基于电力线工频通信的抽油机电机远程监测方法与系统

摘要

本发明公开了属于石油开采设备监测技术领域的一种基于电力线工频通信的抽油机电机远程监测方法与系统，是基于油田内部网络与电力线双向工频通信结合的监测系统。抽油电机端的远程监测终端通过配电变压器和变电站端的集中器连接，集中器与管理中心之间通过油田内部以太网接口连接。远程监测终端与集中器之间通过工频通信方式传送信息，并且监测系统的设备都安装在低压侧，无需加装与高压输电线路连接结合的设备，在变电站和远程监测终端之间的下行通道、上行通道调制电压波形、调制电流波形以实现通信。相关管理部门通过以太网和油田供电线路监测各抽油机电机的运行状况，非常适合油田的工作环境，成本低廉，可称为经济型抽油机电机远程监测系统。

说明书

技术领域

本发明涉及石油开采设备监测领域，具体涉及基于电力线工频通信的抽油机电机远程监测方法与系统。

背景技术

石油开采行业中抽油井的管理是油田生产管理中关键的环节之一，通过远程通信系统监测油井电机的运行数据能够及时掌握油井负荷状况，提高采油设备的管理水平，同时还能够更有效地挖掘节能潜力。

低成本、高质量的数据监测通道是油井电机远程监测系统能否推广应用的最关键因素，油田上试验过多种基于GSM/GPRS等公共无线通信手段的油井监测系统，由于在通信方面的设备成本与运行成本等问题，难以在油田得到推广应用。

本发明的抽油电机远程监测系统是油田管理中心通过企业内部以太网结合工频通信电路来实现对抽油机电机的远程监测，该系统包括管理中心、变电所的集中器部分、抽油机旁的远程终端。集中器与管理中心之间通过以太网传输信息，远程监测终端与集中器之间通过电力线工频通信方式传送信息。以油田本身的供电线路等资源为基础的抽油电机远程监测系统设备成本低，而且没有通信服务费用，具备大量推广的条件。

本发明中的电力线双向工频通信方式以抽油井供电线路作为传输媒介，可实现跨变压器台区的长距离传输、非常适合作为抽油电机监测系统的监测信道，该技术通过在电压过零点附近控制可控硅导通来调制电压、电流波形从而实现数据通信。

目前双向工频通信技术主要应用于电力系统居民抄表领域，基于时域方式来实现，在民用电网通信效果良好，但无法适应干扰复杂的油井供电线路。与普通民用供电线路不同，采油供电线路中的负载主要是抽油机电机，电机的停、启等运行状态会在电力线路产生大量的干扰，其中还包括丰富的非整数次谐波，这些干扰对工频通信系统造成的影响比民用供电线路要强得多。

本发明设计的工频通信设备在调制解调过程中结合了油井供电线路的特点，能够在电网强噪声背景下提取、识别微弱的电压、电流调制信号，从而实现可靠的数据传输，为油井电机远程监测系统提供低成本、高质量的数据监测通道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电力线工频通信的抽油机电机远程监测系统与方法。

本发明的抽油机电机远程监测系统包括管理中心、集中器、远程监测终端，通过油田内部企业宽带网与电力线双向工频通信构成数据监测通道；其中，远程监测终端位于抽油井端，集中器位于变电所端，管理中心设置在采油厂科技部或信息中心部门；管理中心能够管理多个集中器，一台集中器能够监测数百台远程监测终端，集中器通过中、低压电力线路与远程监测终端之间传输监测信息和控制指令，集中器将保存的各台抽油机电机的信息再通过油田内部以太网向管理中心传送；这样非常适合油田的工作环境，成本低廉，可称为经济型抽油机电机远程监测系统。

所述抽油机电机远程监测终端的装置主要包括具有12位内置A/D的DSP处理器、电压电流互感器、16位A/D转换器、信号调理电路、由可控硅和电阻构成的上行工频通信驱动电路。远程监测终端通过12位内置A/D采集电气参数，通过16位外置A/D采集下行工频信号，具备电气参数测量和双向工频通信的功能。

所述集中器包括工控机、下行工频通信调制电路、电压电流互感器、A/D检测电路和和以太网接口；下行工频通信调制端主要由可控硅、电抗和保护电路构成。

所述管理中心的后台参数管理软件通过获得各抽油电机的各种数据来对抽油机电机进行监测、管理。

所述基于电力线工频通信的抽油机电机远程监测方法，其特征在于，该远程监测方法是，远程监测终端完成抽油机电机的电气参数采集、处理，然后与集中器之间通过油田供电线路进行双向工频通信来传送信息，从位于变电站的集中器至远程监测终端的下行通道采用电压调制、从远程监测终端至集中器的上行通道采用电流调制以实现通信，集中器与管理中心之间通过以太网传输信息；该远程监测方法包括：

1)远程监测终端数据预处理

远程监测终端主要监测抽油机电机的三相电压、电流的有效值、有功和无功功率因数；监测抽油机电机上、下冲程的电流、抽油过程功率因数的变化，同时还要监测抽油机电机的故障状态，进行故障判断；使保证油田安全生产的需求，远程监测终端内部的DSP处理器通过软件运算把来自电压、电流传感器的原始信息进行数字信号处理，然后得到抽油机电机的各种运行电气参数，DSP在数字信号处理过程中，通过数字滤波消除电压、电流原始传感信息中的各种谐波的影响，从而获得电压、电流电气参数。同时，DSP处理器在数据运算中应用不同的参数和计算方法来适应抽油机电机存在星、角电气连接方式；

所述远程监测终端进行故障判断是通过软件运算来判断抽油机电机运行的故障；当电压有效值超过相应门限时，判断为过压；当低于相应门限时，判断为电压掉相；当电流有效值超过高门限值时判断为电机过流有可能发生短路故障，当电流有效值低于低门限值时有可能发生电机运行故障；电机运行的功率出现急剧变化时候有可能出现抽油机卡泵或皮带打滑等故障；由于每种抽油机电机的负荷与工况不同，都有的不同门限数值，监测终端根据采集的参数与相应门限数值来判断是否发生故障，同时根据故障性质形成相应的故障编码，这样就能够简便而准确地反映当前的故障状态。考虑到在抽油机电机有存在基于断续供电方式的电机节能设备，监测终端就必须把断续节能供电方式与故障状态区别，断续节能供电是断续部分时间断电，而停电是一直断电。

2)采油供电线路的工频通信的实现

变电站与远程监测终端之间的数据传输采用工频通信方式，该方式以抽油电机供电线路为媒介，能够穿越配电变压器实现传输数据，监测系统的设备都安装在低压侧，无需加装与高压输电线路连接结合的设备，使设备运行和维护成本低廉，而且安装维护方便；为了能够适应干扰复杂的油井供电线路，监测系统的工频通信设备在信息调制端进行设备选择与调制参数的设置；在解调端对电压、电流畸变信息进行解调运算处理，使得远程监测系统能够通过抽油供电线路实现可靠的工频通信。

所述工频通信是通过在发送端电压过零点附近控制可控硅导通来调制电压、电流波形，在接收端识别这些畸变信息从而实现数据通信，其中从远程监测终端到变电站的上行通信是通过电流畸变信息实现数据通信；从变电站到远程监测终端的下行通信是通过电压畸变信息实现数据通信。

工频通信调制参数主要包括调制时段、调制电流强度和通信信号编码方式，这些参数的选择要结合采油供电线路与抽油机电机的运行特征，远程监测终端内的调制电流强度为调制瞬间20A峰峰值，集中器端的调制电流强度为调制瞬间80A峰峰值，与应用于电力系统抄表领域的工频通信方式比较，上、下行调制电流强度都小于它们，对抽油机电机的工作运行没有影响，所产生的谐波在规定范围内。下行工频通信采用两个相邻电压周期波形来表示1位信息，第1个电压过零点附近有畸变表示“1”，第2个电压过零点附近有畸变表示“0”。由于抽油机供电线路干扰强，而且上行调制电流较小，上行工频通信采用连续6个电流周期信息表示1位信息，根据这6个周期内电流畸变位置的不同来代表“1”和“0”，而且为多台远程监测终端的并行上行通信提供了条件。

在工频通信解调方面，远程监测终端与集中器都是通过信号采集与数字信号处理来实现工频通信的解调，远程监测终端的硬件平台是DSP与A/D转换电路，而集中器的硬件平台是工控机内的A/D采集卡电路，它们的数字信号处理算法虽然不同，但共同的特点是在电网强噪声背景下提取、识别微弱的电压、电流调制信号，所以工频通信成功的关键就是对于强干扰噪声的滤波。

在数字信号处理方式中采用了多种自适应滤波和智能处理方法来过滤干扰噪声；由于工频通信的数据信息“1”、“0”是通过在多个周期内畸变产生的不同位置来反映，在上、下行通信解调中，首先把来自传感器的数据在电压过零点附近时段取样，将对应2个周期的电压、电流数据进行差分运算，由于在这2个周期内总是1个有畸变而另1个没有，这样就能够去除掉大部分包括50HZ信号在内的干扰而将畸变信号保留；然后再通过自适应滤波方式来去处残余的干扰，由于采油供电线路的谐波干扰很强，在抽油电机启动时刻或者电机节能设备控制运行时也能产生畸变影响，因此自适应滤波参数的选择考虑了线路中各种干扰特点，通过自适应滤波运算来大大抵消了干扰影响，同时根据工频通信调制电流而产生畸变与其他电力电子设备产生畸变的规律差异结合了参数估计算法。

本发明通过对调制端和接收端采取的上述措施实现了在抽油供电线路中可靠通信。

3)不同运行条件下软硬件系统抗干扰的方法与电路设计

在抽油电机监测系统中，后台管理中心主要是管理软件的运行，基本没有设备的抗干扰问题。集中器部分安装在变电站室内，工作环境较好，而且由于数量少，抗干扰问题容易解决；而远程监测终端的工作环境非常恶劣，一方面由于抽油机电机的运行会产生大量的谐波影响终端的工作稳定；另一方面由于油井处于野外，其环境温度变化很大，最低可接近零下40度。

远程监测终端中的器件都采用军品级或优良工业级器件，以应对环境温度的变化。同时在远程监测终端的电路中设计中采用可靠的电源，终端设备的电源采用交、直流结合滤波的方式，最大限度滤掉了电源中的干扰；同时在直流稳压输出中还设计了电压抑制器TVS来抑制380V线路中的浪涌对远程监测终端的影响；同时在电路板的设计中，电源线尽量加粗，模拟地与数字地分开，接地线尽量粗的多种措施提高设备的抗干扰能力，这样有助于增强抗噪声能力，实现了远程监测系统在油田现场的可靠运行。

本发明的有益效果是在油田现场，每个变电所大约有接近10条6KV线路，每条中压供电线路大约连接有数十台变压器，每台变压器给一台抽油机电机供电，每个变电站大约管理几百台抽油机电机。经大量长时间的试验证明，在环境温度适应方面，远程监测终端能够在严寒的冬天和酷热的夏天正常工作，没有出现停机或死机状态；在装置抗干扰能力方面，即使在抽油机电机频繁停、启等非运行状态对装置干扰影响最严重条件下也能够保证安全工作。

附图说明

图1为经济型抽油机电机远程监测系统结构示意图。

图2为远程监测终端总体框图。

图3为上行通信信号调制电路和调制波形。

图4为远程监测终端电路图。

图5为远程监测终端的DSP的软件流程，包括a.主程序流程图；b.电机监测子程序；c.主站命令监测子程序；d.信号发送子程序。

图6为集中器功能结构图。

图7为主站工控机的主要功能流程图，a.主程序和下行发送子程序；b.终端信号监测子程序。

图8a为下行通信信号调制电路和调制波形示意图

图8b为下行信号驱动电路原理图。

具体实施方式

本发明提供一种基于电力线工频通信的抽油机电机远程监测系统与方法。下面结合附图对本发明予以进一步说明。

图1所示为经济型抽油机电机远程监测系统结构示意图。图2所示为远程监测终端总体框图。图中所示系统结构包括远程监测终端、集中器、管理中心。抽油机电机远程监测系统是：抽油电机端的远程监测终端通过配电变压器和中、低压电力线路与变电站端的集中器交换信息，集中器与管理中心之间通过油田内部以太网交换信息(如图1所示)。

所述集中器包括工控机、电压电流互感器、A/D采集电路、信号调理电路、下行工频通信调制电路、以太网接口等组成；工频通信调制端主要由可控硅、驱动器件和保护电路构成；根据油田现场的具体应用特点，在一个变电所的集中器需要管理几百台远程监测终端，上行工频通信的驱动器件数量庞大，而下行工频通信的驱动器件只有一台，由于下行电压畸变产生难度高于上行电流畸变，所以本发明的远程监测系统中，终端部分的上行工频通信调制采用低成本的电阻驱动，而集中器部分的下行工频通信调制采用价格较高、畸变效果好的电抗驱动。

所述管理中心进行后台参数管理、采用电机故障终端软件通过远程监测终端和集中器对抽油机电机进行监测。

远程监测终端工作过程

终端装置主要包括DSP、电压电流互感器、16位A/D转换器、信号调理电路、由可控硅和电阻构成的上行工频通信驱动电路等，终端具备电气参数测量和双向工频通信的功能。

图2所示为抽油机电机远程监测终端的总体图，图中中央处理单元包括DSP处理器、16位A/D转换器、信号调理电路；信号调理电路与抽油机电机旁的380V电力线路的电压电流互感器链接；DSP有输出接口控制下行驱动电路，下行驱动电路中的可控硅直接与380V线路连接；而380V电网通过配电变压器和来自变电所的高压输电线路连接。

该终端的DSP选用TMS320F2812，DSP通过内置12位A/D转换器和信号调理电路采集配电变压器低压测三相电压、电流信息；通过16位外置A/D转换器与信号调理电路采集下行工频信号发送相电压信息；然后通过软件进行数字信号处理运算，主要运算任务在于：1)计算电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因素等电气参数。2)通过提取电压过零点附近的信号进行数字信号处理判断是否存在畸变信息来完成工频通信的下行解调。3)根据抽油电机的运行特点判断是否出现故障，如果有还需要形成相关故障编码。

上行工频通信调制电路的任务是产生电流的微小畸变以被变电站的6KV的电流互感器CT采集，调制电路是由DSP控制可控硅在接近过零点时瞬时导通而产生的，如图3所示，在过零点处调制信号所需能量小，便于调制；电压过零点的特殊位置为信号定位及检测提供了方便。

图3中，在电压过零点附近，S闭合一小段时间ΔT，此时在L上产生一个瞬时电流I，附加在总线电流上。令V＝vsin(ωt+ψ_i)，以S的关断为起始点，此时刻I_p＝0，则可得到：I_p＝vcos(ωt+ψ_i)/ωL+vcos(ψ_i)/ωL，由上可知，电流Ip依赖于V、L、ψ_i和ΔT_i，其中可控参数为L、ψ_i和ΔT_i。改变L可改变I_p信号的强度；改变ψi即改变ΔT_i。

远程监测终端的整体电路如图4所表示；图5所示为远程监测终端的DSP的软件流程，包括a.主程序流程图；b.电机监测子程序；c.主站命令监测子程序；d.信号发送子程序；简单说明一下：

集中器工作过程

集中器安装在变电站内，以工控机为核心，如图6所示，主要包括四个功能模块：1)工频通信上行解调模块；2)数据管理模块；3)工频通信下行发送模块；4)后台通信模块。

在电压过零时刻的电流中包含了上行工频通信的信息，工控机通过电压、电流传感器和数据采集系统采集到电压、电流后通过数字信号处理运算便能够实现工频通信的上行解调。

集中器将上行数据中各抽油电机的电气参数按照一定的规则进行存储，可以在变电站本地查询，也能够通过油田宽带网络传递到后台油田管理中心。

对于上行电流调制信息而言，6KV支线背景电流影响非常大，由于监测终端形成的电流畸变信息只在电压波形过零区域的特性，集中器只在电压过零附近设置检测窗口。为了突出调制信号，削弱背景电流，集中器对三相电流进行移相抵消处理，在配电网设计时，A、B、C三相电流I_A，I_B，I_C是近似平衡的，

$I=I_A-I_B+\sqrt{3}{I}_C{e}^{\mathrm{j\pi }/2}.$

根据该方式当抵消了主要是基波和整数次谐波成分的背景电流后能够保留绝大部分的调制信息。当完成移相抵消处理后，一方面通过滤波运算减小三相电流不平衡造成的基波残余影响，同时根据编码方式进行相应的接收运算能够增强电流畸变信息，这样就能够判断在6个周期内的电流畸变信息，实现上行解调功能。

图7所示为主站工控机的主要功能流程图，a.主程序和下行发送子程序；b.终端信号监测子程序。图中，工频通信下行发送模块主要由CPU、可控硅等组成，通过RS485接口接收工控机的下行数据，将这些数据按照下行编码规则通过可控硅和大功率电感在相应的电压过零时刻产生电压畸变从而完成工频通信的下行调制功能。

图8a为下行通信信号调制电路和调制波形示意图，图8b所示为下行信号驱动电路原理图；开关S在过零点前ΔT/2(通常是在过零点前30°处)时刻闭合ΔT时间后，，产生的电流4将在漏感L上引起一个电压降该电压降e_mod就是需要产生的电压畸变信号。

e_mod＝-(R_i+L_id/dt)Ic

后台管理中心

该中心的硬件平台只需要具备计算机和固定IP的宽带网络就可以，软件功能是：1)从各变电站的集中器获得抽油机电机的各种参数。2)制作数据库对这些参数进行管理、查询、分析。

后台管理软件还能够根据来自各终端的监测数据，分析相应抽油机电机的运行状况及节能潜力；可以分时统计对比运行数据，对每台电机给出上下冲程电流随时间的变化曲线，功率随时间变化的曲线，包括每小时数据的变化，每天以及每周、每个月、每个季度的变化情况，并进一步进行统计分析。这样一方面可以掌握抽油机电机运行情况，提高管理水平，另一方面，可以根据负荷变化情况有效地分析与确定节能控制措施。