断续供电节能控制中电动机断电时刻准确判定方法
【专利摘要】本发明属于电动机节能控制技术领域，尤其涉及一种断续供电节能控制中电动机断电时刻准确判定方法，在很难对抽油机复杂系统建立准确数学模型前提下，提出基于模糊控制的断电时刻判定方法及相应控制策略，该策略包括负荷曲线特征量辨识、断电方式选择、模糊集划分及模糊控制实施四个主要环节，首先对负荷曲线变化特点、周期、电动和发电工况持续时间进行自动辨识并记录一个完整周期的功率曲线；其次根据辨识结果选择最合理的断续供电控制方式，由模糊控制方法准确判定断电时刻，此控制方法能够自动响应负荷波动。通过大量现场实测数据表明，采用文中模糊控制方法，能够在适应负荷动态波动的基础上准确判定断电时刻且节电率达到15％以上。
【专利说明】
断续供电节能控制中电动机断电时刻准确判定方法
技术领域
[0001] 本发明属于电动机节能控制技术领域，尤其设及一种断续供电节能控制中电动机 断电时刻准确判定方法。
【背景技术】
[0002] 国内外油田采油设备多为游梁式抽油机，当电动机驱动此类负荷时，在抽油机上 冲程过程中电机通常处于重载，下冲程过程中由于抽油杆及液柱重力的作用，电机会进入 轻载甚至发电工况。针对运种周期性势能负载的特点，已有大量文献从不同节能机理角度 出发，提出并研究多种针对抽油机电机系统的节能技术。运些节能技术从运行方式上大致 可分为两个方面，一种是基本不改变抽油机冲次，通过提高电机运行效率及线路功率因数 实现节能，包括断续供电、调压节能、星角转换、电容补偿、高效电机、直线电机等;另一种是 结合井下液面及供液量等情况，通过控制电机或使用不同功能电机等方式，进而改变抽油 机冲次达到节能目的，包括多速电机、变频调速、超高转差率电机、间抽等。
[0003] 其中断续供电技术在油田已经得到广泛的应用，其设计出发点为:针对游梁式抽 油机电机的一个机械周期中，异步电机的运行工况不断在重载、轻载W及电动和发电工况 之间转换的特点，采用在发电区域断电电源，电动区域时接通电源的控制方式实现节能控 审IJ，其主要控制环节及其特点如下：
[0004] 1)当所处在发电和轻载状态断开电机电源，此时电机的绕组电压、电流为零，最大 限度上降低了电机损耗。当重新进入电动工况时在接通电源让电机继续运行。如果能够在 抽油机工作一个机械周期中合理选择断电时刻抽油机在断电后，电机利用抽油机势能及惯 性继续旋转，实现了 "断电不停机"节能控制。
[0005] 2)断电后通过检测电机的运转转速，在电机进入电动工况并处于同步速附近通过 "快速软投入"控制方法实现电源无冲击投入，实现了 "通电无冲击"控制，节能效果显著。
[0006] 在完成"断电不停机、通电无冲击"控制环节中，包括曲线辨识、无冲击快速软投 入、断电时刻最优选择等核屯、技术。其中断电时刻的准确选择不但影响节能效果，还对断电 后电机转速变化、投入时刻的冲击电流均会产生一系列的影响，如果断电时刻选择不当，严 重情况下会导致抽油机机械联接故障甚至停机，影响正常生产。尽管已有相关文献对断电 时刻提出了相关的判定方法，但其分析的前提是较为理想的负荷曲线，而游梁式抽油机电 动机在一个运行周期会存在重载、轻载、电动及发电工况交替出现的现象，且受传动环节震 动、井下液面等影响，使得电机负荷始终处于无规则波动状态，导致此类周期性变工况负荷 更加复杂多变，使其控制方法在工程实现及负载波动适应性上有一定的局限性。
【发明内容】
[0007] 针对抽油机电动机拖动此类波动周期性势能负载所存在的问题，本发明提出了一 种断续供电节能控制中电动机断电时刻准确判定方法，包括：
[000引步骤1、对抽油机电机电气量采集并描绘出功率负荷曲线，对功率曲线中的电动和 发电工况持续时间及周期进行自动辨识，并把电动工况分为功率上升区域和功率下降区 域；
[0009] 步骤2、采用在电动工况的功率下降区域断电后电机先减速，在进入发电工况加速 后再在电动工况的功率上升区域减到同步速后投入电源的断续供电控制方式.
[0010] 步骤3、W电机断后电机转速最大值误差eW及电机转速最大值误差变化率Ae作 为模糊控制器的输入，W断电时刻电机有功功率累计变化量A S为输出变量，采用模糊控制 算法准确判定断电时刻。
[0011] 所述步骤3中的模糊控制算法中的电机转速最大值误差e、电机转速最大值误差变 化率Δ e、电机有功功率累计变化量Δ S分别对应模糊控制算法中的误差E、误差变化率EC、 控制量U，第k次断电电机转速最大值误差e与电机转速最大值误差变化率Δ e的确定公式如 下：
[0012] e(k) =n〇-nk (1)
[0013] Δ e(k) =e(k)-e化-1) (2)
[0014] 式中no为断电后电机转速最大值设定值，nk为第k次断电过程中电机转速最大值。
[0015] 所述电机转速最大值误差e、电机转速最大值误差变化率Δ e、电机有功功率累计 变化量A S的基本论域分别为[-150，150]、[-6，6]、[-25，25]，相应的模糊论域均取为[-6，- 5，-4，-3，-2，-1，0，1，2,3，4,5,6]，偏差量化因子 ke = 6/150 = 1/25,偏差量化因子 kAe = 6/6 =1，比例因子ku =化/6。
[0016] 所述误差E、误差变化率EC、控制量U的模糊赋值表如表1-表3所示，相应控制规则 如表4所示；
[0017] 表1误差E赋值表 [001 引
[0019] 表2误差变化率EC赋值表
[0020]
[0025] 制定误差、误差变化率及输出有功累计变化量采用双输入单输出模糊控制器控制 规则形式;据此可得出如表4所示的49条模糊关系化公式如下：
[0026] 化=[AjXBi]TxCij (3)
[0027] 式中，Aj是误差E的模糊集合、Bi是误差变化率EC的模糊集合、Cu是控制量U的模糊 集合，k= i X 7+j，i、j、k均为相对应的矩阵的维数；
[0028] 通过对附表4中49个模糊关系的化的"并"运算，可得到控制系统规则总的蕴含模 糊关系I公式如下：
[0029]
(4)
[0030] 上述总的蕴含模糊关系Λ采用离线计算；
[0031] 根据推理合成规则进行模糊推理，W误差eW及误差变化率Δ e的模糊论域元素组 成的所有组合，利用误差E和误差变化率EC赋值表计算出输出语言控制量U的模糊集合巧公 式如下：
P)
[0032]
[0033] 应用最大隶属度法对输出的模糊集合进行模糊判定，获得W输出变量的模糊论 域中元素表示的控制量U，最终得到模糊控制查询表，如附表5所示；
[0034] 表5模糊控制查询表
[0035]
[0036] 利用此表即可通过检测电机断电过程转速后在线计算转速误差及误差变化量，由 ke、kAe确定变量论域的中相应元素值，通过对表5在线查询方式可得到输出变量。
[0037] 本发明的有益效果在于:本发明所提出的断电时刻判定方法应用于断续供电节能 技术，能够很好地适应复杂多变的抽油机电动机负荷，优化现有电动机断续供电技术，获得 良好的节能效果，保证了电机的正常稳定运行;本发明不仅适用于油田抽油机电动机负荷， 还可W适用于其它周期性势能负载，此控制方法能够自动响应负荷波动。通过大量现场实 测数据表明，采用文中模糊控制方法，能够在适应负荷动态波动的基础上准确判定断电时 刻且节电率达到15% W上。
【附图说明】
[0038] 附图1为本发明所述模糊控制过程流程图；
[0039] 附图2为本抽油机电动机典型负荷示意图；
[0040] 附图3为现场实测负荷急剧变化的功率曲线；
[0041 ]附图4为本发明所述模糊控制器结构控制图；
[0042]附图5为本发明所述模糊控制软件主程序流程图；
[00创附图6为本发明所述CPU与AD接线原理图；
[0044] 附图7为本发明所述CPU控制输出接线原理图；
[0045] 附图8为某油田一台22kW抽油机电动机采用本发明方法后电机处于断电供电运行 时的实测功率曲线图；
[0046] 附图9为某油田某油田一台22kW抽油机电动机采用本发明方法后电机处于断电供 电运行时的实测功率曲线图；
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图，对实施例作详细说明。
[0048] 本发明结合现大量场实测曲线，充分考虑了抽油机负荷波动性及复杂动态变化的 特点，在很难对抽油机复杂系统建立准确数学模型前提下，提出基于模糊控制的断电时刻 判定方法及相应控制策略，该策略包括负荷曲线特征量辨识、断电方式选择、模糊集划分及 模糊控制实施四个主要环节。在运个控制过程中，首先对负荷曲线变化特点、周期、电动和 发电工况持续时间进行自动辨识并记录一个完整周期的功率曲线;其次根据辨识结果选择 最合理的断续供电控制方式，由模糊控制方法准确判定断电时刻，此控制方法能够自动响 应负荷波动。模糊控制过程流程如图1所示。
[0049] 结合附图2所示的负荷示意图对通断电方案进行说明，图中A是电机工作在电动工 况并处于功率下降区域、B是工作在发电工况、C是处于功率上升区域。结合图示曲线，所提 出的通断电方案为:在A区断电后，电机先减速，在进入B区加速后再在C区减到同步速后投 入电源。
[0050] 附图3是在某油田现场利用数据采集系统实测的22kW电机功率曲线，可W看出抽 油机负荷在一个运行周期内是动态变化的，且负荷变化率有很大差异。附图3中黑色线条为 功率曲线，黑色虚线框内为功率急剧变化区域，从曲线可W看出电机负荷在进入发电区域 过程中的变化比较缓慢，但经过发电区域后电机在60ms内功率从2kW急速上升到20kW，负荷 急剧变化给功率准确辨识W及电源投入控制均增加难度，因此在选择断电方案时，尽量避 免处于功率变化急剧的区域内投入电源。
[0051 ] 1)断电区域选择
[0052]抽油机电机负荷复杂多变，但其共性在于一个完整冲程内存在重载和轻载、电动 和发电工况交替的特点，因此断续供电节能控制技术能够很好地适用于上述负荷。所述通 断电方案，断电后电机转速是利用转子剩磁在定子绕组切割产生电势获得，所W除了要考 虑投入时刻功率及断电过程中电机转速不超过限定值外，还要考虑断电时间过长剩磁产生 电势衰减过小，是否能够检测到电机转速。
[0053] 2)断电时刻选择
[0054] 通过上述方案可W确定断电区域，但在断电区域内如何准确判定断电时刻成为控 制过程中的重要环节。在A区如果选择小于电机空载功率时断电，抽油机重力势能很容易克 服电机风磨转矩带动电机进入加速过程，虽然能达到断电不停机的要求，但节电效果不明 显，同时电机直接加速没有减速过程，不能恢复到同步速;为了增加节电效果如果选取A区 的最大功率点断电，此时动能一般不能满足此区域的运行负荷及势能积累的需求，断电后 电机会很快减速到零，系统不能正常运行。因此为了提高节电效果断电时刻应尽量提前，但 要保证断电后电机转速变化在允许范围内。运就要求在每个运行周期，都需要根据实时负 荷情况准确判定合理断电时刻，W便达到最优节能效果。
[0055] 然而，受抽油机负荷复杂多变的影响，目前很难实现应用数学解析的方法准确判 定断电时刻，如果采用固定时刻断电的方法，很难适应复杂多变的负荷特性，存在一定的局 限性。因此，文中提出采用模糊控制方法来实现断电位置的选择，运样不但避免建立复杂系 统模型，同时模糊控制本身的反馈特性对于电机负荷的波动有着很好适应性。
[0056] 结合上述通断电控制方法，本发明设计的断电模糊控制器电路原理如附图6、附图 7所示。本发明所述模糊控制器采用双输入单输出的二维模糊控制方法，其基本结构如附图 4所示，模糊控制输入及输出变量的隶属函数均采用Ξ角隶属函数，同时根据专家经验对函 数进行部分修正，可得如表1-表3所示的E、EC、U的模糊赋值表，相应控制规则如表4所示；审。 定误差、误差变化率及输出有功累计变化量的模糊条件为"if E and EC then U"，据此可 得出如表4所示的49条模糊关系。
[0057] 本发明所述软件包括MCU本身的I/O口、计数器中断、外部中断W及串口初始化;功 率的跟踪计算、断电方案的自动辨识、模糊控制量计算等，附图5是软件主程序流程图，对其 说明如下。
[0058] 1)为实现对电机功率的快速、准确跟踪，单片机通过外置AD忍片对电压、电流进行 采样频率为10k的等间隔采样，运样实现每个工频周期完成电机功率达计算同时精度也达 到工程需求。
[0059] 2)对计算得到的功率曲线，通过多点滤波使曲线平滑，标记处出最大电动区域并 W下降过程中零功率为起点，划分初步出电动下降区域、发电区域、电动上升区域、准确周 期，制定出断电方案。
[0060] 3)模糊控制中的输入变量转速差，是根据电机断电后转速由转子剩余磁场在定子 绕组上感应电动势频率计算得出，将感应电势模拟信号转换成方波信号，通过判断方波信 号的周期即可得断电后转速，对转速模糊化计算及查表方式既可得输出控制变量。
[0061] 实施例一:附图8为某油田47-11抽油机22kW异步电动机现场实测的采用断续供电 节能控制技术的功率曲线图；该油井一个运行周期约为17秒，采用了常规断电方案，断电持 续时间约为4.7秒，实测的节能效果达到16%。
[0062] 实施例二:附图9为某油田54-16抽油井45kW异步电动机现场实测的断电控制曲线 图；该油井一个运行周期约为15秒，采用了本发明的断电方案，断电持续时间约为6秒，实测 的节能效果达到21 %;
[0063] 此实施例仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该w权利要求的保护范围 为准。
【主权项】
1. 一种断续供电节能控制中电动机断电时刻准确判定方法，其特征在于，包括： 步骤1、对抽油机电机电气量采集并描绘出功率负荷曲线，对功率曲线中的电动和发电 工况持续时间及周期进行自动辨识，并把电动工况分为功率上升区域和功率下降区域； 步骤2、采用在电动工况的功率下降区域断电后电机先减速，在进入发电工况加速后再 在电动工况的功率上升区域减到同步速后投入电源的断续供电控制方式； 步骤3、以电机断后电机转速最大值误差e以及电机转速最大值误差变化率Ae作为模 糊控制器的输入，以断电时刻电机有功功率累计变化量A S为输出变量，采用模糊控制算法 准确判定断电时刻。2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3中的模糊控制算法中的电机转速 最大值误差e、电机转速最大值误差变化率△ e、电机有功功率累计变化量△ S分别对应模糊 控制算法中的误差E、误差变化率EC、控制量U，第k次断电电机转速最大值误差e与电机转速 最大值误差变化率△ e的确定公式如下： e(k) =n〇-nk (1) A e(k) = e(k)-e(k_l) (2) 式中no为断电后电机转速最大值设定值，nk为第k次断电过程中电机转速最大值。3. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述电机转速最大值误差e、电机转速最大值 误差变化率A e、电机有功功率累计变化量△ S的基本论域分别为[-150，150]、[-6，6]、[-25,25]，相应的模糊论域均取为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2,3,4,5,6]，偏差量化因子1 = 6/150 = 1/25,偏差量化因子kAe = 6/6 = 1，比例因子ku = 25/6。4. 根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述误差E、误差变化率EC、控制量U的模糊赋 值表如表1-表3所示，相应控制规则如表4所示； 表1误差E赋值表表2误差变化率EC赋值表表4模糊控制状态表制定误差、误差变化率及输出有功累计变化量采用双输入单输出模糊控制器控制规则 形式;据此可得出如表4所示的49条模糊关系Rk公式如下： Rk=[AjXBi]TXCij (3) 式中，、是误差E的模糊集合、是误差变化率EC的模糊集合、Cu是控制量U的模糊集合， k= i X 7+j，i、j、k均为相对应的矩阵的维数； 通过对附表4中49个模糊关系的Rk的"并"运算，可得到控制系统规则总的蕴含模糊关系 (4) I公式如下： 上述总的蕴含模糊关系！采用离线计算； 根据推理合成规则进行模糊推理，以误差e以及误差变化率A e的模糊论域元素组成的 所有组合，利用误差E和误差变化率EC赋值表计算出输出语言控制量U的模糊集合公式如 下：(5) 应用最大隶属度法对输出的模糊集合^^进行模糊判定，获得以输出变量的模糊论域中 元素表示的控制量U，最终得到模糊控制查询表，如附表5所示； 表5模糊控制查询表利用表5即可通过检测电机断电过程转速后在线计算转速误差及误差变化量，由ke、k~ 确定变量论域的中相应元素值，通过对表5在线查询方式可得到输出变量。
【文档编号】H02P23/02GK105871287SQ201610286461
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】王义龙, 赵海森, 李松, 李佳宣, 罗应立
【申请人】华北电力大学