降低停电概率。另外，可支持状态检修，并预估设备的损耗以建立无人平台的全生命周期管理体系。其主要特点：提前获悉设备温升风险状态，实现基于设备状态的检修，用计划性检修替代紧急维修，减小非计划停电比例。

在线的实时设备工作机械特性检测主要特点：实时获悉设备机械特性曲线，达到机械特性风险分析与预警的目的;实现预防性检修，减少非计划维修电流增加等一系列问题，以免影响发电机的安全和整个电力系统的稳定性。

3.2    电气故障诊断系统优点

电气人员通过温度监测和机械特性监测的双重分析评估，可以更加直观地了解电气设备的健康指标，可实时追溯查询各项指标记录，还可以制定可执行的运行维护策略，从而实现无人平台的电气系统故障诊断，避免不必要的停产损失，大大提高生产效率。

4 轨道式巡检机器人应用方案

无人平台无人驻守，巡检人员登陆一次耗时耗力，建议在投入电气系统故障诊断方案后，为进一步保障无人平台的安全运行，可选用轨道式巡检机器人进行无人平台的24 h不间断巡检。垦利3-2平台已将智能巡检机器人应用到平台电气巡检中，下面具体介绍智能巡检机器人的应用方案。

4.1    智能巡检新模式

在人工智能发展的时代，智能机器人逐渐走进人类生活。用“智能机器人”代替“人工巡检”已广泛应用于各领域，随着智能机器人的引入，人力成本得以节省，人工风险得以降低，工作质量和效率得以提升。将智能机器人投入无人平台，可以将人工智能代替人工的优势发挥得恰到好处。

4.2    智能机器人介绍

智能机器人机身可按需求挂载不同探测器，如有害气体传感器、局放检测仪、SF6传感器、红外热成像仪等，运行轨道按现场需求任意敷设，通过轨道运行，可实现在MCC間、变频器间、变压器间等重要电气场所的大范围、不间断巡检，以便及时发现电气故障。

由于开关柜内是密闭空间，智能巡检机器人挂载的常规红外热成像仪，有些部位不能直接抵达，可通过在开关柜内安装微型热成像仪的方式，将开关柜重点部位的热成像信号传输出来，集合到巡检系统，实现对开关柜的全面测温。

无人平台在设置智能巡检机器人的基础上，将数据进行网络传输，搭建网络平台，实现无人平台电气参数的及时外传，便于电气人员及时掌握平台各个电气设备的运行状况，有效提高工作效率。网络构造如图1所示。

4.3    巡检机器人方案特点

无人平台设置智能巡检机器人后，可实现对无人平台的环境监测、局放监测、智能抄表、智能巡检以及对无人平台的远程管理。其主要特点如下：（1）机器人配置有局放监测仪、烟雾探测器、温湿度传感器，可实时监控现场环境状况，有效联动环境监测系统。（2）SF6红外气体检测仪，可对室内SF6气体泄漏情况进行监测。（3）可移动定点局放监测。（4）可升降云台，携带监视设备，可对环境与机柜设备进行无死角监控，智能诊断分析环境和设备异常情况。（5）红外热成像精确测温技术，监测诊断机柜和柜内设备温度，对异常温度进行报警和有效分析报告。（6）工作人员可通过机器人，远程查看现场设备状态;收到异常报警后，第一时间派遣机器人前往指定设备进行核实。（7）减少人员误操作概率，大大提高操作的安全、可靠性。

平台首次应用智能巡检机器人，实现声音与图像的远程共享，构建无人平台透明化电网，给予电气工程师远程支持，此项设计可扩展为无人平台的标准设计。

5 结语

智能化无人平台电气系统将电气系统故障诊断方案与智能巡检机器人相结合，可实现海上无人井口平台的遥信、遥控、遥调，完成智能自动巡检任务，可减少电气人员登陆平台次数，为平台运行提供良好的保障。

[参考文献]

[1] 魏春先.海上石油平台无人化、智能化设计[J].机电信息，2020（9）：98-99.

收稿日期：2020-12-08

作者简介：唐怡（1988—），女，天津人，工程师，从事海洋平台电力系统设计工作。