胜利埕岛海上油田电器设备维修自动化探索

发布时间:2006-05-22 供稿单位: 中国工控网 推荐等级: 星级指数 星级指数 星级指数 星级指数 点击次数:2317 共0条反馈

摘要:
  本文简要介绍了胜利埕岛油田海上电器设备概况,针对海上电器设备维修现状,阐述了电力自动化技术在海上的应用状况,提出了远程在线诊断系统构想,对海上电器设备维修自动化工作的开展作出了有益的探索。

主题词:
电器设备维修 自动化 在线诊断技术

一、海上电器设备概况

(一)埕岛油田现状
  胜利埕岛油田是我国第一个大型浅海油田,已开发建成了年产原油200万吨规模。该油田位于渤海湾的浅海、极浅海海域,水深3—15m左右,春冬季多风浪,最大风速33m/s,冬季有30—40cm厚的海冰,气候潮湿,环境温度-25℃~+45℃,相对湿度95%,有盐雾、油雾、霉菌和凝露,油区自然环境和气候条件恶劣。由于海上特殊的环境条件,简易采油平台设计空间有限,因此,从1997年起,海上自动化测控系统开始部分施工,2000年正式投产,实现了井组平台无人值守。

(二)海上电器设备简介
  经过多年建设,埕岛油田形成了一个发电和配电紧密结合、发电供电配电相当完整的电力系统。其中,中心一号平台上装有2台3000kW燃气轮发电机组,5台400KW天然气发电机;中心二号平台上建有一座35kV变电所,容量为2×10000kVA,电源从陆地110KV变电所通过35KV双回路海底电缆向平台供电;各卫星平台主要电器设备有采油变压器、6KV高压控制柜、电潜泵控制柜、400V开关柜、230V开关柜、直流屏、UPS等;海底电缆有三芯和新式的六芯电缆,目前埕岛油田已有35kV海底电缆21km、6kV海底电缆86km。
  随着科学技术的进步,海上电气设备也逐步采用了一些最新产品,科技含量越来越高。如变压器从早期的、直接从陆地移植过来的油浸式变压器,发展到具有无污染、效率高、噪声小、可靠性高、体积小、重量轻、寿命长等优点的干式变压器,又到现在海上普遍采用的一变多控变压器,它扩大了海上丛式井组机械采油方式选择和应用的范围,并为作业换泵或更换泵型提供了方便;6KV高压开关柜从早期的DG-1AF型开关柜(没有凝露加热器、爬距增长器等,且进线及母联开关的高压熔断管接触面小,很容易发热、爆裂),发展到CXGN2-10箱型固定开关柜(加装了凝露加热器,但仍采用高压熔断管),又到十分适应海上特有条件的CKYN-12型金属铠装中置式开关柜。借中心一号平台改造时机,我们还第一次在高压开关柜方面引进了国外产品,选用的是ABB公司生产的设备,这些开关柜也是中置式,结构紧凑,占地面积小,免维护,操作简便。

二、电器设备维修发展方向与海上电器设备维修现状

(一)电器设备维修发展方向
  从电器设备维修历史来看,电器设备的管理和维修方式的发展经历了三个阶段:即早期的事后维修方式(Run-to-Breakdown Maintenance),发展到定期预防维修方式(Time-based-Preventive Maintenance),现在正向视情维修(Condition-based Maintenance)发展,视情维修积极采用无损检测与诊断技术,定量监测设备状态,设备利用充分,在自动化检测软件的配合下,设备失效容易预测。

(二)海上电器设备维修现状
  我公司海上电器设备的维修目前正处在前两个阶段并存的状态:海上停电、停井、电器设备故障均是在故障发生后再组织维修单位前往抢险、维修的,这属于第一阶段——事后维修方式;每年春秋两季海上电网检修属于第二阶段——定期预防维修方式。
  事后维修方式的缺点是显而易见的,以海缆故障为例,从海缆故障造成海上停电开始计算,经中心平台向公司汇报——公司调度室通知维修大队调度室——维修大队组织车辆、人员、用料赶往码头——乘船赶往现场维修,这至少需要一个半小时以上,这还不算现场查找故障点所花时间。按馆陶组油井平均日液能力46t/d计算,加上车船运输、人工费用,整个维修成本就会大大增加。定期维修制度可以预防事故的发生,但可能出现过剩维修或不足维修的弊病,这也容易造成浪费或抢修不及时。
  我公司是一个以海上采油为主要目的的公司,公司走的是油公司路子,与其它的陆地采油厂模式不一样的是,我们公司主要是依托其他单位提供设备维修、维护等,追求的是开采石油产量与效益最大化,这样,在设备维修方面,就要求我们尽量减少设备维修成本,及早发现设备存在的问题,及早地将问题消灭在萌芽中,出现问题时能及时迅速地处理,可以在最短时间内恢复设备运行,减少经济损失。同时,埕岛油田特殊的环境条件以及平台无人值守的两大特色,决定了电器设备维修特点,必须做到两个及时——及时发现故障原因,及时处理故障。因此,现有的维修方式急需改进,需要一种更科学、更合理的维修方式,使电器设备维修向规范化、自动化、智能化发展,这就需要借助目前日益成熟的高科技技术,如国内比较成熟的电力自动化系统技术以及正在大力发展的远程故障诊断技术。

三、电力自动化系统技术

  电力自动化技术是国内已经很成熟的技术。目前,海上CB22系列平台已完成电力自动化改造,中心一号电力自动化改造等二期工程也即将开始施工。它采用了新一代高、低压控制柜,可对高压各用电设备的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、各继电器运行状况、低压设备的主线输入输出电压电流等情况进行实时监控,并可对高压各设备和低压220V、380V主线进行遥控启停,从而实现电力调度。

(一) 系统基本结构
  电力自动化系统包括中心一号平台、613线的22A、22B、25B、22C、22D卫星平台(整套系统的结构拓扑图如下图),考虑到系统的可靠性、稳定性、开放性、以及可扩展性,因此采用分层、分布式结构,最上层为服务器、操作站、通讯前置机,中间层采用ABB RTU作为每个子平台的数据汇总,最下层是测控单元既保护继电器等设备,整套系统从功能及地理区域上划分整套系统可以分为主站系统、子站系统(井组平台)、通讯系统以及SCADA软件。




1、主站系统
  主站系统是整套电力自动化调度系统的核心,主站系统从硬件设备上主要由服务器、工程师工作站、通讯前置机、网络交换机、打印机、UPS组成。主站系统采用双服务器冗余备份,大大提高了系统的可靠性和实时性。主站系统主要功能是实现数据的汇总、处理、存储,人机界面的显示、操作,报表、打印等一系列功能。

2、子站系统
  子站系统包括中心一号平台子站系统、CB22A、CB22B、CB25B、CB22C、CB22D井组平台子站系统。所有的子站系统自成一个体系,完成当地的保护、监视、数据采集、数据汇总等功能,子站系统的核心是RTU,RTU的主要功能是实现对下位设备(继电器、PM500、DC150、MM470、UPS、直流屏等设备)的管理,RTU从下位设备中采集数据,并将所有的数据汇总,然后以通讯的方式上传给通讯前置机,同时,RTU接受通讯前置机下发的指令,并将指令解释后下传给相应的下位设备,实现远方控制和调整。

3、系统软件
  系统软件分为两个部分,一个是中心站软件,一个是卫星平台软件:

(1)中心站软件:
  本套系统中心站软件采用的是山东山大华天科技有限公司开发的DL2001系统。DL2001系统是一个高性能的监控和数据采集系统,它的功能强大,可以灵活地控制海上电网的生产情况。DL2001系统运行在Windows 2000操作环境下,它的主要功能如下:
a.历史数据及事件的记录;
b.实时及历史数据的趋势显示;
c.管理控制不同区域的值(或点);
d.报警显示及管理;
e.按需要组态不同形式的报表;
f.形象地表示现场的画面显示。

(2)卫星平台软件
  卫星平台RTU,首要的功能是连续地串行发送信息,所以当串行通信接口将上次CPU送给它的数据发送完后,产生“发送空”中断,CPU应立刻响应此中断,将新的数据送给串行通信接口,以保证连续发送。串行通信接口的发送速度是较慢的,在串行通信接口自动发送数据时,CPU可以进行数据采集和处理工作。系统采用的软件提供强大的功能,高级诊断能力,可靠的通讯,以及方便易用的界面。其编程采用的是梯形图方式,使用便携机通过MMI口通讯,进行简单的模板和协议设置即可。

(二)系统完成的功能

1、主站系统的功能
  (1)数据采集及控制:通过RTU采集来自现场的模拟量、数字量、脉冲量等,设备对象包括高压CT、PT、保护、直流系统、低压主开关部分、智能电度表等,将采集的有功功率、无功功率、电度、功率因数、电流、电压等数据上传到中心控制室。
  (2)显示:可进行电网一次图、主开关状态、断路器状态显示等。
  (3)通讯状态监视:在主站能够监视到与各子站间的通讯是处于正常、临界、故障的哪种状态。
  (4)报警:系统定义了报警信息,在电网操作时在画面上显示报警信息。系统的报警信息形成报警文件,在计算机上可进行查阅并可随时进行打印。
  (5)打印报表:所有数据库中的数据,包括历史数据在内,都可以被生产报表调用,生产报表格式根据需要编写而成,生产报表每天自动生成,可定时或随时打印。
  (6)趋势显示:对于测量参数值,可进行其趋势的实时观察,如电压、电流、功率、电量曲线等,并可查阅历史曲线图,所绘制的曲线可由计算机打印出来,用于各种分析。

2、子站系统的功能
  现场RTU完成对每座平台数据的采集、计算及现场控制,并采用无线电台系统将其传至中心平台主站,同时RTU还可接收中心平台主站所发来的控制信号,完成电网关键电器设备的遥控操作。数据采集精度可达到0.5%,完全满足生产需要。

(三)系统特点分析
  电力自动化系统有如下特点:

1、软件与硬件分离
  本系统的软件是一套具有独立功能的电力SCADA软件,软件的运行不依赖于任何下位IDE设备,只要下位设备符合通用的通讯归约(包括国际规约和国标)都可以嵌入系统,既保证了设备的兼容性,也保证了以后的扩容、扩建不受硬件厂商的制约。

2、采用分层、分布式机构
  整套系统可以分为中心一号主站系统(服务器、前置机等)、子单元(子平台RTU)、下位IDE设备(包括继电器、电度表、控制单元等)三层,每层的设备都具有独立的运行功能,上位设备的故障不会影响到下为设备的正常运行。例如,如果服务器或者RTU损坏,继电器可以正常运行,对开关柜实现保护和监控。对于电量计量设备,在上位设备损坏的情况下,照常可因进行累积计量,上位设备恢复工作后自动将数据上传。此方式的优点是故障点分散,局部的故障不影响整套系统的正常运向。

3、绝大部分IDE设备采用通讯方式
  除电潜泵监视之外,子平台的其他设备全部采用通讯方式实现监控,采用此方式的主要优点如下:

(1)施工方便
  所有通讯规约相同的设备可以一串联或并联的方式挂到同一条通讯线上,减少了每个设备一条电缆的繁琐。

(2)可靠性高
  由于采用通讯方式,电缆少,故障点就少,同时所有的下位设备都是智能单元,具有独立运行的能力,可以减少由于设备之间的相互影响造成的故障。

(3)维护方便
  由于电缆少,因此维修、检测时相当方便。

(4)扩容简单
  采用通讯方式,之后添加设备时,只要通讯规约一致,就可以挂到同一条线上,既减少了工作量,已不必为增加中间层设备增加开支。

4、系统可靠性极高
  系统的设计选型严格满足海上"三防"要求,子站RTU外壳防护满足NEMA4标准,工作温度范围-30℃--+60℃,满足了海上特殊环境要求。

  虽然电力自动化系统能够对海上电器设备进行前所未有的实时监控,但是它仍然未解决海上电器设备维修滞后的问题。在故障发生时,它只能提供报警、切断等功能,大量的维修工作只能由维修人员在故障发生后乘船赶到现场再来解决,从而导致设备的维修成本仍然很高。这就需要我们进一步的探索在海上平台无人值守情况下,如何实现电器设备维修的实时性、快速性。远程在线诊断技术的出现与发展,无疑为我们的探索提供了一条新的思路。

四、远程在线诊断技术

(一)“设备故障诊断”新概念
  设备故障诊断不是简单的“设备坏了检查出来并修好”,其任务是监视设备的状态,判断其是否正常;预测和诊断设备的故障并消除故障;指导设备的管理和维修。设备故障诊断的目的是:
  1、能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态作出诊断、预防或消除故障,对设备的运行进行必要的指导,提高设备运行的可靠性、安全性和有效性,以期把故障损失降到最低水平。
  2、保证设备发挥最大的设计能力,制定合理的检测维修制度,以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力,延长服役期限和使用寿命,降低设备全寿命周期费用。
  3、通过检测监视、故障分析、性能评估等,为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。
  总起来说,设备故障诊断既要保证设备的安全可靠运行,又要获取更大的经济效益和社会效益。

(二)远程在线诊断系统设计构想
  随着电子技术的进步和传感器技术、计算机技术、信息处理技术、现场总线技术等的发展,在线诊断系统已成为设备维修的一个发展趋势。它的设计方案很多,下面的构想是一种利用Internet的先进方案。大型企业往往与技术实力雄厚的科研院所合作建立远程故障诊断系统,通过Internet与生产企业连接。在企业建立一个实时故障检测系统,及时地发现生产过程的故障,迅速地进行诊断。在本地的故障诊断系统无法解决时,利用Internet访问远程故障诊断中心,通过技术实力雄厚的科研院所来解决这些故障,及时地恢复生产,也有效地实现了技术资源共享。

1、远程故障诊断系统的结构
  远程故障诊断系统主要有数据采集单元、实时监控单元、故障诊断单元及远程故障诊断中心几个部分组成。其系统结构如图所示。




(1)数据采集单元
  数据采集处理的工作主要是由各种各样的采集卡完成的,采集卡主要是各种信号传感器。利用这些传感器获取设备的运行状态参数(各种信号)。这其中既包括采集振动信号,如速度、加速度及位移,也包括采集一些非振动信号如温度及压力等等。同时,数据采集单元也完成一些基本的信号处理工作,即信号处理(交直分离、信号滤波、信号放大)、A/D转换(信号采集)、采样控制、信号预处理(异常值处理及标定),以完成信号采集的基本功能。这些信号参数是判断系统是否正常运行的基本原始数据。

(2)实时监控单元
  实时监控单元通过实时检测监视模块,将数据采集处理单元采集的最底层设备运行状态信息写入设备状态检测数据库,显示模块在屏幕上显示设备的运行状况,对故障进行报警和诊断。同时,在本地无法完成故障诊断功能时,它还要完成与远程故障诊断中心之间的通信,将故障信号转换成可以被远程故障诊断中心可以识别的信号,传到数据库服务器,然后通过Internet将信息传输到远程故障诊断中心,寻求诊断方案。在远程故障诊断中心完成了故障诊断之后,利用Internet接受诊断方案时,实时监控单元还需要接受由数据库服务器接受回来的诊断信息,并将诊断方案显示出来。

(3)远程故障诊断中心
  远程故障诊断中心是该故障诊断系统的核心。主要由知识库、数据库、模糊推理模块、知识库管理系统、维修管理系统和机器学习模块组成。
  模糊推理模块是远程故障诊断系统的核心,主要完成由故障现象寻找故障原因的过程,采用模糊反向推理算法和基于小波分析算法实现多种有效的推理、利于冲突消解策略,按感官与直觉信息设备外诊断到内诊断规则——规则置信度由大到小——规则本身被存储顺序选取。模糊规则的匹配及结论置信度的计算由匹配函数决定,而结论的置信度为规则的前提和数据库事实的匹配值和规则置信度的乘积。
知识库包括规则库、概念库和图形库,是远程诊断系统的知识部分。图形库是推理中提供检验信息的图形集合。概念库是规则的基础,规则降是由概念库自动生成的。知识管理库对知识进行管理和控制,完成对知识的各类操作。随着设备的不断运行,可能出现新的故障或原来的知识库中知识不正确等问题,机器学习就是自动地维修、记录库,发现新的知识来完善原有的知识库。

2、系统的故障诊断处理策略
  基于Internet的远程故障诊断系统,对系统的故障采用二级诊断的结构方式,即本地诊断和远程诊断。
  本地诊断是指系统中的实时故障诊断和系统监测进程,实时地将设备状态信息写入状态检测数据库中。一旦系统发生故障,首先由实时检测监视模块将系统的故障定位到子系统级,并将故障的故障信息实时保存到状态检测数据库中,然后由系统中的本地故障诊断专家系统单元对系统进行诊断。如果本地的故障专家系统单元不能诊断出系统故障原因,则通过远程故障诊断单元进行远程诊断。它的工作过程是运用Internet的E-mail功能向远程故障诊断中心发出故障诊断请求;接到请求后,通过由Internet传输过来的有关故障现象的信息和通过小波变换提取出故障的信号特征;由信号特征曲线并结合故障诊断知识库的信息,运用推理机进行推理,判断出故障。故障诊断系统反馈图如图所示。




3、远程故障诊断系统的功能
  基于Internet的远程故障诊断系统实现了以下几个功能:
(1)远程诊断可实现各地的专家通过Internet异地会诊;
(2)远程诊断可实现全国范围内的诊断知识库和数据库共享,建立全国性的诊断知识库和诊断数据库;
(3)远程诊断可实现系统从生产安装到运行的全寿命管理,为设备运行性能的提高和改善提供可靠的保障;
(4)远程诊断采用Web开放式系统结构,新入网的系统可以共享网上的所有资源,便于技术的普及和推广;
(5)远程诊断能够加强科研院所和生产企业的技术合作,提高企业的生产管理水平和科研院所的技术研究水平。

五、海上电器设备维修自动化前景展望

  目前,在硬件方面,海上已经实施了电力自动化一期工程,二期、三期、四期工程也将陆陆续续开始施工,这样,整个海上电器设备将实现自动化管理,大大提高了电器设备的管理水平。公司海上自动化系统逐渐趋于完善,带有自诊断功能和微机通信接口的元器件也越来越普及。软件方面,分公司的电工培训取得一定成效,拥有《电工特种作业操作证》的采油工(现场紧急操作人员)在逐渐增加;以维修大队电器队为代表的电工队伍经过多年实践,已积累了丰富的维修经验;科研所、设计院、石油大学、青岛海洋大学等科研技术院所的科研技术水平越来越高,紧急判断现场故障并提出维修建议的能力也越来越强。
  当硬件条件成熟时,我们可以建立这样的在线诊断系统:平台、公司调度室、科研院所均能在线实时监控各电器设备的运行情况,当发现设备运行存在出现异常先兆或故障时,可由本地故障诊断系统对其进行分析,遥控指挥平台紧急操作人员对线路、元器件进行预防处理或应急处理;平台人员不能维修的,由维修大队专业技术人员根据监测状况在线指导处理;若诊断情况在线指导仍不能解决问题时,可通过网络请求科研院所的专家诊断系统进行远程诊断。每一次新故障的解决都将充实到诊断数据库中,使数据库不断丰富。这将大大缩短抢修时间,提前处理故障隐患,节约维修费用,将损失减少到最低从而真正达到“视情维修”。
  同时,电力自动化技术和远程故障在线诊断两大技术的综合利用也是实现海上电器设备维修自动化的关键。如22A平台高压进线柜绝缘子老化严重,这时就可通过电力自动化系统对电网负荷的调整,通过22A去25B平台的出线柜返送电,然后利用气象好的时候出海作业更换出现故障的高压开关柜的绝缘子,这样,就在无人值守的情况下,实现了电器设备快速隔离,快速修复的目的,可大大提高电器设备管理水平,提高整个海上电网运行效率,提高油井生产时率,产生最佳经济效益。

六、结束语

  当然,海上电器设备维修自动化系统是一个复杂的、先进的、高技术含量的系统,还没有已建成的海上油田设备维修自动化系统共我们参考,只能靠我们自己不断的探索。要建设一个成功、实用的系统,一定要吸取海上现有自动化系统建设的经验教训;要从长远着眼,技术方案要有一定的前瞻性,充分考虑将来整个系统的整体升级、扩容问题;要建立长期建设规划,分期逐步的实施,既不影响生产进度,又能降低成本。
  以上就是我在为期一年的见习期中对于自动化与电器设备维修问题的观察和思考,有许多地方的想法还不够完整、周到,敬请各位领导、专家批评指正。

参考文献:
1、《应用自动化技术,实现海上油田生产的遥测遥控》——周鲁川/巩亚明(胜利油田有限公司海洋石油开发公司);
2、《设备智能故障诊断与维修支持技术研究》——李俭川/陶利民/胡茑庆/温熙森(国防科技大学机电工程与自动化学院机电工程研究所《仪器仪表学报第3期增刊》);
3、《基于Internet的FW远程故障诊断系统》——袁海华/刘仕华/董雪琴;
4、《设备预知维修与故障诊断系统》——东方振动和噪声技术研究所、北京英维卡泰科技有限公司;
5、《自动控制原理》——胡寿松 主编 国防工业出版社;
6、《现代控制理论》——于长官 主编 哈尔滨工业大学出版社;
7、《现代电器控制》——胡志坤 孙大典 主编 黄河出版社;
8、《电力前沿技术的现状和前景》——郑健超 中国电力科学研究院
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