数字化油田综合电量仪表检测技术研究

李英杰 （大庆油田技术监督中心）

大庆油田经过60 a 开发建设，开采已进入特高含水中后期，开发成本逐年攀升，低油价风险时而显现，经营效益不确定因素增多[1-2]。为适应改革深化新形势，大庆油田自2012 年以来实施整装区域数字化建设，转换发展动能，打造竞争优势，实现油田生产方式深刻变革[3]。在产能建设及老油田改造中对大、中型站场及偏远地区典型工程实施数字化建设，积极推进油气生产数字化[4-5]，着力实施数字化典型工程。

数字化油田建设是实现油田振兴发展的重大战略举措和保障措施[6]，随着数字化油田技术的推广，应用了大量的综合电量仪表。这些数字化油田综合电量仪表的应用为油田精细分析、超前预警等提供有力支撑，提高了管理效率和工作效率；同时，由于数字化油田综合电量仪表功能繁多，因此，对其相应的计量检测和量值溯源提出了更高的要求。

1 背景介绍

数字化油田使用的综合电量仪表是一种集多种功能于一体的智能化仪表，主要用于油田、电力、冶金、化工等行业的电能计量、监测、管理和控制。它具有高精度、高稳定性、高可靠性等特点，能够满足各种复杂环境下的使用需求，对三相四线制、三相五线制等负载的各相线电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、线路频率等参数能够进行实时测量、显示与控制，并通过RS485 接口或模拟量变送输出接口对被测电量数据进行远传。油井的监控和管理占据了油田生产较大部分工作量，其信息化建设程度直接影响着后期的运行和管理模式[7]，传统有线仪表在使用中有以下几处缺点：

1）数据统计不准确。传统有线仪表采用人工巡井方式采集数据，是按照规定的要求、按顺序进行采集，无法做到数据采集工作在同一时刻完成；由于数据采集的不同时间和季节负荷变化，采集来的数据在严格意义上来说统计分析是不准确的。

2）数据采集成本高，劳动强度大。传统有线仪表采集数据单一，需要种类多样的仪表采集不同数据。由于巡井人员有限，造成工作效率低，采集数据成本高，劳动强度大。

3）无法对井场进行有效监控。长期以来，井场和计量间的监察和管理是针对已发生的数据进行的。当发现数据异常时，要通过后期的全面调查来找出问题，缺乏针对性，无法做到对井场、计量间进行有效监控[8]。

4）管理模式落后，缺乏系统地运作。由于采用定期人工巡井的粗放式管理模式，并不能对井场、计量间等数据信息进行实时的采集、统计与分析、从而做出最优决策[9]。

与传统有线仪表相比，数字化油田综合电量仪表可远程在线检测仪表状态，采集的数据准确、可靠，不需要人工巡检，极大的减少了生产一线员工的用工量；同时，通过对数字化油田综合电量仪表进行远程在线监测，对生产数据的准确性和及时性进行增强，一旦出现故障能够很快锁定目标，及时对生产状态做出应急处理，可提高生产安全性，提高油气生产管理水平，节省大量人力、物力[10]。

数字化油田综合电量仪表是计量、保护、监控等系统中不可缺少的组成部分，在油田数字化建设中提供可靠的电量参数，是其他数字化仪器仪表可靠运行的基础；要对其进行有效检测，保证数字化油田现场采集数据的准确性、可靠性。因此，强化数字化油田综合电量仪表的管理，是强化数字化油田管理的根本，是完善量值溯源体系、提高检测资源利用效率、避免检测装置重复建设、人员队伍重复组建，保障油田仪器仪表精准运行的关键。

2 数字化油田综合电量仪表检测

数字化油田综合电量仪表可记录电压、电流的最高值、最低值及出现的时间，记录每天电压上限、下限及计算电压的合格率，分无线和有线两种数据传输方式，主要形式包括多功能电力仪表、电量采集器、电量变送器等新型仪器仪表。目前油田采用的综合电量仪表没有统一的生产规范，各厂家规格杂乱、尺寸各异，因而就没有专用的检定装置对其进行自动检测。各计量检测机构在对综合电量仪表进行检测时主要采用两种方式进行：一种是当送检工作量较小时，采用手动接线进行检测；另一种是当送检工作量较大时，专门设计适合该单位专用的自动化检定装置进行检测。

综合电量仪表在检测过程中主要存在以下几个问题：一是部分综合电量仪表在设计开发中未考虑后续检验检测工作的需求，没有相应的检测端口，不利于检测和维护工作的开展；二是检测依据规程规范不完善，不能适应综合电量仪表的检测需要；三是由于综合电量仪表数量大，没有配套的自动化检测装置，无法进行高效的自动检测。

综合以上因素，在综合电量仪表检定装置的研究上选择了负载能力强的三相多功能标准表和程控三相功率源，能够提供辅助电源供电，整体准确度等级不低于0.05 级。三相综合电量仪表检定装置见图1。

图1 三相综合电量仪表检定装置Fig.1 Verification device of three-phase comprehensive electricity instrument

以三相综合电能表检定装置为基础，可完成普通三相三线电能表、三相四线电能表、多功能电能表、电量变送器、三相电量采集器等数字化油田常见的电能表和综合电量仪表的检测工作。三相多功能标准表可独立作为标准或现场校验仪使用，程控三相功率源是一个与台体分开的可移动的独立三相电源，电压、电流为独立模块，带屏显，可通过屏幕对程控三相功率源进行操作。台体有串口服务器，可通过计算机控制台体，提高运行速度。

为满足数字化油田综合电量仪表的检测需要，分别设计了两种专用检测表架台体：一种是用于检测多功能电力仪表的表架台体见图2a，此种表架台体适用于两种接线方式的综合电量仪表检测（见图3）；另一种是用于检测综合电量采集器的表架台体见图2b，此种表架台体适用图2b 中所示综合电量采集器的检测工作。此外，考虑以后其他类似仪表的检测，还预留了扩展电流电压接口，方便更新升级。

图2 综合电量仪表两种检测表架台体Fig.2 Two kinds of test meter frame for comprehensive electricity meter

图3 常见的综合电量仪表Fig.3 Common comprehensive electricity instrument

图3a 所示综合电量仪表采用直接压接的接线方式，接线端子的接线方式见图4a。接线端子可自由定义电压、电流、脉冲信号、电源等端子的接线顺序，方便连接。同时端子接触面采用麻点设计，增加了接触面积，也起到了防止错位虚接的作用。四个紧固件可在上下左右四个方向调节，以适应不同尺寸仪表的检测工作。

图4 接线端子的接线方式Fig.4 Wiring mode of the terminal

图3b 所示综合电量仪表采用端子排直接插拔的接线方式，接线端子地接线方式见图4b。接线端子也可自由定义电压、电流、脉冲信号、电源等端子的接线顺序，方便连接。

数字化油田综合电量仪表主要采用ZigBee 和WIA-PA 两种技术将采集到的数据从单井传送至井场RTU。如果使用的是ZigBee 仪表，则通过公网4G 进行上行数据传输；如果采用WIA-PA 仪表，则通过WIA-PA 技术进行上行数据传输，然后通过有线传输方式上传到数据所需地点。RTU 具有扩展性，在外电源失效时，存储器中的程序和数据不会丢失，存储数据具有时间标签，能够远程和就地编制、修改测试程序，具有故障自诊断并发出报警的功能。

在实验室内搭建符合WIA-PA 和ZigBee 两种技术的无线通信网络环境，数字化仪表无线数据读取装置见图5。

图5 数字化仪表无线数据读取装置Fig.5 Reading device of digital instrument wireless data

实现数字化油田综合电量仪表与RTU 设备、RTU 设备与工控机之间的无线通信，并通过组态软件实时显示、记录数据的功能。RTU 设备负责采集电压、电流、功率等电参数据，同时将汇集的数据上传至主线传输网络，将数据接入实验室内的服务器，以便在电脑上实时显示、记录数据，这样就可以与综合电量仪表检定装置配合，实现电压、电流、功率等电参数据的在无线传输情况下的全自动化检测。

3 现场检测技术研究

为保证仪器仪表的准确可靠，所有计量仪表必须进行首次检测（安装前） 及周期检测（安装后）[11]；但现有实验室综合电量仪表检定装置和数据读取装置只能对数字化油田综合电量仪表以拆卸送检的方式进行检测；物联网系统中每一块表都有电子身份信息，检测过程中要注意保存数字化油田综合电量仪表的原有配置信息，检测完毕现场安装时位置不能改变，仪表信息要重新配对，这对现场操作人员和通讯技术手段提出了很高的要求。

数字化油田综合电量仪表在现场环境中只是一次测量部分，没有显示和处理数据部分。在检定时就需要计算机或手抄器等终端设备的配合，方能完成检定工作。同时，新型数字化油田综合电量仪表集成化程度越来越高，例如，以前的仪表功能单一，电压、电流、功率、电能等都是分开计量的，现在的数字化油田综合电量仪表都是将不同功能、不同种类的计量仪表甚至不同专业的计量仪表集中在一起。这些数字化油田综合电量仪表在检测时每个单独的功能都有相应的规程和规范，但这些功能集中在一块表上时，就没有统一的规程或规范；有时一块仪表的功能涉及到不同的计量专业，在出证时还有一表多证的情况，这就涉及到了多个专业联合检定的问题。数字化油田综合电量仪表检测模式见图6。

图6 数字化油田综合电量仪表检测模式Fig.6 Detection mode of comprehensive electricity instrument for digital oilfield

将电参数综合测试仪接入RTU 电参数采集端子，或者用电压钳、电流钳接入配电箱内空气开关端子，通过计算机软件读取RTU 自带电量参数与综合测试仪采集电量参数进行比对校准，实时采集监测并储存综合电量仪表的电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率等数据，并进行数据趋势分析，完成数字化油田综合电量仪表全参数比对。通过计算机软件读取RTU 采集到的数字化油田综合电量仪表的比对数据见图7，通过数据采集比对实现数字化油田综合电量仪表不拆卸在线检测，形成适应数字化油田运行的仪表检测运维新模式，能够降低维护检测成本，有效保证数字化油田现场采集数据的准确性，提升数字化油田综合电量仪表检测能力、检测效率，最大限度降低对生产的影响。

图7 数字化油田综合电量仪表比对数据Fig.7 Comparison data of comprehensive electricity instrument for digital oilfield

4 结束语

通过研究数字化油田综合电量仪表检测技术，得到了切实可行的实验室和现场检测方法，确保了综合电量仪表的量值传递和溯源，保障了其性能的准确和可靠。这一检测技术不仅为数字化油田的发展提供了有力支持，也为其他类似设备的检测带来了新的思路和方法。

将继续深入研究并完善数字化油田综合电量仪表检测技术，以满足数字化油田的发展需求。通过对数字化油田综合电量仪表检测技术的研究，分区块、系统的、全面的评价数字化油田计量性能的可靠性、准确性、及时性，提升数字化油田管理效率和工作效率，实现质量和效益的最大化。