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基于电力线通信的油田伺服电机群远程监控系统的研究

发布日期:2012-03-29   作者:华北电力大学电气与电子工程学院 范佳兴 罗应立 卢文冰   浏览次数:50327
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【摘   要】:伺服电机用于油田抽油机驱动,节能效果明显。作者所在课题组将电力线工频通信技术和低压电力线载波通信技术相结合,进一步研制了油田伺服电机群远程监控系统。论文介绍了该系统的组成及依靠电力线实现远程监控的基本方法。该系统已经用于现场,以较低的成本实现了对油田伺服电机群的监控管理。

1引言
  伺服电机具有无级调速和软启动等优点,作为游梁式抽油机的驱动部件有明显的节能效果[1],在油田有较大的应用空间。针对此,作者所在课题组在近几年成功研制通过油田6kV供电线路传输在线信息的工频通信系统之后,进一步将其和低压电力线载波通信技术相结合,对在油田已经投入运行而缺乏远程监测的伺服电机群,研制了伺服电机群远程监控系统。该系统能够通过伺服电机控制器的通信接口,实现对伺服电机和抽油机运行工况的远程监控,同时完成间歇采油远程控制。本文介绍了该系统的基本结构、简单介绍监测信息传输通道及依靠电力线实现远程监控的基本方法,并提供了通过该系统传输的终端数据绘制抽油机示功图的实例。该系统已经用于现场,以较低的成本实现了对油田伺服电机群的监控管理。
2油田伺服电机群远程监控系统的结构
  油田配电网是由油田供电网中6kV或10kV母线引出的线路、配电变压器和0.4kV低压线路所组成的电力网络。一般情况下,每台配电变压器为多台伺服电机供电,只有少数配电变压器是为单台伺服电机供电。
  通过电力线传输监控信息具有成本低、安装方便等优点。针对油田电网的信道特性,采用自适应信号时域等手段,能够保证监控数据通过电力线工频通信技术可靠传输[2]。在此基础上,本文所述基于电力线通信的油田伺服电机群远程监控系统结构如图1所示,为每台伺服电机控制器都安装1台伺服电机监控终端。从设备成本考虑,配电变压器低压侧的数据传输通过低压电力线载波通信技术实现,变压器低压侧与变电所之间数据传输通过电力线工频通信技术实现。 
       

                 图1 伺服电机群远程监控系统
  远程监控终端与具有数字通信接口的伺服电机控制器交换信息,这样就能够通过电力线接收来自后台的控制命令,实现伺服电机的启、停控制,同时还可以采集伺服电机的电气参数。除了监测电压、电流、功率等数据外,该系统还基于Morlet复小波计算抽油机一个冲程内的连续短间隔电气参数,为通过电气数据绘制油井示功图提供依据。图1给出了伺服电机
群远程监控系统结构图。
3伺服电机群远程监控系统的信息传输通道
  伺服电机监控终端与变电所的通信以电力线工频通信技术和低压电力线载波通信技术实现。低压电力线载波通信技术的应用已经比较成熟,因此伺服电机群远程监系统信息传输的关键就在于电力线工频通信的可靠性。
  电力线工频通信技术通过电压过零附近的畸变信号来实现信息的传输,传统的解调方式以本地电压过零为基准进行解调。在油田配电网中,工频通信收发端的电压相位差较大,而且部分油井使用Dyn11配电变压器。以本地电压过零为基准进行解调,会出现接收时域与信号实际时域的偏差,从而影响通信性能[3]。
  针对此,参考文献[4]提出的方法,通过多周期前导信息的信号叠加合成增强畸变信号成份,通过时频分析来确定畸变信号的时域,然后基于互相关技术实现数据解调。
工频通信的信号检测以MCU和16位A/D转换器为平台来实现,对于频率成份 而言,离散化的能量时间分布特性为:

  S(n)为工频电压采样信号,每个工频周期采样200次,计算长度l选择为192个采样间隔,Q(n,w)为在频率成份 的离散化的短距傅里叶变换自谱窗函数,短时傅立叶变换的计算长度p选择为48个采样间隔。
  根据工频畸变信号的频率范围,根据式(1)和式(2)得出的能量时间分布特性能够得到畸变信号峰值时刻与本地电压过零的时差△,这就是工频通信信号收发端的电压过零时差。
当信号的调制时域确定后,由于畸变信号的大致波形能够事先确定,本文选择离散化的参考信号为v(n),N为工频周期长度(200个采样间隔),M为畸变信号时长(32个采样间隔),这样根据调制编码,通过式(3)可以进行信号检测:

  是相关时延,S(n)- S(n-N)是前后周期的电压采样信号作差,由于工频电压畸变信号采用曼彻斯特编码,这样可以抑制工频基波而突出畸变信号。
在传统工频通信方式中,λ选择为0,这样就会出现解调时域偏差,严重影响通信性能。本文根据时频分析手段获得了△参数,相关时延λ可以选择为△,通过判断R(△)的正负实现数据解调,由于解调时域与信号调制时域一致,工频通信性能大大提高,能够保证在油田电网可靠传输数据。
4伺服电机群远程监控系统的主要功能
  (1)伺服电机的遥控启停
  我国石油开采的主要手段是抽油机抽汲,进入开采中后期后,会出现油层供液能力不足,有时还会出现所谓的泵空。这不仅会造成设备的损坏,还导致了电能的大量浪费。为了提高抽油机工作效率,减少电能浪费,最直接有效的方法就是抽油机间歇采油。
通过伺服电机控制器的通信接口,本文所述的伺服电机群远程监控系统就可以在变电所实现对伺服电机的各项操作。可以远程调整伺服电机的运行速度,远程实现伺服电机工作模式设置,远程实现伺服电机的启动和停机,这为间歇采油提供了方便的控制方式。
  (2)抽油机运行状态监测
  对抽油机运行状态的监测一般是通过测试仪器现场采集示功图等数据实现。示功图测试仪器昂贵且操作繁琐。油田单位已经研究出通过抽油机一个冲程内连续短时域电流参数的变化来模拟油井示功图的方法,前提条件是短时域电流参数必需准确。
由于油田电网的频率不如公共电网稳定,且谐波成份较高,当计算短时域的电流基波参数时,如采用傅里叶算法进行计算,会存在较大的误差。基于短窗Morlet复小波来进行抽油机冲程内连续电流基波参数计算,能够大大提高计算精度[5]。
信号f(t)的小波变换为[6]:

离散化的Morlet复小波母函数为:

  其中,k为工频频率的谐波次数,计算间隔为m个工频周期,每周期内电流信号的采样点数为N,μ为高频衰减系数,ε为幅值系数;当k=1时,即为计算工频基波的电流信号参数,这样就可以得到电流的基波幅值及相位。
  图2所示为油田企业根据本系统所传输的电气数据模拟出的示功图与现场实测示功图。示功图的横坐标表示的是抽油机横梁前端垂直位置,即通常所说的悬点位移,单位为米,最低点的位移为零;纵坐标表示悬点所受到的向下的拉力,即悬点载荷,单位为kN(千牛顿)。图2a)为模拟示功图,最大载荷32.51kN,最小载荷8.95kN;图2b)为实测示功图,最大载荷31.45kN,最小载荷9.72kN。模拟示功图与实测示功图的最大、最小载荷相差不大,并且模拟示功图与实测示功图符合的比较好。经过多次检验,用电气数据模拟的示功图,均可达到理想的效果。


                        a)电气数据模拟示功图                                                              b)实测示功图
                                          图2 抽油机示功图
5结束语
  基于电力线通信的油田伺服电机群远程监控系统,除了能够实现对伺服电机常规电气数据的采集,还可连续采集绘制示功图所需的电气数据。通过伺服电机控制器的通信接口,还可以远程实现伺服电机启动、停机和工作模式设置,为间歇采油提供便利。所采集数据还可以作为配电网优化运行的依据。这能为油田的高效生产和节能起到重要作用。
作者简介
范佳兴 (1984-) 男 研究生,就读于华北电力大学电气与电子工程学院,研究方向为电机
控制及节能技术。
罗应立 (1945-)男 教授,博士生导师,从事电机理论、运行及特殊电机等方面的研究。
参考文献
[1]李东红.伺服电机在油田抽油井上的应用[J].油气田地面工程,2011,30(8):78-79.
[2]卢文冰.用于电机群远程监控的电力线通信关键技术研究[D].北京:华北电力大学,2011.
[3]卢文冰,罗应立,闫迎等.电力线双向工频通信信号传输特性的仿真及现场应用研究[J].电网技术,2011,35(4):188-193.
[4]卢文冰,罗应立,闫迎等.基于时频分析与互相关技术的工频通信下行解调[J].电工技术学报,2011,26(4):192-199.
[5]Yan Ying,Luo YingLi,Lu WenBing,et al. Calculation of the electrical parameters for asynchronous motors under the periodically variable running condition[C]. Proceedings of the Computational Intelligence and Natural Computing Proceedings (CINC),2010:244-248.
[6]苏鹏声,王欢.短窗Morlet复小波用于电力系统信号处理的探讨[J].电力系统自动化,2004,28(9):36-42.
 
 
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