一种智能抽油机控制系统及方法与流程

本发明涉及智能化控制，特别涉及一种智能抽油机控制系统及方法。

背景技术：

1、在石油资源的开采中，抽油机是一种常见的采油设备，俗称“磕头机”。抽油机是有杆抽油系统中最主要举升设备；根据是否有游梁，抽油机可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机；其中游梁式抽油机的工作原理是：由动力机供给动力，经减速器将动力机的高速转动变为抽油机曲柄的低速转动，并由曲柄-连杆-游梁机构将旋转运动变为抽油机驴头的上、下往复运动，经悬绳器总成带动深井泵工作；为改善抽油机的运动性能，提高节能效果，减少整机重量和占地面积，近年在油田现场应用的无游梁式抽油机主要有链条抽油机和钢绳抽油机。无论是游梁式抽油机还是无游梁式抽油机用量大且耗能高，约占油田总用电量的70％，是影响油田采油成本的重要因素。

2、随着新能源技术的不断发展和进步，为解决抽油机长期处于高耗电、高排碳的问题提供了有效的一个解决路径。例如：大庆油田是我国最大的油田，位于松辽平原中部，由萨尔图、杏树岗等油气田组成。进入新时期后，大庆油田建设起太阳能光伏发电。大庆是我国太阳能资源二类地区，日照时间较长，空气清洁良好，并且大庆油田采油作业都位于野外，地势较平坦，没有高大遮挡物，非常适合太阳能光伏发电的架设。现阶段大庆油田已经建成较为完善的光伏发电矩阵以及企业供电网络，油田共计有不同电压等级的变电所300余座，为光伏发电的电量送出与消纳提供了非常理想的条件；通过将高耗能设备更换为光伏发电系统，以实现大幅节能减排的目标，1mw的光伏发电站每年可节省等价替代煤140吨，二氧化碳、二氧化硫及氮氧化合物排放皆有不同程度降低。但是现有的新能源发电系统还无法与抽油机达到良好的契合，导致新能源发电系统无法为抽油机提供稳定且可靠的电能。

3、现有技术一，申请号：cn200910031664.3公开了一种新能源抽油机，电机驱动抽油机工作，设有太阳能发电装置和风能发电装置至少之一、控制系统和蓄电池，控制系统控制太阳能发电装置和风能发电装置至少之一供给电机所需电能，且控制系统控制太阳能发电装置和风能发电装置至少之一将多余电能贮存到蓄电池中，当太阳能发电装置和风能发电装置至少之一供给电机的电能不足时，控制器控制蓄电池供电给电机，可以保证抽油机连续不间断工作，虽然环保无污染，并可以节约大量的油和煤资源；但是其结构较为简单，功能较为简单，没有实现新能源系统的智能化控制，无法保证为抽油机提供充足且稳定的电能。

4、现有技术二，申请号：cn202210823799.9公开了一种混合新能源液压抽油机，针对目前油田抽油机能耗高、效率低的问题，提出了混合新能源液压抽油机。采用新能源与市电两路动力源，液压系统作为传动机构驱动抽油机的结构形成混合新能源液压抽油机系统；虽然采用新能源与市电双动力源的形式，可以在保证本系统连续稳定运行的前提下最大程度节能；也采用液压传动使得抽油机冲速及功率可调并能有效抑制负扭矩问题，具有低能耗、效率高且可控性高等优点；但是依然需要市电的支持，不能做到对新能源电能的高效利用。

5、现有技术三，申请号：cn201410409690.6公开了一种节能型抽油机，包括塔架式抽油机、发电机组和能量转换、存储与变频控制系统，发电机组与能量转换、存储与变频控制系统通过发电回馈线路相连接，能量转换、存储与变频控制系统与塔架式抽油机通过电源线相连接；塔架式抽油机包括支撑塔架和顶部平台，发电机组包括安装在顶部平台顶端的太阳能板发电机组和安装在支撑塔架上的风力发电机组，能量转换、存储与变频控制系统包括整流器、蓄电池和逆变器，整流器将发电机组的电能转化为直流电后存储到蓄电池中，逆变器则将蓄电池中的电能转化为交流电后供给塔架式抽油机的驱动电机。虽然既节约了大量的油田电能、降低了采油成本，又起到了利用新能源、环保和节能的效果；但是其需要储能无疑增加了使用成本，而且对多余的新能源很容易造成损耗。

6、目前现有技术一、现有技术二及现有技术三存在现有抽油机耗能较大，且其新能源的相关控制系统功能较为简单，不能做到新能源电能高效利用的问题，因而，本发明提供一种智能抽油机控制系统及方法，通过太阳能及风力发电等对井场设备进行改造，实现智能采油及降低用电成本。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种智能抽油机控制系统，包含：

2、新能源发电子系统，负责通过新能源发电设备实现新能源的能量转换，通过逆变器实现直流电到交流电的转变，将转换后的交流电传输至电能汇集控制子系统；

3、电能汇集控制子系统，负责接收和汇集来自若干新能源发电设备的交流电，监测电能产生、传输及使用情况，实现对电能的远程监控及控制；

4、油井智慧控制子系统，负责利用电能汇集控制子系统分配的电能，对油井场的多个设备进行控制，及设备数据的处理；展示油井场监测各项数据，通过整理、分析、编译及占比图形式进行统计，实时预警分析及报警推送，调度中心和管理者能实时掌握油井场的安全生产实时情况。

5、可选的，新能源发电子系统，包含：

6、设备位置确定模块，负责按照周期性设置，采集新能源发电设备周边的新能源信息，得到新能源发电设备与新能源的位置关系，确定新能源发电设备的位置；

7、电压转变及补偿模块，负责通过逆变器将新能源发电设备采集的电能进行转变，得到转变后符合油井场设备电压的交流电；当转变后的电压超出电压等级阈值时，每个电压等级阈值区间对应一个电压补偿状态，不同的电压补偿状态由晶闸管桥中晶闸管不同的通断组合状态控制并联电容器，通过调整电容器承受电压改变逆变器输出的电压的补偿容量；

8、电能线路汇集模块，负责汇集与逆变器连接输电线路的来自新能源发电设备的电能，传输至电能汇集控制子系统，由电能汇集控制子系统分配电能至抽油机、油井场设备及电网供电。

9、可选的，电能汇集控制子系统，包含：

10、程序设置模块，负责按照预设应用程序接收信息，信息包含若干新能源发电设备的身份标识、产生电能的第一数量、电能传输的第二数量、电能未传输的数量、远程监控及控制指令，每一个信息对应一个特定的预设应用程序，预设应用程序的启动由操作人员控制或根据预设时间节点控制；

11、信息识别模块，负责监测预设应用程序接收到信息，则对信息进行识别，通过net控件监测信息的内容是否有数据变化，存在数据变化，根据信息的具体内容进行记录并存储；

12、数据分析模块，负责对变化的数据进行分析，将分析结果发送至油井智慧控制子系统进行可视化，若变化的数据触发预警，则按照程序进行报警。

13、可选的，油井智慧控制子系统，包含：

14、等级划分模块，负责获取抽油机及所有油井场设备的功率，其中所有油井场设备指的时除了抽油机的其他油井场设备，并根据重要性划分等级，建立等级与抽油机及所有油井场设备身份标识的联系；其中，其他油井场设备包含：照明设备、拍照设备、录像设备、远程喊话设备、有害气体监测设备、偷油漏油监测设备、不工作报警设备、功率数据监测设备、皮带断裂监测设备、电机发热预警设备及ai智能识别设备；

15、端口设置模块，负责启动抽油机及所有油井场设备的内电源，内电源用于激活抽油机及所有油井场设备的控制端口及输出端口，控制端口用于获取抽油机及所有油井场设备的活动信号，输出端口用于输出抽油机及所有油井场设备的功率信号，根据功率信号对电能进行分配；

16、信号分析模块，负责通过对活动信号及功率信号分析，得到抽油机及所有油井场设备的运行状态数据，将运行状态数据进行可视化处理，同时实现运行状态数据的预警分析及报警推送。

17、可选的，端口设置模块，包含：

18、功率比对子模块，负责根据功率信号获知抽油机及所有油井场设备是否处于运行状态，若处在运行状态，根据等级依次获取抽油机及所有油井场设备的当前运行功率，将当前运行功率与额定功率进行比对；

19、设备排序子模块，负责计算当前运行功率与额定功率的差值，按照等级及差值对抽油机及所有油井场设备进行排序，其中抽油机的排序保持第一位，所有油井场设备的等级的排序优于差值的排序；

20、电能分配子模块，负责获取电能汇集控制子系统分配的电能，计算出抽油机及所有油井场设备的电能差值，按照排序将电能进行分配，电能差值的计算根据功率差值与功率采集时间间隔相乘得到。

21、可选的，信号分析模块，包含：

22、信号转换子模块，负责获取活动信号及功率信号，将活动信号及功率信号进行模数转换，得到数字化的活动信号及功率信号；

23、可视化处理子模块，负责形成由活动信号及功率信号组成运行状态数据，以抽油机及油井场设备的身份标识为横坐标，以功率信号为纵坐标，额定功率为参照，活动信号触发功率信号可视化处理；

24、故障分析子模块，负责当功率信号的坐标值低于额定功率时，当前的功率值显示为红色，同时触发预警分析，得到当前功率值的身份标识，并形成功率故障分析，将身份标识及功率故障分析打包作为报警推送至终端。

25、可选的，油井智慧控制子系统，还包含：

26、周率平衡模块，负责使用变频器，变频器内采用埃莫快速软开关技术fasst，并建立针对抽油机的电机模型，结合内部的储能单元，在抽油机正常工作时，将负转矩势能量进行转换储能，再为电机提供动力；根据抽油机行程进行电流匹配，自动识别进行频率调节；

27、电机增程模块，负责将三相异步电机替换为稀土永磁电机，稀土永磁电机转子上装有稀土永磁磁钢，产生固有的转子磁场，转子转速等于定子旋转磁场的转速；

28、盘根盒控制模块，负责对抽油机的活塞杆进行密封。

29、可选的，油井智慧控制子系统，还包含：

30、第一智能识别模块，负责通过油压设备对输油管道进行实时监测，当油压变化超出阈值时进行报警操作，实时监测井口的漏油及漏水等情况，自动将信息上传至终端处理，实时将信息传输至调度指挥室；

31、第二智能识别模块，负责通过物联网技术，将油井场的各个生产系统的实时工作状态利用组态的方式显示在大屏上，并能通过移动端应用，查看安全生产经营情况以及完成相应的调度工作；采集风险预警防控数据，通过分析，对现场人的不安全行为、物的不安全状态、管理缺陷及环境的不安全因素进行识别；

32、气体监测设备模块，负责实时监测井场空气中有害气体的含量，当超出预设浓度阈值时，监测设备会进行本地声光报警，并通过4g/5g无线网络发送多种远程报警信息，如指挥中心的计算机终端，负责人或管理者的手机app，直接拨打负责人的语音电话以及对关联手机发送短信。

33、本发明提供的一种智能抽油机控制方法，包含以下步骤：

34、通过新能源发电设备实现新能源的能量转换，通过逆变器实现直流电到交流电的转变，将转换后的交流电传输至电能汇集控制子系统；

35、接收和汇集来自若干新能源发电设备的交流电，监测电能产生、传输及使用情况，实现对电能的远程监控及控制；

36、利用电能汇集控制子系统分配的电能，对油井场的多个设备进行控制，及设备数据的处理；展示油井场监测各项数据，通过整理、分析、编译及占比图等形式进行统计，实时预警分析及报警推送，调度中心和管理者能实时掌握油井场的安全生产实时情况。

37、可选的，将转换后的交流电传输至电能汇集控制子系统的过程，包含以下步骤：

38、按照周期性设置，采集新能源发电设备周边的新能源信息，得到新能源发电设备与新能源的位置关系，确定新能源发电设备的位置；计算风能发电量和太阳能发电量的理论值和实际值的能量偏差值，使用能量偏差值推导光照入射角度对风能发电量和太阳能发电量的影响，确定风力发电设备和太阳能发电设备的最佳位置比；

39、通过逆变器将新能源发电设备采集的电能进行转变，得到转变后符合油井场设备电压的交流电；当转变后的电压超出电压等级阈值时，每个电压等级阈值区间对应一个电压补偿状态，不同的电压补偿状态由晶闸管桥中晶闸管不同的通断组合状态控制并联电容器，通过调整电容器承受电压改变逆变器输出的电压的补偿容量；

40、汇集与逆变器连接输电线路的来自新能源发电设备的电能，传输至电能汇集控制子系统，由电能汇集控制子系统分配电能至抽油机、油井场设备及电网供电。

41、本发明的新能源发电子系统通过新能源发电设备实现新能源的能量转换，通过逆变器实现直流电到交流电的转变，将转换后的交流电传输至电能汇集控制子系统；电能汇集控制子系统接收和汇集来自若干新能源发电设备的交流电，监测电能产生、传输及使用情况，实现对电能的远程监控及控制；油井智慧控制子系统利用电能汇集控制子系统分配的电能，对油井场的多个设备进行控制，及设备数据的处理；展示油井场监测各项数据，通过整理、分析、编译及占比图等形式进行统计，实时预警分析及报警推送，调度中心和管理者能实时掌握油井场的安全生产实时情况；上述方案提高能源利用效率：新能源发电子系统能够将可再生能源转换为电能，实现能源的有效利用。通过使用新能源发电设备和逆变器等组件，能够最大程度地捕捉和转换可再生能源，提高能源的利用效率；降低环境影响：新能源发电子系统主要利用可再生能源发电，如太阳能、风能等，相比传统的化石燃料发电方式，可以减少大量的温室气体排放和空气污染物的产生，从而降低对环境的影响，促进可持续发展；实现电能的集中控制和管理：电能汇集控制子系统能够接收和汇集来自多个新能源发电设备的电能，实现对电能的集中控制和管理；通过监测电能的产生、传输和使用情况，可以实时监控电能系统的运行状态，进行故障诊断和预测，提高电能的稳定性和可靠性；实现对油井设备的智能控制：油井智慧控制子系统利用电能汇集控制子系统分配的电能，对油井的多个设备进行控制。通过实现对油井设备的智能化控制，可以提高油井生产效率和安全性，减少人工干预和操作风险。本实施例能够促进新能源的利用和推广，降低对环境的影响，提高能源利用效率，实现电能的集中控制和管理，同时提高油井设备的智能化控制和生产效率，为可持续发展和能源转型做出贡献。

42、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

43、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。