抽油机井群柔性驱动控制系统的制作方法

本发明涉及抽油机控制装置，特别是涉及到一种抽油机井群柔性驱动控制系统。

背景技术：

油井生产中普遍采用的游梁式抽油机具有“大马拉小车”和负载动态急剧变化的特点，这一特点造成抽油机电机功率因数低、抽油机不平衡馈能损耗大、油井变压器冗余容量大，变压器损耗严重等问题。抽油机系统柔性运行是指当抽油机在遇到负荷变化时，抽油机系统上的驱动力大小变化过程平滑，抽油机曲柄扭矩及功率负荷波动幅度相对较小，波动均匀。柔性运行可以减轻传动齿轮撞击强度和负荷波动对动力源的冲击。

当前国内具有柔性运行特性的技术措施主要包括以下几个方面：1、采用柔性运行驱动设备，例如：高转差驱动电动机的应用。高转差电动机的转差随负荷变化而变化的特性可增加抽油机系统运行时的柔性。但由于依靠的是电动机自身的特性，而电动机的转差范围有限，故依靠电动机特性实现抽油机系统的柔性运行作用是有限的。2、配有变频控制器的抽油机系统也具有一定的柔性运行特性，也可部分实现倒发电能的抑制，但无法同时对倒发电能进行回收和利用，造成了电能的白白浪费。3、应用节能型抽油机。例如：双驴头抽油机、下偏杠铃复合平衡抽油机和弯游梁型抽油机等。节能型抽油机主要是通过改变抽油机的结构形式，达到降低抽油机扭矩因数峰值、降低减速箱最大扭矩峰值、减小整机装机功率的目的，但现场实施困难，无法从电气技术方面实现柔性控制。

以上方式大多以提高单井运行效率为主，尚未以抽油机井群为单位进行整体柔性控制、整体能效最优相关技术的研究。单井单机的控制方式不但成本高，而且信息无法共享，无法集中控制和管理，不利于抽油机群整体的节能和效率的提高。随着计算机和通讯技术的飞速发展，井群控制装置联网也成为很自然的事情。对于井群，如何在确保单井能效最高或液量 最大化的前提下，实现不同井组间能流的有效吸收利用，井群综合能耗最低，并达到生产参数的绿色、无谐波、柔性控制，是目前实现抽油机井群整体优化和节能的关键问题。因此，研究开发抽油机井群集中调参与柔性控制技术，对实现井群的参数跟踪控制，协调多井间的能量分布和流动，达到井群能效最优具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种开发抽油机井群生产参数、电力参数的动态监控系统，构建井群的整体能流分析模型，研发抽油机井群集中柔性控制体系，达到抽油机井群的整体柔性控制和能效最优的目的的抽油机井群柔性驱动控制系统。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：抽油机井群柔性驱动控制系统，该抽油机井群柔性驱动控制系统包括多个单井柔性控制单元和集总控制单元，每个单井柔性控制单元对应连接一个抽油机，每个单井柔性控制单元将单井生产参数、实时状况发送给该集总控制单元，该集总控制单元收集井群中所有单井的数据信息，进行融合、分析计算后输出对应于所有单井的不同的控制参数，分别下达给每个单井柔性控制单元，每个单井柔性控制单元接收到控制参数后，调整其运行模式，按照接收的控制参数运行。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

该运行模式包括井群能效最优、能量波动最小以及井群产液量最大。

所述单井柔性控制单元包括信号检测模块、DSP核心处理模块、控制量输出模块和变频器，该信号检测模块连接于抽油机，检测抽油机的电压信号和电流信号，及表征抽油机运行状态的电机转速与游梁倾角，并将检测到的信号传输给该DSP核心处理模块，该DSP核心处理模块连接于该信号检测模块，将该信号检测模块检测到的模拟信号转换为数字信号，并对该单井进行能耗及系统效率的分析计算，优化出电动机一个周期内的转速分布，然后输出实时控制该变频器的控制信号给该控制量输出模块，该变频器连接于电网和抽油机的电动机，该控制量输出模块连接于该DSP核心处 理模块和该变频器，将该DSP核心处理模块输出的为数字信号的控制信号转换成模拟信号并调理后接在该变频器的控制端，控制该变频器的输出电压与频率，从而实时改变抽油机的电动机的转速，调整电动机的输出功率。

该信号检测模块包括电压传感器、电流传感器、转速传感器和倾角传感器，该电压传感器和该电流传感器位于该变频器的输入端，采集抽油机的电压信号和电流信号，该转速传感器安装在电动机的轴端，采集电动机的转速信号，该倾角传感器安装在抽油机的游梁轴的正上方，采集游梁的倾角信号。

所述单井柔性控制单元还包括连接于该DSP核心处理模块的通信模块，包括无线通信模块和网络通信接口，实现该DSP核心处理模块与上位机及该集总控制单元的通信，上位机连接于该通信模块后，获取抽油机的当前运行参数，并调整所述单井柔性控制单元的控制参数。

所述单井柔性控制单元还包括显示模块，该显示模块连接于该DSP核心处理模块，将抽油机当前的运行参数和控制参数显示出来。

该变频器具有模拟量控制端口，且0-50hz的响应时间不超过3秒。

该DSP核心处理模块采用带有32位浮点处理能力的TMS320F28335DSP。

该集总控制单元包括中央处理模块和集总通信模块，该集总通信模块连接于多个单井柔性控制单元，实现该集总控制单元与多个单井柔性控制单元间的通信，该中央处理模块连接于该集总通信模块，接收到井群中所有单井的数据后，集成优化算法，根据不同目标模式，进行控制优化。

该集总通信模块还连接于油田中央监控系统，实现与油田中央监控系统的通信，该集总通信模块上传井群当前运行状态参数，接收调整井群控制参数的命令。

本发明中的抽油机井群柔性驱动控制系统，以抽油机井群为主要研究对象，涉及一种抽油机井群集中调参和柔性控制系统。与现有技术相比，本发明所提供的技术方案有以下优点：1、抽油机单井的控制为柔性控制，能够减小系统的机械冲击和能量波动，降低电动机的装机容量，提高电动机的工作效率，并能够消除倒发电现象，实现系统的节能。2、井群柔性 驱动控制系统以井群为控制对象，便于实现对井群的集中调参，优化管理，减小了单井单机调控的成本，并实现了井群内信息的共享。3、本发明可以针对井群整体进行目标优化，根据不同的目标模式，如井群能效最优、井群能量波动最小、井群产液量最大等，调整不同的优化控制策略，即设定每口单井的不同的控制参数，以单井柔性控制为手段，实现井群的优化调控。通过本发明的开发与应用，将实现井群整体能效水平的提高，改变以往以单井为主的优化控制模式，达到系统综合节能的目的。

附图说明

图1为本发明的抽油机井群柔性驱动控制系统的一具体实施例的结构图；

图2为本发明的一具体实施例中单井柔性控制单元结构示意图；

图3为本发明的一具体实施例中集总控制单元结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的抽油机井群柔性驱动控制系统的结构图。该抽油机井群柔性驱动控制系统由多个单井柔性控制单元4与一个集总控制单元5组成。

每个单井柔性控制单元4对应连接一个抽油机2，单井柔性控制单元4采用具有32位浮点处理能力的DSP处理器TMS320F28335来实时检测抽油机2运行状态并输出控制量来改变单井柔性控制单元4中变频器11的输出电压与频率，从而实时改变抽油机2的电动机的转速，调整电动机的输出功率，进而使电动机在抽油机剧烈的载荷波动情况下始终处于较高的负载区段，提高电动机的工作效率。另外单井柔性控制单元4还可优化出电动机一个周期内的转速分布曲线，进而使抽油机2的系统达到能效最高或产液量最大等目标。同时，该单井柔性控制单元4还能够实现抽油机2的柔性启动，大大减小抽油机的启动电流，消除冲击。单井柔性控制单元4为抽油 机的控制执行机构。单井柔性控制单元4接收到控制参数后，调整其运行模式，按照接收的控制参数运行，进而从井群的局部和整体角度实现集中调控。该单井柔性控制单元4结合集总控制单元5下达的控制参数和抽油机本身的基本参数，控制抽油机的运行。

集总控制单元5连接于多个单井柔性控制单元4，也是以DSP为核心处理器。集总控制单元5为抽油机井群的中央控制器，它决定整个井群抽油机的运行状态。该集总控制单元5以井群的能效最优、井群能量波动最小或产液量最大为目标，通过对井群内所有抽油机2井的数据集成、融合，分析井群当前的能量分布和流动情况，在保证正常生产和用电质量的前提下，通过算法优化，生成井群的优化控制策略即对应于每口抽油机2的控制参数，实现井群能量分布的调整，同时也调整了井群整体的产能效果。集总控制单元5设定井群能效最优、能量波动最小或井群产液量最大中一种运行模式，集总控制单元5收集井群中所有单井的数据信息，进行融合、分析计算后输出优化的井群控制策略，进行集中调参，即输出对应于所有单井的不同的控制参数，下达给单井柔性控制单元4。

图2为本发明的单井柔性控制单元结构示意图。单井柔性控制单元4数量对应于抽油机2的数量，具体控制抽油机2的运行，不同控制参数对应于不同的运行状态。单井柔性控制单元4是可与上位机12交互，但独立于上位机12运行的智能控制装置。

单井柔性控制单元4包括信号检测模块10、DSP核心处理模块7、控制量输出模块9、通信模块6、显示模块8和变频器11。其中所述的变频器11与井群的三相电网1连接，输出端接抽油机2的电动机3；信号检测模块10、显示模块电路8、控制量输出模块9和通信模块6都接在DSP核心处理模块7上；控制量输出模块9的输出信号接在变频器11的控制端。

信号检测模块10，包括电压传感器、电流传感器、转速传感器和倾角传感器及其调理电路，用于测量抽油机2系统侧的电压信号和电流信号，及表征抽油机运行状态的电机转速与游梁倾角。也就是说，信号检测电路10包含电压信号、电流信号、转速信号和倾角信号的采集与调理。电压、电流信号接在变频器11的入端，通过电压互感器及之后的调理电路转换为 0-3V可以接入DSP核心处理电路7的模拟信号。转速信号通过安装在电动机3轴端的转速测量装置输出脉冲经过光电隔离后接入DSP核心处理模块7。倾角传感器安装在抽油机的游梁轴的正上方，通过串口向DSP核心处理模块7发送游梁的倾角信号。

DSP核心处理模块7，包括数字信号处理器DSP和基于DSP的处理电路，通过D\A转换将信号检测模块10输出的模拟信号转换为数字信号，并通过算法进行能耗及系统效率的分析计算，优化出电动机3一个周期内的转速分布，然后输出实时控制变频器11的控制信号给控制量输出模块9。DSP核心处理模块7是对单井进行的能耗、系统效率、运行状况等的计算分析。另外，通过控制信号使变频器11输出的电源频率递增，既可实现抽油机2的柔性启动，消除启动冲击。

控制量输出模块9，将DSP核心处理模块7输出的数字信号转换成0-5V的模拟信号并调理后接在变频器11的控制端，控制变频器11的输出电压与频率，从而实时改变抽油机2的电动机3的转速，调整电动机3的输出功率，进而使电动机3在抽油机2剧烈的载荷波动情况下始终处于较高的负载区段，提高电动机3的工作效率。

通信模块6，包括无线通信模块和网络通信接口，实现DSP核心处理模块7与上位机12及集总控制单元5的通信。单井柔性控制单元4将单井生产参数、实时状况发送给集总控制单元5，集总控制单元5向单井下达优化的控制参数。单井柔性控制单元4可以与上位机12连接，但可以独立于上位机12运行。上位机12连接单井柔性控制单元4后，可以获取抽油机2的当前运行参数，并可以调整单井柔性控制单元4的控制参数。

显示模块8，将抽油机2当前的运行参数和控制参数显示出来。

变频器11需支持模拟量控制，且响应速度足够快。变频器11具有模拟量控制端口，且0-50hz的响应时间不超过3秒。

图3为本发明的集总控制单元结构示意图。集总控制单元也是基于DSP来实现，包括中央处理模块13和集总通信模块14。

中央处理模块13，集成所有单井数据，分析运算后，输出井群控制策略。中央处理模块13集成优化算法，可根据不同目标模式，进行控制优化。 集总通信模块14，与通信模块6通信将井群控制策略下达到相对应的所有单井，同时实现与油田中央监控系统15的通信，上传井群当前运行状态参数，接收调整井群控制参数等命令。中央处理模块13是从井群角度对整个井群的能耗、效率等参数计算分析。中央处理模块13运行整体的优化算法，计算出适合所设置井群目标的每口单井的控制参数，然后通过集总通信模块下达到各个单井，单井接收到这些控制参数后就按照这些控制参数运行。

集总控制单元的中央处理模块13接收到井群中所有单井的数据后，进行融合、分析，计算出当前井群的生产状况、能效状况及产量，并根据井群的控制目标优化出井群的控制策略，及每口单井的不同的控制参数，并通过集总通信模块14向井群中所有单井下达命令，由单井柔性控制单元根据控制参数具体执行，从而实现井群的集中调参与优化控制。

在一实施例中，井群中所有单井以工频状态运行，能量波动剧烈。出于电网稳定、冲击最小的目的，井群设定能量波动最小为控制目标，则集总控制单元收集所有单井的数据，融合计算后得出所有单井的控制参数。此时，集总控制单元设定所有单井为柔性运行模式，并根据单井不同情况设定不同的柔性目标。通过通信模块传送给井群中每口井的柔性控制单元。单井柔性控制单元接收命令后，DSP核心控制模块启动柔性运行模式。DSP核心控制模块收集信号检测模块采集的实时信息，通过与柔性控制目标的比较运算，再通过控制量输出模块输出合适的电压值，进而控制电动机的转速实时改变。当功率高于柔性控制目标时，输出较低的电压值，降低变频器的输出频率，即降低电动机的转速，也就降低了电动机的功率。通过柔性运行，可使得电动机的功率维持在一个相对稳定的范围之内，波动平缓，系统冲击也减小。该井群柔性驱动控制系统耦合单井与井群能流模型，从井群的局部和整体角度出发进行能效分析，以井群为控制目标，通过合理优化，智能调节单井生产参数，有针对性的提高井群的整体能效，在实现井群的柔性控制和能效最优的同时，综合考虑系统电力质量的变化，并制定相关补偿措施，确保系统用能质量，提高系统运行的附加经济效益。

以上该仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。