數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表檢測(cè)技術(shù)研究

李英杰 （大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心）

大慶油田經(jīng)過60 a 開發(fā)建設(shè)，開采已進(jìn)入特高含水中后期，開發(fā)成本逐年攀升，低油價(jià)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)而顯現(xiàn)，經(jīng)營(yíng)效益不確定因素增多[1-2]。為適應(yīng)改革深化新形勢(shì)，大慶油田自2012 年以來實(shí)施整裝區(qū)域數(shù)字化建設(shè)，轉(zhuǎn)換發(fā)展動(dòng)能，打造競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)方式深刻變革[3]。在產(chǎn)能建設(shè)及老油田改造中對(duì)大、中型站場(chǎng)及偏遠(yuǎn)地區(qū)典型工程實(shí)施數(shù)字化建設(shè)，積極推進(jìn)油氣生產(chǎn)數(shù)字化[4-5]，著力實(shí)施數(shù)字化典型工程。

數(shù)字化油田建設(shè)是實(shí)現(xiàn)油田振興發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措和保障措施[6]，隨著數(shù)字化油田技術(shù)的推廣，應(yīng)用了大量的綜合電量?jī)x表。這些數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表的應(yīng)用為油田精細(xì)分析、超前預(yù)警等提供有力支撐，提高了管理效率和工作效率；同時(shí)，由于數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表功能繁多，因此，對(duì)其相應(yīng)的計(jì)量檢測(cè)和量值溯源提出了更高的要求。

1 背景介紹

數(shù)字化油田使用的綜合電量?jī)x表是一種集多種功能于一體的智能化儀表，主要用于油田、電力、冶金、化工等行業(yè)的電能計(jì)量、監(jiān)測(cè)、管理和控制。它具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性等特點(diǎn)，能夠滿足各種復(fù)雜環(huán)境下的使用需求，對(duì)三相四線制、三相五線制等負(fù)載的各相線電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、線路頻率等參數(shù)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示與控制，并通過RS485 接口或模擬量變送輸出接口對(duì)被測(cè)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)傳。油井的監(jiān)控和管理占據(jù)了油田生產(chǎn)較大部分工作量，其信息化建設(shè)程度直接影響著后期的運(yùn)行和管理模式[7]，傳統(tǒng)有線儀表在使用中有以下幾處缺點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確。傳統(tǒng)有線儀表采用人工巡井方式采集數(shù)據(jù)，是按照規(guī)定的要求、按順序進(jìn)行采集，無法做到數(shù)據(jù)采集工作在同一時(shí)刻完成；由于數(shù)據(jù)采集的不同時(shí)間和季節(jié)負(fù)荷變化，采集來的數(shù)據(jù)在嚴(yán)格意義上來說統(tǒng)計(jì)分析是不準(zhǔn)確的。

2）數(shù)據(jù)采集成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。傳統(tǒng)有線儀表采集數(shù)據(jù)單一，需要種類多樣的儀表采集不同數(shù)據(jù)。由于巡井人員有限，造成工作效率低，采集數(shù)據(jù)成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

3）無法對(duì)井場(chǎng)進(jìn)行有效監(jiān)控。長(zhǎng)期以來，井場(chǎng)和計(jì)量間的監(jiān)察和管理是針對(duì)已發(fā)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行的。當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，要通過后期的全面調(diào)查來找出問題，缺乏針對(duì)性，無法做到對(duì)井場(chǎng)、計(jì)量間進(jìn)行有效監(jiān)控[8]。

4）管理模式落后，缺乏系統(tǒng)地運(yùn)作。由于采用定期人工巡井的粗放式管理模式，并不能對(duì)井場(chǎng)、計(jì)量間等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、統(tǒng)計(jì)與分析、從而做出最優(yōu)決策[9]。

與傳統(tǒng)有線儀表相比，數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表可遠(yuǎn)程在線檢測(cè)儀表狀態(tài)，采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，不需要人工巡檢，極大的減少了生產(chǎn)一線員工的用工量；同時(shí)，通過對(duì)數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性進(jìn)行增強(qiáng)，一旦出現(xiàn)故障能夠很快鎖定目標(biāo)，及時(shí)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)做出應(yīng)急處理，可提高生產(chǎn)安全性，提高油氣生產(chǎn)管理水平，節(jié)省大量人力、物力[10]。

數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表是計(jì)量、保護(hù)、監(jiān)控等系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，在油田數(shù)字化建設(shè)中提供可靠的電量參數(shù)，是其他數(shù)字化儀器儀表可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)；要對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)，保證數(shù)字化油田現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性。因此，強(qiáng)化數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表的管理，是強(qiáng)化數(shù)字化油田管理的根本，是完善量值溯源體系、提高檢測(cè)資源利用效率、避免檢測(cè)裝置重復(fù)建設(shè)、人員隊(duì)伍重復(fù)組建，保障油田儀器儀表精準(zhǔn)運(yùn)行的關(guān)鍵。

2 數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表檢測(cè)

數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表可記錄電壓、電流的最高值、最低值及出現(xiàn)的時(shí)間，記錄每天電壓上限、下限及計(jì)算電壓的合格率，分無線和有線兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，主要形式包括多功能電力儀表、電量采集器、電量變送器等新型儀器儀表。目前油田采用的綜合電量?jī)x表沒有統(tǒng)一的生產(chǎn)規(guī)范，各廠家規(guī)格雜亂、尺寸各異，因而就沒有專用的檢定裝置對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。各計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)在對(duì)綜合電量?jī)x表進(jìn)行檢測(cè)時(shí)主要采用兩種方式進(jìn)行：一種是當(dāng)送檢工作量較小時(shí)，采用手動(dòng)接線進(jìn)行檢測(cè)；另一種是當(dāng)送檢工作量較大時(shí)，專門設(shè)計(jì)適合該單位專用的自動(dòng)化檢定裝置進(jìn)行檢測(cè)。

綜合電量?jī)x表在檢測(cè)過程中主要存在以下幾個(gè)問題：一是部分綜合電量?jī)x表在設(shè)計(jì)開發(fā)中未考慮后續(xù)檢驗(yàn)檢測(cè)工作的需求，沒有相應(yīng)的檢測(cè)端口，不利于檢測(cè)和維護(hù)工作的開展；二是檢測(cè)依據(jù)規(guī)程規(guī)范不完善，不能適應(yīng)綜合電量?jī)x表的檢測(cè)需要；三是由于綜合電量?jī)x表數(shù)量大，沒有配套的自動(dòng)化檢測(cè)裝置，無法進(jìn)行高效的自動(dòng)檢測(cè)。

綜合以上因素，在綜合電量?jī)x表檢定裝置的研究上選擇了負(fù)載能力強(qiáng)的三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表和程控三相功率源，能夠提供輔助電源供電，整體準(zhǔn)確度等級(jí)不低于0.05 級(jí)。三相綜合電量?jī)x表檢定裝置見圖1。

圖1 三相綜合電量?jī)x表檢定裝置Fig.1 Verification device of three-phase comprehensive electricity instrument

以三相綜合電能表檢定裝置為基礎(chǔ)，可完成普通三相三線電能表、三相四線電能表、多功能電能表、電量變送器、三相電量采集器等數(shù)字化油田常見的電能表和綜合電量?jī)x表的檢測(cè)工作。三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表可獨(dú)立作為標(biāo)準(zhǔn)或現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀使用，程控三相功率源是一個(gè)與臺(tái)體分開的可移動(dòng)的獨(dú)立三相電源，電壓、電流為獨(dú)立模塊，帶屏顯，可通過屏幕對(duì)程控三相功率源進(jìn)行操作。臺(tái)體有串口服務(wù)器，可通過計(jì)算機(jī)控制臺(tái)體，提高運(yùn)行速度。

為滿足數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表的檢測(cè)需要，分別設(shè)計(jì)了兩種專用檢測(cè)表架臺(tái)體：一種是用于檢測(cè)多功能電力儀表的表架臺(tái)體見圖2a，此種表架臺(tái)體適用于兩種接線方式的綜合電量?jī)x表檢測(cè)（見圖3）；另一種是用于檢測(cè)綜合電量采集器的表架臺(tái)體見圖2b，此種表架臺(tái)體適用圖2b 中所示綜合電量采集器的檢測(cè)工作。此外，考慮以后其他類似儀表的檢測(cè)，還預(yù)留了擴(kuò)展電流電壓接口，方便更新升級(jí)。

圖2 綜合電量?jī)x表兩種檢測(cè)表架臺(tái)體Fig.2 Two kinds of test meter frame for comprehensive electricity meter

圖3 常見的綜合電量?jī)x表Fig.3 Common comprehensive electricity instrument

圖3a 所示綜合電量?jī)x表采用直接壓接的接線方式，接線端子的接線方式見圖4a。接線端子可自由定義電壓、電流、脈沖信號(hào)、電源等端子的接線順序，方便連接。同時(shí)端子接觸面采用麻點(diǎn)設(shè)計(jì)，增加了接觸面積，也起到了防止錯(cuò)位虛接的作用。四個(gè)緊固件可在上下左右四個(gè)方向調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同尺寸儀表的檢測(cè)工作。

圖4 接線端子的接線方式Fig.4 Wiring mode of the terminal

圖3b 所示綜合電量?jī)x表采用端子排直接插拔的接線方式，接線端子地接線方式見圖4b。接線端子也可自由定義電壓、電流、脈沖信號(hào)、電源等端子的接線順序，方便連接。

數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表主要采用ZigBee 和WIA-PA 兩種技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)從單井傳送至井場(chǎng)RTU。如果使用的是ZigBee 儀表，則通過公網(wǎng)4G 進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸；如果采用WIA-PA 儀表，則通過WIA-PA 技術(shù)進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，然后通過有線傳輸方式上傳到數(shù)據(jù)所需地點(diǎn)。RTU 具有擴(kuò)展性，在外電源失效時(shí)，存儲(chǔ)器中的程序和數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)具有時(shí)間標(biāo)簽，能夠遠(yuǎn)程和就地編制、修改測(cè)試程序，具有故障自診斷并發(fā)出報(bào)警的功能。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建符合WIA-PA 和ZigBee 兩種技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，數(shù)字化儀表無線數(shù)據(jù)讀取裝置見圖5。

圖5 數(shù)字化儀表無線數(shù)據(jù)讀取裝置Fig.5 Reading device of digital instrument wireless data

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表與RTU 設(shè)備、RTU 設(shè)備與工控機(jī)之間的無線通信，并通過組態(tài)軟件實(shí)時(shí)顯示、記錄數(shù)據(jù)的功能。RTU 設(shè)備負(fù)責(zé)采集電壓、電流、功率等電參數(shù)據(jù)，同時(shí)將匯集的數(shù)據(jù)上傳至主線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)接入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的服務(wù)器，以便在電腦上實(shí)時(shí)顯示、記錄數(shù)據(jù)，這樣就可以與綜合電量?jī)x表檢定裝置配合，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等電參數(shù)據(jù)的在無線傳輸情況下的全自動(dòng)化檢測(cè)。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)研究

為保證儀器儀表的準(zhǔn)確可靠，所有計(jì)量?jī)x表必須進(jìn)行首次檢測(cè)（安裝前） 及周期檢測(cè)（安裝后）[11]；但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室綜合電量?jī)x表檢定裝置和數(shù)據(jù)讀取裝置只能對(duì)數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表以拆卸送檢的方式進(jìn)行檢測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中每一塊表都有電子身份信息，檢測(cè)過程中要注意保存數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表的原有配置信息，檢測(cè)完畢現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)位置不能改變，儀表信息要重新配對(duì)，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員和通訊技術(shù)手段提出了很高的要求。

數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中只是一次測(cè)量部分，沒有顯示和處理數(shù)據(jù)部分。在檢定時(shí)就需要計(jì)算機(jī)或手抄器等終端設(shè)備的配合，方能完成檢定工作。同時(shí)，新型數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表集成化程度越來越高，例如，以前的儀表功能單一，電壓、電流、功率、電能等都是分開計(jì)量的，現(xiàn)在的數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表都是將不同功能、不同種類的計(jì)量?jī)x表甚至不同專業(yè)的計(jì)量?jī)x表集中在一起。這些數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表在檢測(cè)時(shí)每個(gè)單獨(dú)的功能都有相應(yīng)的規(guī)程和規(guī)范，但這些功能集中在一塊表上時(shí)，就沒有統(tǒng)一的規(guī)程或規(guī)范；有時(shí)一塊儀表的功能涉及到不同的計(jì)量專業(yè)，在出證時(shí)還有一表多證的情況，這就涉及到了多個(gè)專業(yè)聯(lián)合檢定的問題。數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表檢測(cè)模式見圖6。

圖6 數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表檢測(cè)模式Fig.6 Detection mode of comprehensive electricity instrument for digital oilfield

將電參數(shù)綜合測(cè)試儀接入RTU 電參數(shù)采集端子，或者用電壓鉗、電流鉗接入配電箱內(nèi)空氣開關(guān)端子，通過計(jì)算機(jī)軟件讀取RTU 自帶電量參數(shù)與綜合測(cè)試儀采集電量參數(shù)進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)，實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)并儲(chǔ)存綜合電量?jī)x表的電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，完成數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表全參數(shù)比對(duì)。通過計(jì)算機(jī)軟件讀取RTU 采集到的數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表的比對(duì)數(shù)據(jù)見圖7，通過數(shù)據(jù)采集比對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表不拆卸在線檢測(cè)，形成適應(yīng)數(shù)字化油田運(yùn)行的儀表檢測(cè)運(yùn)維新模式，能夠降低維護(hù)檢測(cè)成本，有效保證數(shù)字化油田現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提升數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表檢測(cè)能力、檢測(cè)效率，最大限度降低對(duì)生產(chǎn)的影響。

圖7 數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表比對(duì)數(shù)據(jù)Fig.7 Comparison data of comprehensive electricity instrument for digital oilfield

4 結(jié)束語(yǔ)

通過研究數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表檢測(cè)技術(shù)，得到了切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，確保了綜合電量?jī)x表的量值傳遞和溯源，保障了其性能的準(zhǔn)確和可靠。這一檢測(cè)技術(shù)不僅為數(shù)字化油田的發(fā)展提供了有力支持，也為其他類似設(shè)備的檢測(cè)帶來了新的思路和方法。

將繼續(xù)深入研究并完善數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表檢測(cè)技術(shù)，以滿足數(shù)字化油田的發(fā)展需求。通過對(duì)數(shù)字化油田綜合電量?jī)x表檢測(cè)技術(shù)的研究，分區(qū)塊、系統(tǒng)的、全面的評(píng)價(jià)數(shù)字化油田計(jì)量性能的可靠性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性，提升數(shù)字化油田管理效率和工作效率，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和效益的最大化。