CN105974834A - 一种用于油田抽油机的削峰填谷伺服驱动方法系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油田抽油机的削峰填谷伺服驱动方法系统，其包括伺服驱动器、GPS时间控制器和工频接触器。精确的GPS时间控制器可以自动在峰谷平各时段的开始和结束时间对伺服驱动器输出相应的控制信号，伺服驱动器在接到信号后，按照预先设定的参数控制抽油机电机的输出功率，参数设定的原则为峰电价期间减少功率输出，谷电价期间增加功率输出。在保证总产量不变的前提下，通过增加谷电量和减少峰电量的消耗，达到降低电价，减少电费支出的目的。同时，本系统增加了工频控制回路，可在伺服系统出现故障的时候，及时切换至工频运行，不会影响油井正常生产。本发明电路结构简单，安全可靠，成本低，具有很好的实际应用价值。

Description

一种用于油田抽油机的削峰填谷伺服驱动方法系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别涉及一种用于油田抽油机的削峰填谷伺服驱动方法系统。

背景技术

峰谷分时电价是把一天二十四小时分为峰、谷、平三个时段，按照供电企业电费标准，鼓励用户实行峰谷电价，即在一天24小时内，分若干时段，以平时段电价为基础电价，其中在峰电价时段内，电价标准为正常电价的1.5倍，而在谷时段内电价标准为正常电价的0.5倍，因此，在改变峰谷时段电量消耗的比例后，平均电价也会随之改变，如果在谷时段增加用电量、在峰时段减少用电量，就会使平均电价降低，反之则会使平均电价升高。这样，高峰和低谷之间的价差非常大，这样就鼓励用户调整用电负荷，削峰填谷，更加合理用电。

目前，油田应用比较广泛的节电设备有：使用稀土永磁拖动装置，变频调速装置，无功补偿装置等，这些设备主要就是以提高设备功率因数来达到节电的目的，都不能实现峰谷平三个时间段用电量进行调整问题。

发明内容

本发明的主要目的是在保证总输入输出功率不变的前提下，通过简单的电路结构，在保证抽油电机正常运行的情况下，智能的增加谷电量和减少峰电量的消 耗，达到降低电价，减少电费支出的目的。为此，本发明提出一种用于油田抽油机削峰填谷伺服驱动方法系统，可充分地消除由于现有技术的限制和缺陷导致的一个或多个问题。

本发明另外的优点、目的和特性，一部分将在下面的说明书中得到阐明，而另一部分对于本领域的普通技术人员通过对下面的说明的考察将是明显的或从本发明的实施中学到。通过在文字的说明书和权利要求书及附图中特别地指出的结构可实现和获得本发明目的和优点。

本发明提供了一种用于油田抽油机的削峰填谷伺服驱动方法系统，包括伺服驱动器、GPS时间控制器和工频接触器，其特征在于：

GPS时间控制器，其根据预设的峰、谷、平电价时段和抽油机电机的工作状态，向伺服驱动器输出峰时段信号、谷时段信号、平时段信号和工频运转信号；

伺服驱动器，其根据接收GPS时间控制器发出的峰时段信号、谷时段信号和平时段信号，控制抽油机电机的工作功率，并在接收到工频运转信号时，控制工频接触器为抽油机电机供电，使抽油机电机切换到工频工作状态；

工频接触器，其在抽油机电机停机时为抽油机电机供电，确保抽油机电机的正常运行。

优选的：

当GPS时间控制器判断当前处于峰电价时段时，向伺服驱动器输出峰时段信号；

当GPS时间控制器判断当前处于谷电价时段时，向伺服驱动器输出谷时段信号；

当GPS时间控制器判断当前处于平电价时段时，向伺服驱动器输出平时段信号；

当判断抽油机电机停机时，向伺服驱动器输出工频运转信号；

优选的：

当伺服驱动器接收到峰时段信号时，伺服驱动器按照预先设定的35Hz峰时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在低输出功率状态下运行；

当伺服驱动器接收到谷时段信号时，伺服驱动器按照预先设定的65Hz谷时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在高输出功率状态下运行；

当伺服驱动器接收到平时段信号时，伺服驱动器按照预先设定的50Hz平时段的频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在中功率状态下运行；

当伺服驱动器接收到工频运转信号时，通过继电器给工频接触器发出启动信号，同时切除伺服驱动器的电源输入和输出，而单独通过工频接触器为抽油机电机供电。

优选的，电网电源为用于油田抽油机削峰填谷伺服驱动方法系统供电，所述电网电源包括AC380V三相电源、第一断路器QA1和第二断路器QA2，其中，AC380V三相电源通过导线与第一断路器QA1相连，负责为伺服驱动器及工频接触器提供工作电源，同时L1相和N相与第二断路器QA2相连，为GPS时间控制器和工频接触器提供工作电源。

优选的，伺服驱动器包括第一交流接触器QC1、第三交流接触器QC3和第二控制模块，工作接触器包括第二交流接触器QC2；其中，第一断路器QA1的输出端L1、L2、L3与工频接触器中的第二交流接触器QC2的输入端连接，同时与伺服驱动器的第一交流接触器QC1的输入端连接。第一交流接触器QC1的输出端连接到第二控制模块的电源输入端，第二控制模块的输出端第三交流接触器QC3的输入端相连，第三交流接触器QC3的输出端与工频接触器中的第二交流接触器QC2的输出端连接后再与抽油机电机连接。

优选的，GPS时间控制器包括继电器KM1、QC1控制线圈、QC2控制线圈、QC3控制线圈、第一控制模块、谷信号继电器、峰信号继电器和KM1控制线圈；其中，第二断路器QA2的L1输出端分别与GPS时间控制器的继电器KM1的动合触点、动断触点以及第一控制模块相连；继电器KM1的动合触点的另一端与QC2控制线圈的一端相连，该QC2控制线圈的另一端分别与QC1控制线圈、QC3控制线圈和GPS时间控制器的第一控制模块连接后再与电网电源1中的第二断路器QA2的N输出端相连。

优选的，GPS时间控制器中的继电器KM1动断触点的另一端分别与QC1控制线圈和QC2控制线圈的一端相连。GPS时间控制器中的谷信号继电器、峰信号继电器的输出端分别与伺服驱动器的第二控制模块相连。

优选的，所述第二控制模块包括故障检测模块，所述故障检测模块与KM1控制线圈相连，当故障检测模块检测到GPS时间控制器发生故障，亦或者伺服驱动器发生内部故障时，故障检测模块均向KM1控制线圈发出故障信号，KM1控制线圈分别控制QC1控制线圈、QC2控制线圈和QC3控制线圈，使QC1控制线圈、QC3控制线圈控制交流接触器QC1、QC3断开，同时使QC2控制线圈控制交流接触器QC2闭合，使抽油机电机切换到工频工作状态。

优选的：

在当前时间如果在GPS时钟控制器设定的谷时段，则GPS时间控制器的第一控制模块控制谷信号继电器闭合，峰信号继电器释放，向伺服驱动器的第二控制模块输出谷时段信号，伺服驱动器的第二控制模块按照预先设定的65Hz谷时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在高输出功率状态下运行；

当前时间如果在GPS时钟控制器设定的峰时段，则GPS时间控制器的第一控制模块控制谷信号继电器释放，峰信号继电器闭合，伺服驱动器的第二控制模块 按照预先设定的35Hz峰时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在低输出功率状态下运行；

当前时间如果在GPS时钟控制器设定的平时段，则GPS时间控制器的第一控制模块控制谷信号继电器、峰信号继电器全部闭合，伺服驱动器的第二控制模块以预先设定的50HZ平时段的频率将电源送到抽油机电机，伺服驱动器按照预先设定的50Hz平时段的频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在中功率状态下运行。

优选的，QC1控制线圈、QC2控制线圈和QC3控制线圈的电压优选的选择为AC220V，继电器KM1采用HH54P型，时钟控制器3为JSK-4/GPS自动校时型，伺服驱动器2采用LS100全数字交流驱动器。

通过以上所述，本发明解决了以下问题：

1、本发明有利于缓解高峰缺电矛盾，减少高峰拉限电的问题。减轻上级电网供电压力。

2、本发明解决了油田抽油机每次调整冲数时都需要更换电机皮带轮的问题。

3、本发明解决了现有油田抽油机的单一运行方式，对峰谷平三个时间段进行分时控制。以高、中、低三种功率输出的运行方式，总体做功量不变的情况下，满足生产需要，解决了油田采油耗电成本居高不下的难题。

本发明具有以下优点：

1、本发明当大量应用于油田时，能缓解高峰缺电矛盾，减少高峰拉限电的次数，平衡供电。减轻上级电网供电压力，促进电力资源的优化配置，提高社会用电综合经济效益。

2、减少生产管理成本，提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。通过人工 调整伺服驱动方法系统的运行参数就可以实现抽油机平滑的调速功能，不用再安装皮带轮或更换多级电机，降低了生产管理费用。

3、提高了油田科学化管理水平和机械采油系统效率，降低了油田采油成本的支出。

附图说明

图1为根据本发明实施例的用于油田抽油机的削峰填谷伺服驱动方法系统的总体结构框图。

图2为根据本发明实施例的用于油田抽油机的削峰填谷伺服驱动方法系统的具体原理结构框图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

如图1所示，电网电源1为用于油田抽油机的削峰填谷伺服驱动方法系统供电，其提供三相交流380V的工频(50Hz)电源，通过伺服驱动器2对电网电源1的电压、频率按照预先设定的参数进行调整，再将调整后的电源输出到抽油机电机5，拖动抽油机工作。

本发明提供的用于油田抽油机削峰填谷伺服驱动方法系统包括伺服驱动器2、GPS时间控制器3和工频接触器4，其中：

GPS时间控制器3，其根据预设的峰、谷、平电价时段和抽油机电机5的工作状态，向伺服驱动器2输出峰时段信号、谷时段信号、平时段信号和工频运转 信号；具体的，当GPS时间控制器3判断当前处于峰电价时段时，向伺服驱动器2输出峰时段信号，当GPS时间控制器3判断当前处于谷电价时段时，向伺服驱动器2输出谷时段信号，当GPS时间控制器3判断当前处于平电价时段时，向伺服驱动器2输出平时段信号，当判断抽油机电机5停机时，向伺服驱动器2输出工频运转信号；

伺服驱动器2，其根据接收GPS时间控制器3发出的峰时段信号、谷时段信号和平时段信号，控制抽油机电机5的工作功率，并在接收到工频运转信号时，控制工频接触器4为抽油机电机5供电，使抽油机电机5切换到工频工作状态；具体的，当伺服驱动器2接收到峰时段信号时，伺服驱动器2按照预先设定的35Hz峰时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在低输出功率状态下运行；当伺服驱动器2接收到谷时段信号时，伺服驱动器2按照预先设定的65Hz谷时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在高输出功率状态下运行，当伺服驱动器2接收到平时段信号时，伺服驱动器2按照预先设定的50Hz平时段的频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在中功率状态下运行；当伺服驱动器2接收到工频运转信号时，通过继电器给工频接触器4发出启动信号，同时切除伺服驱动器2的电源输入和输出，而单独通过工频接触器4为抽油机电机供电。

工频接触器4，其在抽油机电机5停机时为抽油机电机5供电，确保抽油机电机的正常运行。

如上所述，本发明提供的用于油田抽油机削峰填谷伺服驱动方法系统主要包含GPS时间控制器和伺服驱动器。精确的GPS时间控制器可以自动在峰谷平各时段的开始和结束时间对伺服驱动器输出相应的控制信号，伺服驱动器在接到信号后，按照预先设定的参数控制抽油机电机的输出功率，参数设定的原则为峰电价期间减少功率输出，谷电价期间增加功率输出。因此，本系统可以自动降低油井 在峰电价期间的电量消耗，而在谷电价期间自动增加功率输出，以平衡在峰电价期间因减少功率输出所造成的产量损失。在保证总产量不变的前提下，通过增加谷电量和减少峰电量的消耗，达到降低电价，减少电费支出的目的。同时，本系统增加了工频控制回路，可在伺服系统出现故障的时候，及时切换至工频运行，不会影响油井正常生产。另外，通过伺服驱动器对电机转速的控制，可人为的随时任意调整抽油机电机转速参数，达到改变抽油机冲数的目的，而且不需要停井，不会影响油井产量，而传统调整抽油机冲数的方式只能通过人工更换不同直径的电机皮带轮、增加二级减速等方法进行调整抽油机冲数，需要停井操作，停井时间在1～2小时。所以使用伺服驱动系统即节约了材料成本，也减少了人工成本的支出。还有，在用电高峰期间集中减少用电负荷，能够提高供电企业现设备负荷率，调节电力消费不均的状况，避免部分发电机组每日经常关闭和重新起动造成发电机组巨大损耗及燃料浪费。

下面结合图2，对本发明的原理作进一步的详细说明。如图2所示，电网电源1包括AC380V三相电源、第一断路器QA1和第二断路器QA2，其中，AC380V三相电源通过导线与第一断路器QA1相连，负责为伺服驱动器2及工频接触器4提供工作电源，同时选择其中一相(示例中为L1)和N相与第二断路器QA2相连，为GPS时间控制器3和工频接触器4提供工作电源。AC380V三相电源的L1相和N相之间的电压为220V，这是三相电源的基本属性，在此不作详细描述。

伺服驱动器2包括第一交流接触器QC1、第三交流接触器QC3和第二控制模块，工作接触器4包括第二交流接触器QC2；其中，第一断路器QA1的输出端L1、L2、L3与工频接触器4中的第二交流接触器QC2的输入端连接，同时与伺服驱动器2的第一交流接触器QC1的输入端连接。第一交流接触器QC1的输出端连接 到第二控制模块的电源输入端，第二控制模块的输出端第三交流接触器QC3的输入端相连，第三交流接触器QC3的输出端与工频接触器4中的第二交流接触器QC2的输出端连接后再与抽油机电机5连接。

GPS时间控制器3包括继电器KM1、QC1控制线圈、QC2控制线圈、QC3控制线圈、第一控制模块、谷信号继电器、峰信号继电器和KM1控制线圈；其中，第二断路器QA2的L1输出端分别与GPS时间控制器3的继电器KM1的动合触点、动断触点以及第一控制模块相连。继电器KM1的动合触点的另一端与QC2控制线圈(即，工频接触器4中的交流接触器QC2的控制线圈)的一端相连，该QC2控制线圈的另一端分别与QC1控制线圈、QC3控制线圈(即，伺服驱动器2中的交流接触器QC1、QC3的控制线圈)和GPS时间控制器3的第一控制模块连接后再与电网电源1中的第二断路器QA2的N输出端相连。GPS时间控制器3中的继电器KM1动断触点的另一端分别与QC1控制线圈和QC2控制线圈的一端相连。GPS时间控制器3中的谷信号继电器、峰信号继电器的输出端分别与伺服驱动器2的第二控制模块相连。

根据本发明的优选实施例，QC1控制线圈、QC2控制线圈和QC3控制线圈的电压优选的选择为AC220V，继电器KM1采用HH54P型，时钟控制器3为JSK-4/GPS自动校时型，伺服驱动器2采用LS100全数字交流驱动器。

如图2所示，正常工作时，伺服驱动器2无故障输出，GPS时间控制器3继电器KM1释放，通过KM1动断触头，伺服驱动器2的QC1与QC3得电闭合。在当前时间如果在GPS时钟控制器设定的谷时段，则GPS时间控制器2的第一控制模块控制谷信号继电器闭合，峰信号继电器释放，向伺服驱动器2的第二控制模块输出谷时段信号，伺服驱动器2的第二控制模块按照预先设定的65Hz谷时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在高输出功率状态下运行；当前时间如果在 GPS时钟控制器设定的峰时段，则GPS时间控制器2的第一控制模块控制谷信号继电器释放，峰信号继电器闭合，伺服驱动器2的第二控制模块按照预先设定的35Hz峰时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在低输出功率状态下运行；当前时间如果在GPS时钟控制器设定的平时段，则GPS时间控制器2的第一控制模块控制谷信号继电器、峰信号继电器全部闭合，伺服驱动器2的第二控制模块以预先设定的50HZ平时段的频率将电源送到抽油机电机，伺服驱动器2按照预先设定的50Hz平时段的频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在中功率状态下运行。

第二控制模块包括故障检测模块，所述故障检测模块与KM1控制线圈(即，控制中继器KM1的控制线圈)相连，这样当故障检测模块检测到GPS时间控制器3发生故障，亦或者伺服驱动器2发生内部故障时，故障检测模块均向KM1控制线圈发出故障信号，KM1控制线圈分别控制QC1控制线圈、QC2控制线圈和QC3控制线圈，使QC1控制线圈、QC3控制线圈控制交流接触器QC1、QC3断开，同时使QC2控制线圈控制交流接触器QC2闭合，使抽油机电机5切换到工频工作状态，确保抽油机正常运行。

如上所述，通过伺服驱动器2内置的第二控制模块，控制伺服驱动器2输出不同信号，从而改变抽油机电机5的运行模式，即达到峰谷平三个时段的自动化控制(即自动调节抽油机电机转速和输入功率)，达到峰电价期间少做功，满足生产需求，平电价期间正常运转，谷电价期间多做功，使之弥补峰时段的损失，即达到不减产，甚至超过正常产量。另外，为保障抽油机连续运转，本系统还专门配置了工频接触器4。通过伺服驱动器2内置的故障检测模块，对抽油机的运转情况实时进行监控，当伺服驱动器2或GPS自动时间控制器3发生故障时，会造成抽油机停机，伺服驱动器2的内置故障检测模块通过对电机电流信号的检测， 判断出电机已停机后，会自动通过继电器给工频接触器4发出启动信号，同时切除伺服驱动器2的电源输入和输出，而单独通过工频接触器4为抽油机电机供电，确保抽油机电机5的连续运行。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于油田抽油机的削峰填谷伺服驱动方法系统，包括伺服驱动器、GPS时间控制器和工频接触器，其特征在于：

GPS时间控制器，其根据预设的峰、谷、平电价时段和抽油机电机的工作状态，向伺服驱动器输出峰时段信号、谷时段信号、平时段信号和工频运转信号；

伺服驱动器，其根据接收GPS时间控制器发出的峰时段信号、谷时段信号和平时段信号，控制抽油机电机的工作功率，并在接收到工频运转信号时，控制工频接触器为抽油机电机供电，使抽油机电机切换到工频工作状态；

工频接触器，其在抽油机电机停机时为抽油机电机供电，确保抽油机电机的正常运行。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

当GPS时间控制器判断当前处于峰电价时段时，向伺服驱动器输出峰时段信号；

当GPS时间控制器判断当前处于谷电价时段时，向伺服驱动器输出谷时段信号；

当GPS时间控制器判断当前处于平电价时段时，向伺服驱动器输出平时段信号；

当判断抽油机电机停机时，向伺服驱动器输出工频运转信号。

3.根据权利要2所述的系统，其特征在于：

当伺服驱动器接收到峰时段信号时，伺服驱动器按照预先设定的35Hz峰时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在低输出功率状态下运行；

当伺服驱动器接收到谷时段信号时，伺服驱动器按照预先设定的65Hz谷时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在高输出功率状态下运行；

当伺服驱动器接收到平时段信号时，伺服驱动器按照预先设定的50Hz平时段的频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在中功率状态下运行；

当伺服驱动器接收到工频运转信号时，通过继电器给工频接触器发出启动信号，同时切除伺服驱动器的电源输入和输出，而单独通过工频接触器为抽油机电机供电。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的系统，其特征在于，电网电源为用于油田抽油机削峰填谷伺服驱动方法系统供电，所述电网电源包括AC380V三相电源、第一断路器QA1和第二断路器QA2，其中，AC380V三相电源通过导线与第一断路器QA1相连，负责为伺服驱动器及工频接触器提供工作电源，同时L1相和N相与第二断路器QA2相连，为GPS时间控制器和工频接触器提供工作电源。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，伺服驱动器包括第一交流接触器QC1、第三交流接触器QC3和第二控制模块，工作接触器包括第二交流接触器QC2；其中，第一断路器QA1的输出端L1、L2、L3与工频接触器中的第二交流接触器QC2的输入端连接，同时与伺服驱动器的第一交流接触器QC1的输入端连接。第一交流接触器QC1的输出端连接到第二控制模块的电源输入端，第二控制模块的输出端第三交流接触器QC3的输入端相连，第三交流接触器QC3的输出端与工频接触器中的第二交流接触器QC2的输出端连接后再与抽油机电机连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，GPS时间控制器包括继电器KM1、QC1控制线圈、QC2控制线圈、QC3控制线圈、第一控制模块、谷信号继电器、峰信号继电器和KM1控制线圈；其中，第二断路器QA2的L1输出端分别与GPS时间控制器的继电器KM1的动合触点、动断触点以及第一控制模块相连；继电器KM1的动合触点的另一端与QC2控制线圈的一端相连，该QC2控制线圈的另 一端分别与QC1控制线圈、QC3控制线圈和GPS时间控制器的第一控制模块连接后再与电网电源1中的第二断路器QA2的N输出端相连。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，GPS时间控制器中的继电器KM1动断触点的另一端分别与QC1控制线圈和QC2控制线圈的一端相连。GPS时间控制器中的谷信号继电器、峰信号继电器的输出端分别与伺服驱动器的第二控制模块相连。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二控制模块包括故障检测模块，所述故障检测模块与KM1控制线圈相连，当故障检测模块检测到GPS时间控制器发生故障，亦或者伺服驱动器发生内部故障时，故障检测模块均向KM1控制线圈发出故障信号，KM1控制线圈分别控制QC1控制线圈、QC2控制线圈和QC3控制线圈，使QC1控制线圈、QC3控制线圈控制交流接触器QC1、QC3断开，同时使QC2控制线圈控制交流接触器QC2闭合，使抽油机电机切换到工频工作状态。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：

在当前时间如果在GPS时钟控制器设定的谷时段，则GPS时间控制器的第一控制模块控制谷信号继电器闭合，峰信号继电器释放，向伺服驱动器的第二控制模块输出谷时段信号，伺服驱动器的第二控制模块按照预先设定的65Hz谷时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在高输出功率状态下运行；

当前时间如果在GPS时钟控制器设定的峰时段，则GPS时间控制器的第一控制模块控制谷信号继电器释放，峰信号继电器闭合，伺服驱动器的第二控制模块按照预先设定的35Hz峰时段频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在低输出功率状态下运行；

当前时间如果在GPS时钟控制器设定的平时段，则GPS时间控制器的第一控制模块控制谷信号继电器、峰信号继电器全部闭合，伺服驱动器的第二控制模块以预先设定的50HZ平时段的频率将电源送到抽油机电机，伺服驱动器按照预先设定的50Hz平时段的频率将电源送到抽油机电机，使抽油机在中功率状态下运行。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的系统，其特征在于，QC1控制线圈、QC2控制线圈和QC3控制线圈的电压优选的选择为AC220V，继电器KM1采用HH54P型，时钟控制器3为JSK-4/GPS自动校时型，伺服驱动器2采用LS100全数字交流驱动器。