本發(fā)明涉及抽油機(jī)控制裝置，特別是涉及到一種抽油機(jī)井群柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

油井生產(chǎn)中普遍采用的游梁式抽油機(jī)具有“大馬拉小車”和負(fù)載動態(tài)急劇變化的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)造成抽油機(jī)電機(jī)功率因數(shù)低、抽油機(jī)不平衡饋能損耗大、油井變壓器冗余容量大，變壓器損耗嚴(yán)重等問題。抽油機(jī)系統(tǒng)柔性運(yùn)行是指當(dāng)抽油機(jī)在遇到負(fù)荷變化時(shí)，抽油機(jī)系統(tǒng)上的驅(qū)動力大小變化過程平滑，抽油機(jī)曲柄扭矩及功率負(fù)荷波動幅度相對較小，波動均勻。柔性運(yùn)行可以減輕傳動齒輪撞擊強(qiáng)度和負(fù)荷波動對動力源的沖擊。

當(dāng)前國內(nèi)具有柔性運(yùn)行特性的技術(shù)措施主要包括以下幾個(gè)方面：1、采用柔性運(yùn)行驅(qū)動設(shè)備，例如：高轉(zhuǎn)差驅(qū)動電動機(jī)的應(yīng)用。高轉(zhuǎn)差電動機(jī)的轉(zhuǎn)差隨負(fù)荷變化而變化的特性可增加抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的柔性。但由于依靠的是電動機(jī)自身的特性，而電動機(jī)的轉(zhuǎn)差范圍有限，故依靠電動機(jī)特性實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)系統(tǒng)的柔性運(yùn)行作用是有限的。2、配有變頻控制器的抽油機(jī)系統(tǒng)也具有一定的柔性運(yùn)行特性，也可部分實(shí)現(xiàn)倒發(fā)電能的抑制，但無法同時(shí)對倒發(fā)電能進(jìn)行回收和利用，造成了電能的白白浪費(fèi)。3、應(yīng)用節(jié)能型抽油機(jī)。例如：雙驢頭抽油機(jī)、下偏杠鈴復(fù)合平衡抽油機(jī)和彎游梁型抽油機(jī)等。節(jié)能型抽油機(jī)主要是通過改變抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到降低抽油機(jī)扭矩因數(shù)峰值、降低減速箱最大扭矩峰值、減小整機(jī)裝機(jī)功率的目的，但現(xiàn)場實(shí)施困難，無法從電氣技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)柔性控制。

以上方式大多以提高單井運(yùn)行效率為主，尚未以抽油機(jī)井群為單位進(jìn)行整體柔性控制、整體能效最優(yōu)相關(guān)技術(shù)的研究。單井單機(jī)的控制方式不但成本高，而且信息無法共享，無法集中控制和管理，不利于抽油機(jī)群整體的節(jié)能和效率的提高。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，井群控制裝置聯(lián)網(wǎng)也成為很自然的事情。對于井群，如何在確保單井能效最高或液量 最大化的前提下，實(shí)現(xiàn)不同井組間能流的有效吸收利用，井群綜合能耗最低，并達(dá)到生產(chǎn)參數(shù)的綠色、無諧波、柔性控制，是目前實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井群整體優(yōu)化和節(jié)能的關(guān)鍵問題。因此，研究開發(fā)抽油機(jī)井群集中調(diào)參與柔性控制技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)井群的參數(shù)跟蹤控制，協(xié)調(diào)多井間的能量分布和流動，達(dá)到井群能效最優(yōu)具有非常重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種開發(fā)抽油機(jī)井群生產(chǎn)參數(shù)、電力參數(shù)的動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建井群的整體能流分析模型，研發(fā)抽油機(jī)井群集中柔性控制體系，達(dá)到抽油機(jī)井群的整體柔性控制和能效最優(yōu)的目的的抽油機(jī)井群柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的可通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)：抽油機(jī)井群柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)，該抽油機(jī)井群柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)包括多個(gè)單井柔性控制單元和集總控制單元，每個(gè)單井柔性控制單元對應(yīng)連接一個(gè)抽油機(jī)，每個(gè)單井柔性控制單元將單井生產(chǎn)參數(shù)、實(shí)時(shí)狀況發(fā)送給該集總控制單元，該集總控制單元收集井群中所有單井的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行融合、分析計(jì)算后輸出對應(yīng)于所有單井的不同的控制參數(shù)，分別下達(dá)給每個(gè)單井柔性控制單元，每個(gè)單井柔性控制單元接收到控制參數(shù)后，調(diào)整其運(yùn)行模式，按照接收的控制參數(shù)運(yùn)行。

本發(fā)明的目的還可通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)：

該運(yùn)行模式包括井群能效最優(yōu)、能量波動最小以及井群產(chǎn)液量最大。

所述單井柔性控制單元包括信號檢測模塊、DSP核心處理模塊、控制量輸出模塊和變頻器，該信號檢測模塊連接于抽油機(jī)，檢測抽油機(jī)的電壓信號和電流信號，及表征抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的電機(jī)轉(zhuǎn)速與游梁傾角，并將檢測到的信號傳輸給該DSP核心處理模塊，該DSP核心處理模塊連接于該信號檢測模塊，將該信號檢測模塊檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并對該單井進(jìn)行能耗及系統(tǒng)效率的分析計(jì)算，優(yōu)化出電動機(jī)一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速分布，然后輸出實(shí)時(shí)控制該變頻器的控制信號給該控制量輸出模塊，該變頻器連接于電網(wǎng)和抽油機(jī)的電動機(jī)，該控制量輸出模塊連接于該DSP核心處 理模塊和該變頻器，將該DSP核心處理模塊輸出的為數(shù)字信號的控制信號轉(zhuǎn)換成模擬信號并調(diào)理后接在該變頻器的控制端，控制該變頻器的輸出電壓與頻率，從而實(shí)時(shí)改變抽油機(jī)的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整電動機(jī)的輸出功率。

該信號檢測模塊包括電壓傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和傾角傳感器，該電壓傳感器和該電流傳感器位于該變頻器的輸入端，采集抽油機(jī)的電壓信號和電流信號，該轉(zhuǎn)速傳感器安裝在電動機(jī)的軸端，采集電動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，該傾角傳感器安裝在抽油機(jī)的游梁軸的正上方，采集游梁的傾角信號。

所述單井柔性控制單元還包括連接于該DSP核心處理模塊的通信模塊，包括無線通信模塊和網(wǎng)絡(luò)通信接口，實(shí)現(xiàn)該DSP核心處理模塊與上位機(jī)及該集總控制單元的通信，上位機(jī)連接于該通信模塊后，獲取抽油機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)，并調(diào)整所述單井柔性控制單元的控制參數(shù)。

所述單井柔性控制單元還包括顯示模塊，該顯示模塊連接于該DSP核心處理模塊，將抽油機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)和控制參數(shù)顯示出來。

該變頻器具有模擬量控制端口，且0-50hz的響應(yīng)時(shí)間不超過3秒。

該DSP核心處理模塊采用帶有32位浮點(diǎn)處理能力的TMS320F28335DSP。

該集總控制單元包括中央處理模塊和集總通信模塊，該集總通信模塊連接于多個(gè)單井柔性控制單元，實(shí)現(xiàn)該集總控制單元與多個(gè)單井柔性控制單元間的通信，該中央處理模塊連接于該集總通信模塊，接收到井群中所有單井的數(shù)據(jù)后，集成優(yōu)化算法，根據(jù)不同目標(biāo)模式，進(jìn)行控制優(yōu)化。

該集總通信模塊還連接于油田中央監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與油田中央監(jiān)控系統(tǒng)的通信，該集總通信模塊上傳井群當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，接收調(diào)整井群控制參數(shù)的命令。

本發(fā)明中的抽油機(jī)井群柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)，以抽油機(jī)井群為主要研究對象，涉及一種抽油機(jī)井群集中調(diào)參和柔性控制系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案有以下優(yōu)點(diǎn)：1、抽油機(jī)單井的控制為柔性控制，能夠減小系統(tǒng)的機(jī)械沖擊和能量波動，降低電動機(jī)的裝機(jī)容量，提高電動機(jī)的工作效率，并能夠消除倒發(fā)電現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。2、井群柔性 驅(qū)動控制系統(tǒng)以井群為控制對象，便于實(shí)現(xiàn)對井群的集中調(diào)參，優(yōu)化管理，減小了單井單機(jī)調(diào)控的成本，并實(shí)現(xiàn)了井群內(nèi)信息的共享。3、本發(fā)明可以針對井群整體進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化，根據(jù)不同的目標(biāo)模式，如井群能效最優(yōu)、井群能量波動最小、井群產(chǎn)液量最大等，調(diào)整不同的優(yōu)化控制策略，即設(shè)定每口單井的不同的控制參數(shù)，以單井柔性控制為手段，實(shí)現(xiàn)井群的優(yōu)化調(diào)控。通過本發(fā)明的開發(fā)與應(yīng)用，將實(shí)現(xiàn)井群整體能效水平的提高，改變以往以單井為主的優(yōu)化控制模式，達(dá)到系統(tǒng)綜合節(jié)能的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的抽油機(jī)井群柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)的一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的一具體實(shí)施例中單井柔性控制單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的一具體實(shí)施例中集總控制單元結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施例，并配合附圖所示，作詳細(xì)說明如下。

如圖1所示，圖1為本發(fā)明的抽油機(jī)井群柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。該抽油機(jī)井群柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)由多個(gè)單井柔性控制單元4與一個(gè)集總控制單元5組成。

每個(gè)單井柔性控制單元4對應(yīng)連接一個(gè)抽油機(jī)2，單井柔性控制單元4采用具有32位浮點(diǎn)處理能力的DSP處理器TMS320F28335來實(shí)時(shí)檢測抽油機(jī)2運(yùn)行狀態(tài)并輸出控制量來改變單井柔性控制單元4中變頻器11的輸出電壓與頻率，從而實(shí)時(shí)改變抽油機(jī)2的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整電動機(jī)的輸出功率，進(jìn)而使電動機(jī)在抽油機(jī)劇烈的載荷波動情況下始終處于較高的負(fù)載區(qū)段，提高電動機(jī)的工作效率。另外單井柔性控制單元4還可優(yōu)化出電動機(jī)一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速分布曲線，進(jìn)而使抽油機(jī)2的系統(tǒng)達(dá)到能效最高或產(chǎn)液量最大等目標(biāo)。同時(shí)，該單井柔性控制單元4還能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)2的柔性啟動，大大減小抽油機(jī)的啟動電流，消除沖擊。單井柔性控制單元4為抽油 機(jī)的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單井柔性控制單元4接收到控制參數(shù)后，調(diào)整其運(yùn)行模式，按照接收的控制參數(shù)運(yùn)行，進(jìn)而從井群的局部和整體角度實(shí)現(xiàn)集中調(diào)控。該單井柔性控制單元4結(jié)合集總控制單元5下達(dá)的控制參數(shù)和抽油機(jī)本身的基本參數(shù)，控制抽油機(jī)的運(yùn)行。

集總控制單元5連接于多個(gè)單井柔性控制單元4，也是以DSP為核心處理器。集總控制單元5為抽油機(jī)井群的中央控制器，它決定整個(gè)井群抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。該集總控制單元5以井群的能效最優(yōu)、井群能量波動最小或產(chǎn)液量最大為目標(biāo)，通過對井群內(nèi)所有抽油機(jī)2井的數(shù)據(jù)集成、融合，分析井群當(dāng)前的能量分布和流動情況，在保證正常生產(chǎn)和用電質(zhì)量的前提下，通過算法優(yōu)化，生成井群的優(yōu)化控制策略即對應(yīng)于每口抽油機(jī)2的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)井群能量分布的調(diào)整，同時(shí)也調(diào)整了井群整體的產(chǎn)能效果。集總控制單元5設(shè)定井群能效最優(yōu)、能量波動最小或井群產(chǎn)液量最大中一種運(yùn)行模式，集總控制單元5收集井群中所有單井的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行融合、分析計(jì)算后輸出優(yōu)化的井群控制策略，進(jìn)行集中調(diào)參，即輸出對應(yīng)于所有單井的不同的控制參數(shù)，下達(dá)給單井柔性控制單元4。

圖2為本發(fā)明的單井柔性控制單元結(jié)構(gòu)示意圖。單井柔性控制單元4數(shù)量對應(yīng)于抽油機(jī)2的數(shù)量，具體控制抽油機(jī)2的運(yùn)行，不同控制參數(shù)對應(yīng)于不同的運(yùn)行狀態(tài)。單井柔性控制單元4是可與上位機(jī)12交互，但獨(dú)立于上位機(jī)12運(yùn)行的智能控制裝置。

單井柔性控制單元4包括信號檢測模塊10、DSP核心處理模塊7、控制量輸出模塊9、通信模塊6、顯示模塊8和變頻器11。其中所述的變頻器11與井群的三相電網(wǎng)1連接，輸出端接抽油機(jī)2的電動機(jī)3；信號檢測模塊10、顯示模塊電路8、控制量輸出模塊9和通信模塊6都接在DSP核心處理模塊7上；控制量輸出模塊9的輸出信號接在變頻器11的控制端。

信號檢測模塊10，包括電壓傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和傾角傳感器及其調(diào)理電路，用于測量抽油機(jī)2系統(tǒng)側(cè)的電壓信號和電流信號，及表征抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的電機(jī)轉(zhuǎn)速與游梁傾角。也就是說，信號檢測電路10包含電壓信號、電流信號、轉(zhuǎn)速信號和傾角信號的采集與調(diào)理。電壓、電流信號接在變頻器11的入端，通過電壓互感器及之后的調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為 0-3V可以接入DSP核心處理電路7的模擬信號。轉(zhuǎn)速信號通過安裝在電動機(jī)3軸端的轉(zhuǎn)速測量裝置輸出脈沖經(jīng)過光電隔離后接入DSP核心處理模塊7。傾角傳感器安裝在抽油機(jī)的游梁軸的正上方，通過串口向DSP核心處理模塊7發(fā)送游梁的傾角信號。

DSP核心處理模塊7，包括數(shù)字信號處理器DSP和基于DSP的處理電路，通過D\A轉(zhuǎn)換將信號檢測模塊10輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過算法進(jìn)行能耗及系統(tǒng)效率的分析計(jì)算，優(yōu)化出電動機(jī)3一個(gè)周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速分布，然后輸出實(shí)時(shí)控制變頻器11的控制信號給控制量輸出模塊9。DSP核心處理模塊7是對單井進(jìn)行的能耗、系統(tǒng)效率、運(yùn)行狀況等的計(jì)算分析。另外，通過控制信號使變頻器11輸出的電源頻率遞增，既可實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)2的柔性啟動，消除啟動沖擊。

控制量輸出模塊9，將DSP核心處理模塊7輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成0-5V的模擬信號并調(diào)理后接在變頻器11的控制端，控制變頻器11的輸出電壓與頻率，從而實(shí)時(shí)改變抽油機(jī)2的電動機(jī)3的轉(zhuǎn)速，調(diào)整電動機(jī)3的輸出功率，進(jìn)而使電動機(jī)3在抽油機(jī)2劇烈的載荷波動情況下始終處于較高的負(fù)載區(qū)段，提高電動機(jī)3的工作效率。

通信模塊6，包括無線通信模塊和網(wǎng)絡(luò)通信接口，實(shí)現(xiàn)DSP核心處理模塊7與上位機(jī)12及集總控制單元5的通信。單井柔性控制單元4將單井生產(chǎn)參數(shù)、實(shí)時(shí)狀況發(fā)送給集總控制單元5，集總控制單元5向單井下達(dá)優(yōu)化的控制參數(shù)。單井柔性控制單元4可以與上位機(jī)12連接，但可以獨(dú)立于上位機(jī)12運(yùn)行。上位機(jī)12連接單井柔性控制單元4后，可以獲取抽油機(jī)2的當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)，并可以調(diào)整單井柔性控制單元4的控制參數(shù)。

顯示模塊8，將抽油機(jī)2當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)和控制參數(shù)顯示出來。

變頻器11需支持模擬量控制，且響應(yīng)速度足夠快。變頻器11具有模擬量控制端口，且0-50hz的響應(yīng)時(shí)間不超過3秒。

圖3為本發(fā)明的集總控制單元結(jié)構(gòu)示意圖。集總控制單元也是基于DSP來實(shí)現(xiàn)，包括中央處理模塊13和集總通信模塊14。

中央處理模塊13，集成所有單井?dāng)?shù)據(jù)，分析運(yùn)算后，輸出井群控制策略。中央處理模塊13集成優(yōu)化算法，可根據(jù)不同目標(biāo)模式，進(jìn)行控制優(yōu)化。 集總通信模塊14，與通信模塊6通信將井群控制策略下達(dá)到相對應(yīng)的所有單井，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與油田中央監(jiān)控系統(tǒng)15的通信，上傳井群當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，接收調(diào)整井群控制參數(shù)等命令。中央處理模塊13是從井群角度對整個(gè)井群的能耗、效率等參數(shù)計(jì)算分析。中央處理模塊13運(yùn)行整體的優(yōu)化算法，計(jì)算出適合所設(shè)置井群目標(biāo)的每口單井的控制參數(shù)，然后通過集總通信模塊下達(dá)到各個(gè)單井，單井接收到這些控制參數(shù)后就按照這些控制參數(shù)運(yùn)行。

集總控制單元的中央處理模塊13接收到井群中所有單井的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行融合、分析，計(jì)算出當(dāng)前井群的生產(chǎn)狀況、能效狀況及產(chǎn)量，并根據(jù)井群的控制目標(biāo)優(yōu)化出井群的控制策略，及每口單井的不同的控制參數(shù)，并通過集總通信模塊14向井群中所有單井下達(dá)命令，由單井柔性控制單元根據(jù)控制參數(shù)具體執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)井群的集中調(diào)參與優(yōu)化控制。

在一實(shí)施例中，井群中所有單井以工頻狀態(tài)運(yùn)行，能量波動劇烈。出于電網(wǎng)穩(wěn)定、沖擊最小的目的，井群設(shè)定能量波動最小為控制目標(biāo)，則集總控制單元收集所有單井的數(shù)據(jù)，融合計(jì)算后得出所有單井的控制參數(shù)。此時(shí)，集總控制單元設(shè)定所有單井為柔性運(yùn)行模式，并根據(jù)單井不同情況設(shè)定不同的柔性目標(biāo)。通過通信模塊傳送給井群中每口井的柔性控制單元。單井柔性控制單元接收命令后，DSP核心控制模塊啟動柔性運(yùn)行模式。DSP核心控制模塊收集信號檢測模塊采集的實(shí)時(shí)信息，通過與柔性控制目標(biāo)的比較運(yùn)算，再通過控制量輸出模塊輸出合適的電壓值，進(jìn)而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)改變。當(dāng)功率高于柔性控制目標(biāo)時(shí)，輸出較低的電壓值，降低變頻器的輸出頻率，即降低電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就降低了電動機(jī)的功率。通過柔性運(yùn)行，可使得電動機(jī)的功率維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，波動平緩，系統(tǒng)沖擊也減小。該井群柔性驅(qū)動控制系統(tǒng)耦合單井與井群能流模型，從井群的局部和整體角度出發(fā)進(jìn)行能效分析，以井群為控制目標(biāo)，通過合理優(yōu)化，智能調(diào)節(jié)單井生產(chǎn)參數(shù)，有針對性的提高井群的整體能效，在實(shí)現(xiàn)井群的柔性控制和能效最優(yōu)的同時(shí)，綜合考慮系統(tǒng)電力質(zhì)量的變化，并制定相關(guān)補(bǔ)償措施，確保系統(tǒng)用能質(zhì)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行的附加經(jīng)濟(jì)效益。

以上該僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，非用以限定本發(fā)明的專利范圍，其他運(yùn)用本發(fā)明的專利精神的等效變化，均應(yīng)俱屬本發(fā)明的專利范圍。