钻井平台电能质量在线监测系统研究与应用

陈明

（大庆钻探工程公司钻井二公司市场管理中心，黑龙江 大庆 163000）

电力驱动是石油钻井普遍采用的动力驱动方式之一，特别是在成本不断上升的今天，电力驱动钻井是国内外重点选择的钻井动力驱动方式。在国内油田，特别是电网覆盖的老油区，电力驱动几乎是唯一的钻井驱动方式，占每年钻井总井口数的80%以上。电能质量是保证电力驱动钻井顺利进行的重要因素。电能质量的治理工作是目前油田保证低成本、高速度钻井，实现绿色钻井的重要工作之一。电能质量治理工作的前提是电能质量监测。为此，建立一套科学化的监测手段和管理模式非常重要。

1 研究的总体目标

在充分考虑野外钻井工况的情况下，以现代先进的物联网技术、通信技术和信息技术为手段，建立电能指标在线实时数据采集、监测、分析一体化平台，形成科学化的钻井井场电能质量监测管理模式，为钻井井场电能质量的事中控制提供决策依据，为钻井井场电能质量的事后分析提供手段。

2 系统框图

2.1 配电室数据采集

通过在监测测点安装电能质量分析仪，完成电能参数原始数据的采集、电能参数指标计算和电能数据的本地数据存储，将井队现场数据打包通过无线通信（GPRS、LoRa）将数据转发到远端服务器与钻井平台值班室。主要功能为完成原始电能数据采集、电能参数指标计算、电能数据报文打包、电能数据报文发送、无线信道连接与无线信道侦测心跳信息的发送、数据传输控制信息接收、电表时钟校准。

2.2 公司数据采集

通过在公司总部设置服务器，完成井场测点仪表的无线通信连接侦听、控制指令发送、数据接收、数据解包、以及向数据库存储等。通过在公司设置数据备份服务器，实现各井队测点电能参数指标数据的持久性存储，与控制指令存储、实施波形数据存储等。

前置服务器完成多路电表无线信道连接侦听、向多路电表发送控制指令、多路电表无线信道的电能数据侦听与报文数据接收、存储、多路电能数据报文的报文解码，并向公司电能数据库写入、完成解码后的电能数据向公司电能数据库写入。数据库服务器完成多个电表的电能数据存储、钻井队相关信息存储、电表相关信息存储、系统管理信息存储。

2.3 钻井平台应用终端

在钻井平台安装终端与配电室终端建立数据链路，实现配电室电能波形显示、电能参数指标历史趋势分析、测点的对比分析等。

3 系统结构

3.1 电能质量分析仪

现代电力系统中，电力电子设备的应用越来越广泛，各种非线性、冲击性、波动性负载也大量增加，使电力系统所遭受的电能质量污染也日趋严重。SR系列在线多功能测试电表专门为工业、商业/办公楼等供配电场所设计，能快速地检测电网质量及电气特性，并可准确计量电度消耗。操作安装简便而精确，能快速计算大量电力参数并对所有数据进行处理。实时检测电压、电流、功率、电度、谐波不平衡度等电能质量参数，实时检测供电线路用电情况，以便及时了解当前供电电能质量，快速做出相应治理改善。

3.1.1 技术特点

电源工作范围宽，AC 50～270V可正常工作，表箱体积小，安装方便。

精度0.2级，准确计量与显示，基本电量参数包括三相电压、电流、有功、无功功率、功率因数、有功、无功电度等。

可实时显示三相和单相电压、电流的实时波形。

可显示电压、电流的THD及2到63次谐波含量。

可显示电压、电流的三相不平衡度及CF、KF因子。

可显示正、负、零序电压、电流分量。

可检测电网发生的过压、过流、欠压、瞬变等SOE事件。

可检测电压短时闪变和长时闪变值。

可记录电网中的三相电压、电流、有功、无功功率历史曲线。

支持单相、三相四线、三相三线等多种接线方式，可用于600V以下无外置PT接入及各高压等级外置PT接入。具有RS485通信接口、支持标准Modbus-RTU通信协议，可将大量电能参数上传监控系统。

3.1.2 功能特点

通信模式：支持TCP/UDP。

多种通信协议：（1）comway通信协议；（2）透传协议；（3）兼容桑荣协议；（4）兼容宏电协议。

服务器地址设置方式：固定公网IP或动态域名；多服务器并行通信：支持同时向三个服务器并行发送数据；稳定的工作模式：支持自动断线重连，可以设置心跳包和自定义注册包；出色的网管功能：可以通过定时任务或者短信远程启用网管，在线监控设备运行状态和修改配置参数；实用的短信AT指令功能：可以通过短信查询和修改配置参数；可靠性保障机制：可以设置无GSM信号重启时间，可以设置定时重启时间。

3.2 钻井平台本地终端

钻井平台本地终端

利用LoRa通信方式将钻井平台与配电室采集单元建立无线数据链路，将配电室电能质量状况进行本地显示，供钻井平台工作人员室内实时观测。

3.2.1 指标参数

4 技术应用

4.1 无线通信链接

在电表与前置服务器之间的无线信道是否畅通，是数据采集与指令发送的前提。只有电表与前置服务器处于连接状态，前置服务器才能给采集器发送指令，采集器才能将指定数据发送给前置服务器。因此，无线信道连接检测是系统的首要工作。

无线通信连接检测的基本逻辑是，每一路电表分别定时给前置服务器发送心跳消息，前置服务器获取到某一路电表发送的心跳消息后，确认与该电表建立连接，并记录与该电表的连接状态为已连接状态；当前置服务器超过一定时间（或确定的几个检测周期）没有接收到该路电表的心跳消息时，前置服务器会认为与该电表的链接已断开，并将连接状态置为断开状态。当处于断开状态时，前置服务器无法发送指令给该路电表，该电表也无法发送数据包给前置服务器。

基本方式是，前置服务器通过对所有电表的无线传输信道端口进行轮询，在确定的时间周期内接收到该路电表的心跳信息，那么认为该路电表无线信道处于连接状态，否则处于断开状态。

4.2 电能参数/指标采集

前置服务器完成电能参数/指标数据的采集，主要实现井场电表采集的电能数据向公司电能数据库的发送和存储。

电能参数/指标数据需要持久存储。

电能参数/指标数据采集采用前置服务器向井场电表的“索取”或“拉”的方式，即前置服务器需要不断向井场电表发送“数据传送指令”，井场电表接收到一个“数据传送指令”后，发送一个符合一定标准的“电能报文数据包”，井场电表如果没有接收到 “数据传送指令”，则不发送“电能报文数据包”。

电能参数/指标数据采集基本逻辑是：前置服务器对每一个电表采集信道进行轮询，首先检查当前信道的“连接状态”，如果该信道处于“连接”状态，则检查该信道数据端口是否有到达的“电能报文数据包”，如果有，则把该“电能报文数据包”插入到该信道的数据队列中，然后对数据队列中的“电能报文数据包”进行解析，最后插入到公司电能数据库中。

电能参数/指标数据采集功能分为三部分，如下图所示。

（1）传送指令发送

系统对各信道进行轮询，检查“连接状态”，如果当前信道处于“连接”状态，则向井场电表发送“数据传送指令”。

（2）电能数据接收

系统对各信道数据端口进行轮询，如有“电能报文数据包”，则插入到对应的先进先出数据队列中。

（3）向数据库写入

系统对各信道队列进行轮询，如有“电能报文数据包”，则解析该数据包，然后按映射规则写入公司电能数据库中。

5 现场应用情况

本系统支持无线覆盖模式和离线存储模式，并支持没有无线信号覆盖的野外钻井工况。在线谐波分析电表支持高压6kV、低压600V等多种电压等级（通过外置PT/CT支持）。本系统应用后：

钻井电力管理者能够在总部（后线）实时查看钻井现场电能质量情况，能够减少管理者现场检测、维护频次，从而降低成本，保证高效、安全钻井；

通过实时监测钻井现场的电能质量情况，发现用电异常（过流/过压/欠流/欠压/谐波过大/频率不稳等），及时进行现场整改与控制，避免电力事故发生，保护电气设备，实现事前预测与控制。

电力事故发生后，通过分析能够有效查找问题，提出合理解决方案，提高电力故障检测效率。

能够在后线掌握每一口井的电力消耗（电度）情况，减少现场抄表工作量，降低成本。

能够根据电能历史数据，进行分队、分区块等电力事件、事故、能耗等全面综合统计分析，提升电能综合管理水平。

本系统能够作为独立的装置，在大庆钻探国内、国外钻井电力驱动的钻井队，以及国内外同类单位推广应用。

6 结语

实现了钻井电力管理人员在后线实时集中监控各钻井队在钻井的用电能消耗及电能质量，为电力管理人员进行电力事件分析提供了有效的手段，提出了适应钻井井场电力管理的业务管理模式。

建议：进一步开发软件电能质量分析系统，提高软件的综合分析功能。