电气设备监测管理系统在海洋石油平台的设计及应用

刘云飞

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459)

引言

近年来，为了促进海上油气田数字化、网络化、智能化转型，油气田作业区陆续部署了各类电气设备的监测系统。然而，各系统监测对象单一、功能单一；未充分挖掘海量数据的潜在价值，不能对电气设备的运行状态进行预判和提供有效的管理意见；各系统相互独立，信息不完全共享，操作管理不便；不适应海上平台的无人化、智能化、信息共享化发展趋势。针对以上问题，设计并研发了一款适用于海上油气平台的电气设备监测管理系统。

1 电气设备监测管理系统简述

电气设备监测管理系统具备针对多类关键电气设备监测预警、故障诊断、综合状态评估、检修策略智能推荐等高级应用功能，可实现电气设备全景状态实时感知及综合分析评估。 本系统可解决电气设备传统检修模式单一、低效的弊端，实现了多类电气设备的统一健康管理。本系统采用“横向覆盖，纵向分析，动静结合”的设计思路：横向覆盖指以一套系统完成对多种类大数量电气设备的集中监测管理；纵向分析指对监测数据进行由浅及深、由表及里、从数据信息的平铺直叙到深度剖析的过程；动静结合指系统能够实现静态数据和动态数据的耦合分析，将数据的价值最大化。动态数据指设备实时在线监测数据，静态数据为日常运维数据、检修数据及试验数据。电气设备监测管理系统充分整合现有的在线监测信息、设备参数信息、巡检数据等为信息资料，建设统一的、智能化的监测诊断中心，以全面掌握各类电气设备的状态信息。本系统总体界面如图1所示。

图1 电气设备监测管理系统界面图

2 电气设备监测管理系统功能

电气设备监测管理系统能够以海缆、开关柜、变压器、UPS等电气设备运行数据为基础,整合电气设备参数信息、巡检数据等信息资料,实现对电气设备的数据整合传输、集中显示、监测预警、故障诊断的一体化监管,全面掌握关键电气设备的状态信息。如图2所示,现场层级主要通过边缘计算的方式实现对各类设备多源异构监测数据的采集及预处理分析,并且可以通过标准化通信规约实现监测设备的无缝接入与灵活扩展;监视层级的应用对象为运检和现场电气工作人员,具备电气设备的在线工况监测、运行状态评估、故障诊断分析及维修决策支持功能,是实现电气设备智能运维的关键;管理层级汇集全部电气设备的状态信息,便于从公司层面实现电气设备的全局总览、集中管控与统一协调。

图2 电气设备监测管理系统层级示意图

2.1 数据获取功能

针对多种数据源接入现状，电气设备监测管理系统可提供标准化的数据接口，对海洋石油平台上智能电气设备的动态和静态数据进行有用性筛选和预处理，使其能够满足故障诊断、状态评估等高级应用的需求。

2.2 监测报警

系统不仅可实现基于实时监测数据的阈值告警，还利用了深度循环卷积网络等算法进行设备状态趋势预测，能够实现基于状态趋势追踪的监测数据趋势预警，通过阈值告警、趋势预测两者结合的方式，构成综合预警策略，从而提高了报警的准备性和可靠性。对于超出阈值范围的劣化指标，应能根据不同的类别和等级及时向各级设备管理人员发布预警信息，实时监测结果及其发展趋势、经历的不良工况以及家族缺陷等信息，对状态进行量化分级，及时预测设备可能存在的故障风险，发出预警，避免突发性事故的发生。[1]

2.3 故障诊断

系统集成各类电气设备的在线监测、巡检试验、带电检测、运行工况以及环境气候等多源异构数据，通过三比值法、热路分析、有限元模拟等研究方法分别建立起对应设备的故障诊断模型，基于边缘物联代理和人工智能算法，判断设备是否存在异常、故障情况及对应等级，并通过深度决策树模型及算法实现了故障原因的反向致因分析。算法可以结合电气设备状态量的横向数据和纵向数据，得出具体的故障模式，以利于合理安排试验计划，提高检修效率。本系统具有较强的推理和容错能力，利用强大的算法，在采集的数据不全的情况下，仍然可以进行有效计算。故障诊断系统能实时掌握电气设备的运行状况、电气参数的特性,减少突发性故障的发生,提高设备的安全可靠性和运行效益,降低设备强迫停运率、维修成本和寿命周期费用,延长设备的使用寿命。[2]

2.4 综合状态评估

电气设备监测管理系统基于《油浸式变压器状态评价导则》Q/GDW 10169-2016、《电缆线路状态评价导则》QGDW455 -2010等多个电气设备状态评价导则，建立了各类设备对应的多级评估指标体系，通过熵权法与层析分析法确定指标权重，最终融合多源异构数据并基于云模型实现了电气设备的综合状态评估。状态评估功能可以通过以下形式启动：

a) 定时分析：在设定的时间内执行设备的状态评价；

b) 触发分析：在设备的监控数据发生变化后，立即触发对设备进行状态评价，如对设备进行了新的检修试验后，立即触发评价设备；

c) 人工分析：①用户指定一个或一批（站）设备进行状态评价分析，评价过程可跟踪检查；②根据用户需要评价的设备类型，由用户提供相关设备信息后进行评价，评价过程可跟踪检查。

2.5风险评估功能

电气设备监测管理系统能通过识别电气设备潜在的内部缺陷和外部威胁，分析设备遭到失效威胁后的资产损失程度和威胁发生概率，通过风险评估模型得出设备的风险等级。[3]

2.6 检修决策智能推荐

本系统依据设备运行状态评估结果以及由在线监测情况得到的预测分析，结合检修技术、检修资源与设备运行等条件，综合考虑设备维修次序、维修时间和维修等级，基于模糊关联分析算法提供电气设备的检修决策建议，并利用桑基图等可视化手段展示检修决策的推导过程，实现了对包括检修项目、检修时间等在内的综合检修策略进行智能优化和推荐，[4]最终将建议结果递交设备管理人员或传送到相关的外部生产管理信息系统进行实施安排。

2.7 管理信息可视化

a)图形显示

系统提供强大矢量图形系统,能够满足用户复杂的图形显示功能,并提供满足关键变配电设备状态监测系统研究与示范操作要求的各种交互手段。提供设备查询、统计结果的图形定位功能:可通过设备管理结果的报表显示方式下,从显示结果直接到图形系统定位;可通过图形上选择设备,查询设备属性;可实现图形上选择设备,统计关联设备。

b)报表显示

报表制作和显示可提供图形和报表的混排功能。查询结果可支持图片格式,如查询结果中可以显示局放或温度图谱的照片。系统报表和图形显示紧密结合,提供各种图数互查方式,方便查询统计操作。

c)报警显示

报警显示功能可分为两部分,电力设备运行状态实时报警和历史查询,所有报警均记录并存入关系数据库中。系统提供分级分类显示的显示功能,并且设置方式可由用户自定义。

d)统计分析

提供统一的统计分析功能,统计分析的定义、配置工具和实用例程,对存储在实时数据库和关系数据库中的数据进行各种应用统计分析。

e)状态诊断报告

能独立生成并发布状态诊断报告,供相关职能部门使用。

f)WEB客户端

用户能在经授权的WEB客户端,通过IE等网络浏览工具,像监测诊断系统工作站的用户一样,浏览系统的相关画面和信息。

3 电气设备监测管理系统技术特点与优势

3.1 技术特点

电气设备监测管理系统的主要技术特点为：

1）基于多源异构数据驱动技术，挖掘数据的内在联系，实现对电气设备的诊断预警、状态评价、风险评估和维修决策推荐。

2）综合考虑外部环境等因素对设备状态的影响，实现了海上电气设备全景状态的实时感知及综合评估分析。

3）基于多维数据的深度数据挖掘，实现对电气设备综合状态及其关键参数趋势预测，并通过标杆设备选型等关键技术实现核心参数的故障致因分析，其诊断评估结果更为科学精准。

3.2 技术优势

电气设备监测管理系统采用了基于“云边统筹+微服务”的技术架构，支持安全、高效的 PaaS云平台部署，优化了数据获取、传输、存储和计算等全过程。能够实现多种类、大数量电气设备的一体化监测管理，可促成集约型、精细化的管理模式。综合利用各类动态数据、静态数据，有助于打破数据壁垒，形成电气设备的数据生态链，从而实现海量异构数据的最大价值发现。

4 结语

电气设备监测管理系统基于“大数据+人工智能”的计算模式，实现了电气设备状态自适应评估、故障原因智能分析、运维策略自动生成，能够加强信息共享、有效提升海上油气平台的供电可靠性，预防电气事故的发生，促进平台的无人化、智能化和数字化转型。