CN109085438A - 基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置及方法,充分考虑油田生产的实际需求，提供多种抽油井生产过程中的重要数据，如产液量、耗电量、泵效、系统效率、停电停井记录、电机各项电参数等关键变量和参数，可以对抽油机运行过程中的各项重要参数进行全面的检测，同时多项参数的计算方式可以用户根据需求自行选择，评估标准多样化，可以有效地协助现场工程师对油井的运行状态进行全面的评估和诊断。

Description

基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种油田测量检测装置及方法，具体涉及一种基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置。

背景技术

石油生产对我国的经济发展有着重要的作用。在实际的油田开采过程中，由于油田的抽油机等采油设备都是野外作业，自然环境复杂恶劣，开采地质环境多变，井下结构复杂，加上蜡、砂、气、水和腐蚀等恶劣情况的出现，油井故障常常发生，导致油井工作效率降低。

目前绝大多数油井并没有对抽油井工作效率进行实时监测和诊断的装置，抽油机效率的测量和计算通过人工采集数据计算得到。由于抽油机工作在野外，相距的距离较远，需要油田工作人员巡井测量，导致其效率测定特别麻烦，实时性差；同时其数据管理不便，没有一个系统的数据管理平台，通过人工对各口井的数据保存和分类易导致数据丢失和数据管理混乱，效率较低。因此导致油田生产成本增高，管理和生产效率降低，存在大量的隐患。

因此，目前的石油生产过程中需要一种能够实时全面地监测抽油机井效率的装置。

发明内容

基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置，其特征在于包括以下组成部分：

电源稳压模块，由外部开关电源，5V稳压电路，3.3V稳压电路，和电源滤波电路组成，向整个装置中的其他各个模块提供稳定的电压和充足的电流；

互感器模块，通过三个一级电流互感器，和三个二级电流互感器将互感器一次侧的高电压信号和大电流信号按照一定的比例变换传递到二次侧成为低电压信号和小电流信号，同时将电气隔离；

信号调理模块，通过高精度I-V转换电路和抗混叠滤波器电路将互感器模块二次侧输出的电流信号变换成为电压信号，并且对电压信号中的高频信号进行滤波，提高采集到数据的精度；三相多功能电能计量模块，通过三相电量计电路和脉冲光电隔离输出电路对信号调理模块输出的信号进行采集、处理和计算，得到抽油机电机在运行过程的各项电参数，并将参数发送到嵌入式数据处理模块；

键盘输入模块，由薄膜键盘、消抖电路、按键接口组成，设置装置的各项系统参数，向嵌入式数据处理模块输入数据，对装置的各项显示界面进行切换，实现用户和装置的人机交互；外部通讯模块，由USB通讯电路，RS232/RS485通讯电路组成，并和外部设备进行数据通讯，可通过多种方式和外部设备相连进行通讯；将系统内部的运行信息实时输出到相连外部设备中，并接收来自外部的特定指令，将指令输入嵌入式数据处理模块中；

以太网通信模块，由W5500网络通信电路和RJ45通讯接口电路组成，和上位机进行网络通讯和数据传输，通过以太网获取上位机的指令，解析指令后将上位机所需要的数据和信息发送给上位机，或者按照上位机的指令对系统内部的参数进行设置，并输入嵌入式数据处理模块中；

实时时钟模块，由备用电源、实时时钟电路、备用电源防过充电路组成，向装置提供一种持续运行的实时时钟，使本装置即使在断电的情况下，仍然可以保证系统时间稳定运行，并且可以在装置上电后自动对备用电源充电，同时在备用电源防过充电路的保护下，保证备用电源的安全和可靠，并将电源情况传输至嵌入式数据处理模块；

冲刺检测模块，检测抽油机曲柄运动的下死点，检测抽油机的冲刺时间，并将获取的冲刺时间输入到嵌入式数据处理模块；

数据存储模块，将抽油机运行过程中采集处理得到的所有数据和系统信息按照时间存入到SD卡和内部闪存电路中；

嵌入式数据处理模块由STM32F4最小系统电路构成，采集和处理来自其他各个模块的数据，并对系统的硬件资源和软件资源进行分配，控制和管理，为本装置的核心模块；

触摸液晶显示模块，内嵌在装置的外壳上，并通过软排线和装置的主电路板相连接，实时显示用户界面，显示经过嵌入式数据处理模块采集、计算得到的各项数据及其数据报表和数据曲线，显示系统选项和系统提示信息，支持触屏操作和界面切换；

进一步地，对抽油机的停电和停井时间进行计量，所述实时时钟模块在停电和不停电的情况下持续计量系统运行的时间；

在抽油机停电后，装置会记录停电的时间点，当上电之后，装置会自动读取停电前的时间记录和当前时间，并且将停电时间点和停电时间进行显示，发送和存储记录；

如果抽油机发生停井事故，装置可以通过冲次检测模块检测到发生停井事故，并根据当前系统时间可以对停井时间和停井时间段进行计量，并且将停井时间点和停井时间段进行显示，发送和存储记录。

采用该发明所述的基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置对抽油系统进行智能监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：该装置安装在抽油机井电机电源的控制柜或独立控制柜中，通过三相电压屏蔽线缆将电机的三相电压接入装置的三相电压输入端，通过互感器模块中的一级电流互感器将电机的三相电流信号输入到装置的三相电流输入端，通过两相电压屏蔽线缆将现场的220V电压接入到装置的电源模块中实现对装置的供电，装置的冲次检测模块安装在抽油机安装在抽油机曲柄内侧的金属梁上，并将其信号线接入到装置的冲次信号输入接口；

步骤2：通过信号调理模块将互感器模块输入的电流信号转换为电压模块，提高信号的精度，并将处理后的信号输入三相多功能电能计量模块；

步骤3：三相多功能电能计量模块对信号调理模块输出的信号进行采集、处理、计算，得到抽油机电机运行过程中的各项参数，对误差进行调整后，将参数输入到嵌入式处理模块；

步骤4：嵌入式数据处理模块采集来自其他各模块的数据，并对所得数据进行计算，完成对抽油系统效率的测量；

计算方法如下：

步骤4.1：对抽油机电机的电能消耗进行计算：

测量可知的电能类型包括抽油机有功电能，无功电能，视在电能；有功电能和无功电能通过瞬时有功功率，瞬时无功功率，和瞬时视在功率对时间的积分得到；单相有功和无功电能的计算公式为：

E_p＝∫p(t)dt

E_P为抽油机电机电能；p为抽油机电机的功率；t为时间；

合相有功和无功电能可以根据设置按照代数和或者绝对值的模式进行累加，代数和模式下合相有功和无功电能的计量方式为：

Ept＝Epa+Epb+Epc

E_Pt为合相电能；E_Pa、E_Pb、E_Pc为三相电的单相电能；

绝对值加模式下合相有功和无功电能的计量方式为：

Ept＝|Epa|+|Epb|+|Epc|

E_Pt为合相电能；E_Pa、E_Pb、E_Pc为三相电的单相电能；

视在电能的计量方式也有两种,一种是使用PQS计量模式，一种是使用RMS计量模式；在PQS计量模式，视在电能的计算方式是使用将有功电能和无功电能的平方和相加再开方得到，计算公式如下：

其中S_T表示的是视在电能，P_T表示的是有功电能，Q_T表示的是无功电能；

在RMS计量模式中，视在电能的计算方式是使用将各相电压、电流有效值的乘积作和积分得到，其公式如下式所示：

S_T＝∫(U_raI_ra+U_rbI_rb+U_rcI_rc)dt

其中S_T表示的是视在电能，U为单相电压，I为单相电流；

步骤4.2：已知抽油机消耗的有功电能,对抽油系统的泵效进行计算步骤如下：

通过基于电参数的实时检测抽油系统效率的智能监测装置测量得到的耗电量对油井的产液量进行预测，得到系统的每冲次的实际产液量；

计算公式为：

上式中Q代表抽油机的产液量，单位是吨；P代表抽油机消耗的有功电能，单位是千瓦时；ω代表抽油机的吨液耗电量系数，单位是t/kw·h，该系数可以根据抽油机的实际产液量和耗电量历史数据和系统效率计算得到；ε代表产液量偏移误差；

根据抽油机的机械参数和采集得到的冲次时间计算得到理论产液量：

上式中，D_p代表抽油泵直径，单位是m；n代表冲次，单位是1/min；S代表冲程，单位是m；

计算得到抽油机系统的泵效。在实际生产过程中，泵效定义为实际产液量和理论产液量的比值，用公式表示为:

上式中,η_p表示泵效；Q_r表示抽油机的实际产液量，单位是m³；Q_t表示抽油机的理论产液量，单位是m³；

步骤4.3：已知抽油系统的泵效,对抽油系统效率的计算步骤如下：

通过基于电参数的实时检测抽油系统效率的智能监测装置测量得到的油井每冲次的输入功率，抽油机电机的输入功率P_in可以由三相多功能电能计量模块计算得到；

通过基于电参数的实时检测抽油系统效率的智能监测装置测量得到的耗电量对油井的产液量进行预测，得到系统的每冲次的实际产液量Q_r；

根据现场实际检测到的一个冲次内动液面数据，井口油压、套压数据，计算得到有效扬程；

有效扬程的计算公式如下：

上式中，h代表油井动液面深度，单位是m；P_油代表井口油压，单位是MPa；P_套代表井口套压，单位是MPa；

再根据预测的产液量，有效扬程计算得到抽油机的所做的有效功率；

抽油机有效功率即将井内液体提升至地面所需功率，计算公式如下：

上式中，Q代表抽油机的日产液量，单位是m³，H提升井内液体的有效扬程，单位是m；ρ代表原油密度；

根据平均输入功率和有效功率计算得到抽油机的系统效率；

系统效率可以直接反映抽油机井系统的电能利用率情况；系统效率的定义为抽油机提升井内液体做的有效功率与电机输入功率值的比值，公式如下:

上式中，η_s代表抽油机井的系统效率，P_w代表抽油机有效功率，P_in代表抽油机电机的输入功率；

步骤5：其他各模块输入嵌入式数据处理模块的数据与经过嵌入式数据处理模块的计算后的数据通过以太网通讯模块传输至上位机；

步骤6:外部通讯模块和外部设备进行数据通讯，通过多种方式和外部设备相连进行通讯；将系统内部的运行信息实时输出到相连外部设备中，触摸液晶显示模块实时显示系统内部的运行信息。

进一步地，三相多功能电能计量模块，适用于三相三线制和三相四线制应用；测量各相及合相的电流、电压、功率因数、电流与电压间相角、电压间相角、频率；测量各相以及合相全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、视在电能；测量各相以及合相基波的有功功率、无功功率、视在功率、电流有效值、电压有效值；测量和保存各相电压和电流通道的ADC采样值；监测三相电路的失压、过流、缺相、三相不对称等故障；将有功电能，无功电能，视在电能，和基波电能的脉冲信号通过脉冲光电隔离输出电路进行输出；并调整误差，将标准三相功率的信号输入装置中，通过键盘输入模块和触摸液晶屏模块在装置的主界面上选择进行自动误差调整，并依次将标准功率仪输出的标准电压值，标准电流值，标准功率值，各项误差值通过键盘输入模块依次输入以实现自动校准。

有益效果：

(1)功能全面。充分考虑油田生产的实际需求，可提供多种抽油井生产过程中的重要数据，如产液量、耗电量、泵效、系统效率、停电停井记录、电机各项电参数等关键变量和参数，可以对抽油机运行过程中的各项重要参数进行全面的检测，同时多项参数的计算方式可以用户根据需求自行选择，评估标准多样化，可以有效地协助现场工程师对油井的运行状态进行全面的评估和诊断。

(2)运行时间长。本装置不用电池供电，直接从电网取电，可以全天24小时不间断运行，装置使用时间不受电量制约，且在装置断电情况下，装置内部分模块使用备用电源供电，保证装置持续运行，并且在上电后在备用电源防过充电路的保护下对备用电源进行自动充电，极大的提高的装置的运行时间，并对其实时性提供了保障。

(3)实时性好。本装置在可以全天不间断运行，持续工作，可以对抽油机每一个冲次的数据实时进行采集，计算，处理，发送，存储，显示和记录，实现对抽油机各项参数和运行状况的实时监测和显示，具有很好的实时性。

(4)安装和维护快捷。相比传统的抽油机传感器，本装置在安装时无需进行停井卸载，仅需要将设备安装在现场的配电相中并与电机的输入端连接，即可完成设备的安装，整个过程简便快捷安全。当装置需要维护升级时，可以由预留的升级端口对装置进行升级，无需拆卸，即使装置发生故障，也无需停井卸载，直接可以更换，维护方便。

(5)可靠性高。相比于传统的抽油机传感器安装在抽油机上，长期暴露在外，长时间受环境影响。本装置安装在配电箱中，不易受环境影响，不易发生故障，可靠性高。

(6)智能化程度高。装置不仅可以将采集和处理得到的所有数据和信息实时显示在液晶屏上，还可以按照时间自动生成数据报表并且通过SD卡存储起来，同时也可以将这些数据通过串口，RS485，USB等方式发送给其他外部设备，或通过以太网传输给上位机存储进入数据库和网络平台，并可以在手机App上对这些数据进行实时查看，智能化程度高。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的基于电参数实时检测抽油系统效率的智能监测装置的系统框图；

图2是本发明具体实施方式中的计量抽油机功率的具体工作步骤。

图3是本发明具体实施方式中的三相多功能电能计量模块中的偏移误差自动校准流程图；

图4是本发明具体实施方式中的三相多功能电能计量模块中的增益误差自动校准流程图；

图5是本发明具体实施方式中的液晶屏界面组成图；

图6是本发明具体实施方式中的远程终端APP界面组成图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做详细说明。

基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置及方法，

如图1所示，本发明一种基于电参数的实时检测抽油系统效率的智能监测装置主要由以下各个部分组成：

互感器模块，其主要功能在于将互感器一次侧的高电压信号和大电流信号按照一定的比例变换传递到二次侧成为的低电压信号和小电流信号，方便进行检测和测量。互感器模块还将起到电气隔离的效果，使智能监测装置的电路与一次侧主电路隔离开，防止因主电气电路故障对二次侧电路造成损坏，同时使得仪表的输入规格统一，易于实现标准化。

信号调理模块，主要功能在于将互感器模块二次侧输出的电流信号按照一定的比例变换成为电压信号，并且对电压信号中的高频信号进行滤波，消除信号中的高频噪声，提高采集到数据的精度。

三相多功能电能计量模块，主要用于对信号调理模块输出的信号进行采集、处理和计算，得到抽油机电机的在运行过程的各项电能参数。

冲次检测模块，主要功能是检测抽油机曲柄运动的下死点，并检测获取抽油机的冲次时间。

键盘输入模块，主要功能用于设置装置的各项系统参数，向本装置中输入数据，对装置的各项显示界面进行切换，以实现用户和装置的人机交互。

触摸液晶显示模块，主要用于实时显示用户界面，显示采集、计算得到的各项数据及其数据报表和数据曲线，显示系统选项和系统提示信息，直观地向用户展示其内部数据、信息、和图表，并且可以支持触屏操作和查看，可以同时配合键盘输入模块共同使用实现良好的人机交互。

外部通讯模块，主要用于和其它外部设备进行数据通讯，可通过USB直连线，串口线，RS485通讯线和外部设备相连进行通讯。该模块可以将系统内部的运行信息实时输出到相连外部设备中，并可以接收来自外部的特定指令对内部数据进行相关的操作或获取相应的内部数据和信息。

以太网通信模块，该模块主要由网络通信芯片和RJ45网络通信接口组成。主要功能用于和上位机进行网络通讯和数据传输，该模块通过以太网获取上位机的指令，解析指令后将上位机所需要的数据和信息发送给上位机，或者按照上位机的指令对系统内部的参数进行设置。

实时时钟模块，主要功能在于向装置提供一种高精度，低功耗，低温漂，持续运行的实时时钟，使本装置即使在断电的情况下，仍然可以保证系统时间稳定运行，并且可以在装置上电后自动对备用电源充电，同时在备用电源防过充电路的保护下，保证备用电源的安全和可靠，装置复位后可以自动记录停电时间点和停电时间周期的长度，并加入到系统停电纪录报表中。

数据存储模块，该模块主要功能在于将抽油机运行过程中采集处理得到的所有数据和系统信息按照时间存入到SD卡电路中，并在用户的操作下将SD卡中存储的数据显示到主界面上。

电源稳压模块，该模块的主要功能在于向整个装置中的其他各个模块提供稳定的电压和充足的电流。

嵌入式数据处理模块，主要功能在于采集和处理来自其他各个模块的数据，并对系统的硬件资源和软件资源进行分配，控制和管理。

所述的基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置对抽油系统进行一体化智能监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：该装置安装在抽油机井电机电源的控制柜或独立控制柜中，通过三相电压屏蔽线缆将电机的三相电压接入装置的三相电压输入端，通过互感器模块中的一级电流互感器将电机的三相电流信号输入到装置的三相电流输入端，通过两相电压屏蔽线缆将现场的220V电压接入到装置的电源模块中实现对装置的供电，装置的冲次检测模块安装在抽油机安装在抽油机曲柄内侧的金属梁上，并将其信号线接入到装置的冲次信号输入接口；

步骤2：通过信号调理模块将互感器模块输入的电流信号转换为电压模块，提高信号的精度，并将处理后的信号输入三相多功能电能计量模块；

步骤3：三相多功能电能计量模块对信号调理模块输出的信号进行采集、处理、计算，得到抽油机电机运行过程中的各项参数，对误差进行调整后，将参数输入到嵌入式处理模块；

步骤4：嵌入式数据处理模块接收来自三相多功能电能计量模块、键盘输入模块、外部通讯模块、以太网通信模块、实时时钟模块、冲刺检测模块的数据，并对所得数据进行计算，完成对抽油系统效率的测量；

计算方法如下：

步骤4.1：对抽油机电机的电能消耗进行计算：

测量可知的电能类型包括抽油机有功电能，无功电能，视在电能；有功电能和无功电能通过瞬时有功功率，瞬时无功功率，和瞬时视在功率对时间的积分得到；单相有功和无功电能的计算公式为：

E_p＝∫p(t)dt

E_P为抽油机电机电能；p为抽油机电机的功率；t为时间；

合相有功和无功电能可以根据设置按照代数和或者绝对值的模式进行累加，代数和模式下合相有功和无功电能的计量方式为：

Ept＝Epa+Epb+Epc

E_Pt为合相电能；E_Pa、E_Pb、E_Pc为三相电的单相电能；

绝对值加模式下合相有功和无功电能的计量方式为：

Ept＝|Epa|+|Epb|+|Epc|

E_Pt为合相电能；E_Pa、E_Pb、E_Pc为三相电的单相电能；

视在电能的计量方式也有两种,一种是使用PQS计量模式，一种是使用RMS计量模式；在PQS计量模式，视在电能的计算方式是使用将有功电能和无功电能的平方和相加再开方得到，计算公式如下：

其中S_T表示的是视在电能，P_T表示的是有功电能，Q_T表示的是无功电能；

在RMS计量模式中，视在电能的计算方式是使用将各相电压、电流有效值的乘积作和积分得到，其公式如下式所示：

S_T＝∫(U_raI_ra+U_rbI_rb+U_rcI_rc)dt

其中S_T表示的是视在电能，U为单相电压，I为单相电流；

步骤4.2：已得出抽油机消耗的有功电能,则对抽油系统的泵效进行计算，计算步骤如下：

通过基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置测量得到的耗电量对油井的产液量进行预测，得到系统的每冲次的实际产液量；

计算公式为：

上式中Q代表抽油机的产液量，单位是吨；P代表抽油机消耗的有功电能，单位是千瓦时；ω代表抽油机的吨液耗电量系数，单位是t/kw·h，该系数可以根据抽油机的实际产液量和耗电量历史数据和系统效率计算得到；ε代表产液量偏移误差；

根据抽油机的机械参数和采集得到的冲次时间计算得到理论产液量：

上式中，D_p代表抽油泵直径，单位是m；n代表冲次，单位是1/min；S代表冲程，单位是m；

计算得到抽油机系统的泵效。在实际生产过程中，泵效定义为实际产液量和理论产液量的比值，用公式表示为:

上式中,η_p表示泵效；Q_r表示抽油机的实际产液量，单位是m³；Q_t表示抽油机的理论产液量，单位是m³；

步骤4.3：已得出抽油系统的泵效,则对抽油系统效率进行计算，计算步骤如下：

通过基于电参数的实时监测抽油系统效率的一体化智能监测装置测量得到的油井每冲次的输入功率，抽油机电机的输入功率P_in可以由三相多功能电能计量模块计算得到；

通过基于电参数的实时监测抽油系统效率的一体化智能监测装置测量得到的耗电量对油井的产液量进行预测，得到系统的每冲次的实际产液量Q_r；

根据现场实际检测到的一个冲次内动液面数据，井口油压、套压数据，计算得到有效扬程；

有效扬程的计算公式如下：

上式中，h代表油井动液面深度，单位是m；P_油代表井口油压，单位是MPa；P_套代表井口套压，单位是MPa；

再根据预测的产液量，有效扬程计算得到抽油机的所做的有效功率；

抽油机有效功率即将井内液体提升至地面所需功率，计算公式如下：

上式中，Q代表抽油机的日产液量，单位是m³，H提升井内液体的有效扬程，单位是m；ρ代表原油密度；

根据平均输入功率和有效功率计算得到抽油机的系统效率；

系统效率可以直接反映抽油机井系统的电能利用率情况；系统效率的定义为抽油机提升井内液体做的有效功率与电机输入功率值的比值，公式如下:

上式中，η_s代表抽油机井的系统效率，P_w代表抽油机有效功率，P_in代表抽油机电机的输入功率；

步骤5：其他各模块输入嵌入式数据处理模块的数据与经过嵌入式数据处理模块的计算后的数据通过以太网通讯模块传输至上位机；

步骤6:外部通讯模块和外部设备进行数据通讯，通过多种方式和外部设备相连进行通讯；将系统内部的运行信息实时输出到相连外部设备中，触摸液晶显示模块实时显示系统内部的运行信息。

如图2所示，本发明一种基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置及方法，其测量抽油系统效率包括如下步骤：

步骤1：校准装置,在使用装置之前可以对装置进行自动校准。将标准功率源的信号输入该模块中，通过键盘输入模块和触摸液晶屏模块在装置的主界面上进行切换，点选主界面上“系统参数设置”按钮进入系统参数设置界面，再点击“电参数计量设置”按钮进入电参数计量设置界面，并点选该界面的“电参数误差自动校准”按钮开始误差自动校准。根据屏幕上的提示，依次将标准功率仪输出的标准电压值，标准电流值，标准功率值，各项误差值通过键盘输入模块依次输入，并点击“确定”按钮实现误差的自动校准。校准后的数值会自动存储进入内部数据存储模块中，校准数据的长期存储，即使装置断电，校准数据值也不会丢失。

如图3所示为三相多功能电能计量模块的偏移误差校表流程图，首先先将三相标准功率源的和本装置的三相信号输入端相连，之后先关闭标准功率源的输出，界面选择开启偏移误差自动校准，装置会自动采集当前的标准电流电压和功率数据，并根据采集的到的值自动计算校准值，依次实现对电流电压数据的校准，对功率和功率因数的校准，并将校准后的数据存储进入内部寄存器中，并使用校准后的值再次自动采集以上电参数，如果数据准确且误差较小，将校表值存入闪存中保存使用，如果数据误差较大，将自动进行下一次自动校准，重复操作直到数据符合精度才结束，如果自动校准重复到一定次数依然存在问题，那么会在液晶屏上提示校准失败，并提示用户检查信号线连接和输入值是否正确。

如图4所示为三相多功能电能计量模块的增益误差校表流程图，首先将三相标准功率源和本装置的三相信号输入端相连，先进行自动偏移误差校表，之后先开启标准功率源的输出，界面上设置标准功率源的输出值，并在界面上开启增益误差自动校准，装置会自动采集当前的标准电流、电压、功率和功率因数的数据，并根据采集的到的值自动计算校准值，依次实现对电流电压数据的校准，对功率和功率因数的校准，并将校准后的数据存储进入内部寄存器中，并使用校准后的值再次自动采集以上电参数并和标准功率源的输出值进行对比，如果数据准确且误差较小，将校表值存入闪存中保存使用，如果数据误差较大，将自动进行下一次自动校准，重复操作直到数据符合精度才结束，如果自动校准重复到一定次数依然存在问题，那么会在液晶屏上提示校准失败，并提示用户检查信号线连接和输入值是否正确。

步骤2：安装装置并连线，安装基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置，并和抽油机电机线路进行接线连接，本装置在实际现场安装时共需安装两部分：智能监测装置和冲次检测模块。

装置安装在抽油机井电机电源的控制柜或独立控制柜中。

(1)连接装置电源线。通过两芯屏蔽线缆将工业现场的220V交流电接入到装置的电源模块的交流电输入接口，并在安装期间关闭电源开关。

(2)连接电压线。通过三相电压屏蔽线缆将电机的三相电压依次接入装置的三相电压输入端。

(3)安装一级电流互感器。将一级电流互感器套接在电机的三相供电线路上，将电机的三相电流信号依次输入到装置的三相电流输入端。电压线接线顺序需要和电流线接线顺序相同。例如，电压线三线依次和和电机的A/B/C三相连接，并依次接入到装置主电路板的电压输入端a/b/c接线端子，那么电路互感器也应当依次套接在电机的A/B/C相上，并依次将输出信号接入到电路板电流输入端的a/b/c接线端子，保证顺序一致。

本装置的冲次检测模块安装在抽油机曲柄内侧的金属梁上，调整冲次检测模块的磁力表座改变接近开关的朝向和角度，并调整接近开关和抽油机曲柄的相对位置以保证曲柄处于接近开关的检测范围内。

步骤3：系统参数设置。安装完成后，打开装置电源后，先对系统参数进行设置。第一次上电系统会进入到系统参数设置界面或通过使用输入键盘切换进入系统参数设置界面。系统参数设置界面可以对装置系统时间，抽油机参数，程序运行选项，登录密码，电参数计量设置等重要系统参数进行设置。

所述抽油机参数，包括：抽油机的吨液耗电量系数，产液量偏移误差，抽油泵直径，冲程，原油密度，油井动液面深度，井口油压，井口套压等。如：

抽油机参数	数值
		吨液耗电量系数	0.424t/kw·h
产液量偏移误差	0.018t
		抽油泵直径	44mm
冲程	3m
		原油密度	0.8602kg/m<sup>3</sup>
油井动液面深度	1102m
		井口油压	0.723MPa
井口套压	0.988MPa

步骤4：采集冲次时间。设置完系统参数后，装置会对数据自动进行采集。首先装置会采集抽油机的冲次时间，装置在曲柄到达装置的冲次检测模块的检测范围后，会开启内部计时程序计量冲次时间，在第二次曲柄到达装置的冲次检测模块的检测范围后，停止计时，并计算得到冲次时间。如，实测某抽油机某冲次的时间为12.453s，冲次为4.82次/min。

步骤5：计量抽油机电参数。电参数的计量共包含三部分操作：电信号检测，信号调理，电参数计算。

(1)电信号检测，装置使用互感器模块获取抽油机电机的三相电压和三相电流信号，本装置的互感器模块包含三个电压互感器，三个一级电流互感器，和三个二级电流互感器。其中电压互感器和二级电流互感器安装于主电路板上，一级电流互感器安装于抽油机电机的供电电路中，同时其输出和二级电流互器的输入端相连。电压互感器的的变比系数为和二级电流互感器的变比系数为固定比例变比系数，一级电路互感器的变比系数可以根据抽油机电机的型号具体进行选择。互感器模块将变比后的电信号传输到信号调理模块中。

(2)信号调理，装置使用信号调理模块进行信号调理，该模块主要由高精度I-V转换电路和抗混叠滤波器电路组成，高精度I-V转换电路用于将互感器输出的小电流信号按照三相多功能电能计量模块的需求按照一定比例转换成电压信号，再通过抗混叠滤波电路将信号中的对采样构成干扰的噪声和干扰成分滤除，同时将信号中的混叠频率分量降到最低，有效地提高信号的有效成分和采样精度。

(3)电参数计算。装置使用三相多功能电能计量模块对调理后的电参数进行计算。主要由三相电量计电路和脉冲光电隔离输出电路组成，适用于三相三线和三相四线应用。该模块能够准确快速地测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能量、视在能量，同时还能测量各相及合相的电流、电压、功率因数、电流与电压间相角、电压间相角、频率等各项电参数，同时还可以对失压、过流、缺相、三相不对称等三相电路故障进行实时监测。

步骤7：计算泵效。泵效是抽油机井设备利用效率和管理水平的直接体现，通过查看系统的泵效，油井的现场操作人员可以对泵效不高的油井采用合理措施以提高泵效，让抽油泵在最佳工况的情况下工作，从而达到优化生产的要求。在实际生产过程中，实际产液量一般都不会比理论产液量高，两者的比值定义为泵效，用公式表示为:

上式中,η_p表示泵效；Q_r表示抽油机的实际产液量，单位是m³；Q_t表示抽油机的理论产液量，单位是m³，理论泵效可以可使用机械参数计算得到，其公式如下：

上式中，D_p代表抽油泵直径，单位是m；n代表冲次，单位是1/min；S代表冲程，单位是m。

智能装置在处理得到抽油机的耗电量后就可以公式计算得到抽油机实际产液量。计算公式为：

上式中Q_r代表抽油机的产液量，单位是吨；P代表抽油机消耗的有功电能，单位是千瓦时；ω代表抽油机的吨液耗电量系数，单位是t/kw·h，该系数可以根据抽油机的实际产液量和耗电量历史数据和系统效率计算得到；ε代表产液量偏移误差，单位是t。

例如，某抽油泵直径D_p为0.44m；冲次n是4.81次/min；冲程S是3，单位是m，抽油机消耗的有功电能P为0.05Kwh，产液量偏移误差ε为0.018t，吨液耗电量系数ω为0.424t/kw·h，计算得到其泵效为46.3％。

步骤6：计算系统效率。

系统效率可以直接反映抽油机井系统的能量利用率情况。系统效率的定义为抽油机提升井内液体做的有效功率与电机输入功率值的比值，公式如下:

上式中，η_s代表抽油机井的系统效率，P_w代表抽油机有效功率，P_in代表抽油机电机的输入功率。抽油机有效功率是将井内液体提升至地面所需功率，计算公式如下：

上式中，Q代表抽油机的日产液量，单位是m³，H提升井内液体的有效扬程，单位是m；ρ代表原油密度，单位是t/m³。

有效扬程的计算公式如下：

上式中，h代表油井动液面深度，单位是m；P_油代表井口油压，单位是MPa；P_套代表井口套压，单位是MPa。

抽油机电机的输入功率P_in已经由三相多功能电能计量模块计算得到，联立以上方程可以得到抽油机井系统的系统效率。

本例，原油密度ρ是0.8602t/m³，油井动液面深度h是1102m；井口油压P_油是0.723MPa；井口套压P_套是0.988MPa,计算得到系统效率为18.7％。

步骤8：进行数据显示

装置在完成所有数据的计算后，装置就可以对数据进行实时显示，传输和存储。

数据的显示：数据显示通过装置的触摸液晶显示模块实现。如图5所示该模块可以显示的界面有主界面、系统参数设置界面、用户登录界面和数据报表界面。

(1)主界面可以实时显示和更新系统当前的日期和时间，日耗电量，月耗电量，日产液量，月产液量，可以显示数据曲线窗口，数据选项栏，系统信息栏。

(2)数据选项栏主要由“电流”显示按钮，“电压”显示按钮，“功率”显示按钮，“功率因数”显示按钮，“纵轴缩放”显示按钮组成，通过触摸屏或使用薄膜按键选择并按下相应功能的按钮，可以显示对应数据在一个冲次中的变化曲线。

(3)系统信息栏主要显示当前系统信息，程序运行状态，冲次时间，数据点个数，泵效，系统效率，SD卡插入状态等信息。

(4)系统参数设置界面可以对装置系统时间，抽油机机械参数，程序运行选项，登录密码，电参数计量设置等重要系统参数进行设置。

(5)数据报表界面可以显示最新一个冲次下的各项电参数的最大值、最小值、均值，显示抽油机的停电停井记录。通过触摸屏在各个用户界面上按下相应的选项按钮，可以实现图形界面之间的相互切换。

步骤9：进行数据存储。

本装置的数据存储模块主要由外扩闪存电路、SD卡接口电路和SD卡构成。该模块的功能是对装置的数据和装置信息进行非易失数据存储。其中外扩闪存电路的主要存储程序重要变量、测试数据、用户标志、用户信息、抽油机机械参数、系统最新运行时间等系统重要的内部信息。SD卡接口电路用于插拔SD卡和对SD卡数据进行读写操作，是装置和SD卡之间的数据和机械接口。SD卡主要用于对装置采集、计算得到的数据和信息进行存储，主要包括每个冲次内的所有的三相电参数，冲次时间，耗电量记录，产液量记录，故障记录等数据和信息。

步骤10：进行数据传输。

本装置使用外部通讯模块和外部设备进行通信和数据传输，使用以太网通信模块，上位机和远程终端APP实现远程网络数据传输和数据共享。

外部通讯模块主要由USB通讯电路，RS232/RS485通讯电路组成。装置中包含两路RS232、一路RS485、一路USB通讯，可支持以上通讯设备同时向外部设备发送系统内部数据和系统信息，并接受来自外部设备的指令实现内部数据操作和信息管理。

以太网通信模块主要由W5500网络通信电路和RJ45通讯接口电路组成。该模块通过网线和中继设备将数据和系统信息传输到上位机，上位机对接收到的所有数据进行处理。同时该模块接受上位机发送的指令，对数据进行相应处理和操作。该模块使用了硬件化的逻辑门电路来实现TCP/IP网络协议，网络攻击和病毒是不可攻击的，保障了现场工业网络和数据传输的安全性。同时该模块支持10M和100M网络通信速率，保障了工业现场数据传输的速率。

上位机主要由工控机，网络数据平台构成。工控机的主要功能在于向下位机装置发送指令，并接受来自各个下位机的数据和信息，存储进入到数据库中，同时对所有的数据和信息进行管理和显示。工控机还将数据发送到网络数据平台上，用于数据网络传输和数据共享，用户可以在网上登录数据平台并对每日的数据进行查看。

远程移动终端APP安装于用户的手机上，APP实时从网络数据平台上读取数据和信息并显示在界面上。如图6所示是液晶屏界面的组成框图，远程终端APP主要有5个功能界面，分别是：

(1)用户的注册和登录界面，操作人员可通过用户姓名、工号等基本信息完成用户的注册和登录。在登录界面中，姓名、账号(工号或手机号)、密码为必填项，当有任何一项错误时用户将无法登录。同时，登录界面提供客户端保存密码及自动登录功能，方便同一设备、同一用户在正常使用环境下的快速登录使用。

(2)服务器ip设置界面，系统提供默认服务器地址，当服务器地址发生变动，用户可通过手动设置的方式对地址进行设置，设置的格式为“ip(或域名)：端口号”的形式。系统会自动缓存用户设置的地址值，在下一次登录时自动调用连接。同时该界面提供默认地址恢复功能，方便操作人员在服务器正常工作的情况下对服务器ip的快速设置。

(3)井号选择和管理界面，该界面可实现对井号的关键字搜索，方便操作人员快速查找。同时提供列表刷新功能，提高操作人员所见数据的实时性。另外该界面提供了新消息入口，方便操作人员对出现故障油井的快速定位。

(4)抽油井数据查询和数据显示界面，该界面实现了对电流、电压及功率数据和波形的显示，三个参数各自显示界面可通过界面下部的查询按钮进行切换。同时还可以显示系统的耗电量，产液量，泵效，系统效率等参数。

(5)历史记录查询界面，通过对该界面的选择和设置，该界面会对相应日期的数据进行查询显示。

Claims (4)

1.基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置，其特征在于包括以下组成部分：

电源稳压模块，由外部开关电源，5V稳压电路，3.3V稳压电路，和电源滤波电路组成，向整个装置中的其他各个模块提供稳定的电压和充足的电流；

互感器模块，通过三个一级电流互感器，和三个二级电流互感器将互感器一次侧的高电压信号和大电流信号按照一定的比例变换传递到二次侧成为低电压信号和小电流信号，同时将电气隔离；

信号调理模块，通过高精度I-V转换电路和抗混叠滤波器电路将互感器模块二次侧输出的电流信号变换成为电压信号，并且对电压信号中的高频信号进行滤波，提高采集到数据的精度；

三相多功能电能计量模块，通过三相电量计电路和脉冲光电隔离输出电路对信号调理模块输出的信号进行采集、处理和计算，得到抽油机电机在运行过程的各项电参数，并将参数发送到嵌入式数据处理模块；

键盘输入模块，由薄膜键盘、消抖电路、按键接口组成，设置装置的各项系统参数，向嵌入式数据处理模块输入数据，对装置的各项显示界面进行切换，实现用户和装置的人机交互；

外部通讯模块，由USB通讯电路，RS232/RS485通讯电路组成，并和外部设备进行数据通讯，可通过多种方式和外部设备相连进行通讯；将系统内部的运行信息实时输出到相连外部设备中，并接收来自外部的特定指令，将指令输入嵌入式数据处理模块中；

以太网通信模块，由W5500网络通信电路和RJ45通讯接口电路组成，和上位机进行网络通讯和数据传输，通过以太网获取上位机的指令，解析指令后将上位机所需要的数据和信息发送给上位机，或者按照上位机的指令对系统内部的参数进行设置，并输入嵌入式数据处理模块中；

实时时钟模块，由备用电源、实时时钟电路、备用电源防过充电路组成，向装置提供一种持续运行的实时时钟，使本装置即使在断电的情况下，仍然可以保证系统时间稳定运行，并且可以在装置上电后自动对备用电源充电，同时在备用电源防过充电路的保护下，保证备用电源的安全和可靠，并将电源情况传输至嵌入式数据处理模块；

冲次检测模块，检测抽油机曲柄运动的下死点，检测抽油机的冲次时间，并将获取的冲次时间输入到嵌入式数据处理模块；

数据存储模块，将抽油机运行过程中采集处理得到的所有数据和系统信息按照时间存入到SD卡和内部闪存电路中；

嵌入式数据处理模块由STM32F4最小系统电路构成，采集和处理来自其他各个模块的数据，并对系统的硬件资源和软件资源进行分配，控制和管理，为本装置的核心模块；

触摸液晶显示模块，内嵌在装置的外壳上，并通过软排线和装置的主电路板相连接，实时显示用户界面，显示经过嵌入式数据处理模块采集、计算得到的各项数据及其数据报表和数据曲线，显示系统选项和系统提示信息，支持触屏操作和界面切换。

2.根据权利要求1所述基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置，其特征在于：对抽油机的停电和停井时间进行计量，所述实时时钟模块在停电和不停电的情况下持续计量系统运行的时间；

在抽油机停电后，装置会记录停电的时间点，当上电之后，装置会自动读取停电前的时间记录和当前时间，并且将停电时间点和停电时间进行显示，发送和存储记录；

如果抽油机发生停井事故，装置可以通过冲次检测模块检测到发生停井事故，并根据当前系统时间可以对停井时间和停井时间段进行计量，并且将停井时间点和停井时间段进行显示，发送和存储记录。

3.采用权利要求1所述的基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置对抽油系统进行一体化智能监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：该装置安装在抽油机井电机电源的控制柜或独立控制柜中，通过三相电压屏蔽线缆将电机的三相电压接入装置的三相电压输入端，通过互感器模块中的一级电流互感器将电机的三相电流信号输入到装置的三相电流输入端，通过两相电压屏蔽线缆将现场的220V电压接入到装置的电源模块中实现对装置的供电，装置的冲次检测模块安装在抽油机安装在抽油机曲柄内侧的金属梁上，并将其信号线接入到装置的冲次信号输入接口；

步骤2：通过信号调理模块将互感器模块输入的电流信号转换为电压模块，提高信号的精度，并将处理后的信号输入三相多功能电能计量模块；

步骤3：三相多功能电能计量模块对信号调理模块输出的信号进行采集、处理、计算，得到抽油机电机运行过程中的各项参数，对误差进行调整后，将参数输入到嵌入式处理模块；

步骤4：嵌入式数据处理模块接收来自三相多功能电能计量模块、键盘输入模块、外部通讯模块、以太网通信模块、实时时钟模块、冲刺检测模块的数据，并对所得数据进行计算，完成对抽油系统效率的测量；

计算方法如下：

步骤4.1：对抽油机电机的电能消耗进行计算：

测量可知的电能类型包括抽油机有功电能，无功电能，视在电能；有功电能和无功电能通过瞬时有功功率，瞬时无功功率，和瞬时视在功率对时间的积分得到；单相有功和无功电能的计算公式为：

E_p＝∫p(t)dt

E_P为抽油机电机电能；p为抽油机电机的功率；t为时间；

合相有功和无功电能可以根据设置按照代数和或者绝对值的模式进行累加，代数和模式下合相有功和无功电能的计量方式为：

Ept＝Epa+Epb+Epc

E_Pt为合相电能；E_Pa、E_Pb、E_Pc为三相电的单相电能；

绝对值加模式下合相有功和无功电能的计量方式为：

Ept＝|Epa|+|Epb|+|Epc|

E_Pt为合相电能；E_Pa、E_Pb、E_Pc为三相电的单相电能；

视在电能的计量方式也有两种,一种是使用PQS计量模式，一种是使用RMS计量模式；在PQS计量模式，视在电能的计算方式是使用将有功电能和无功电能的平方和相加再开方得到，计算公式如下：

其中S_T表示的是视在电能，P_T表示的是有功电能，Q_T表示的是无功电能；

在RMS计量模式中，视在电能的计算方式是使用将各相电压、电流有效值的乘积作和积分得到，其公式如下式所示：

S_T＝∫(U_raI_ra+U_rbI_rb+U_rcI_rc)dt

其中S_T表示的是视在电能，U为单相电压，I为单相电流；

步骤4.2：已得出抽油机消耗的有功电能,则对抽油系统的泵效进行计算，计算步骤如下：

通过基于电参数的实时监测抽油系统效率的一体化智能监测装置测量得到的耗电量对油井的产液量进行预测，得到系统的每冲次的实际产液量；

计算公式为：

上式中Q代表抽油机的产液量，单位是吨；P代表抽油机消耗的有功电能，单位是千瓦时；ω代表抽油机的吨液耗电量系数，单位是t/kw·h，该系数可以根据抽油机的实际产液量和耗电量历史数据和系统效率计算得到；ε代表产液量偏移误差；

根据抽油机的机械参数和采集得到的冲次时间计算得到理论产液量：

上式中，D_p代表抽油泵直径，单位是m；n代表冲次，单位是1/min；S代表冲程，单位是m；

计算得到抽油机系统的泵效，在实际生产过程中，泵效定义为实际产液量和理论产液量的比值，用公式表示为:

上式中,η_p表示泵效；Q_r表示抽油机的实际产液量，单位是m³；Q_t表示抽油机的理论产液量，单位是m³；

步骤4.3：已得出抽油系统的泵效,则对抽油系统效率进行计算，计算步骤如下：

通过基于电参数的实时监测抽油系统效率的一体化智能监测装置测量得到的油井每冲次的输入功率，抽油机电机的输入功率P_in可以由三相多功能电能计量模块计算得到；

通过基于电参数的实时监测抽油系统效率的一体化智能监测装置测量得到的耗电量对油井的产液量进行预测，得到系统的每冲次的实际产液量Q_r；

根据现场实际检测到的一个冲次内动液面数据，井口油压、套压数据，计算得到有效扬程；

有效扬程的计算公式如下：

上式中，h代表油井动液面深度，单位是m；P_油代表井口油压，单位是MPa；P_套代表井口套压，单位是MPa；

再根据预测的产液量，有效扬程计算得到抽油机的所做的有效功率；

抽油机有效功率即将井内液体提升至地面所需功率，计算公式如下：

上式中，Q代表抽油机的日产液量，单位是m³，H提升井内液体的有效扬程，单位是m；ρ代表原油密度；

根据平均输入功率和有效功率计算得到抽油机的系统效率；

系统效率可以直接反映抽油机井系统的电能利用率情况；系统效率的定义为抽油机提升井内液体做的有效功率与电机输入功率值的比值，公式如下:

上式中，η_s代表抽油机井的系统效率，P_w代表抽油机有效功率，P_in代表抽油机电机的输入功率；

步骤5：其他各模块输入嵌入式数据处理模块的数据与经过嵌入式数据处理模块的计算后的数据通过以太网通讯模块传输至上位机；

步骤6:外部通讯模块和外部设备进行数据通讯，通过多种方式和外部设备相连进行通讯；将系统内部的运行信息实时输出到相连外部设备中，触摸液晶显示模块实时显示系统内部的运行信息。

4.根据权利要求3所述的采用基于电参数实时监测抽油系统效率的智能监测装置对抽油系统进行一体化智能监测的方法，其特征在于,三相多功能电能计量模块，适用于三相三线制和三相四线制应用；测量各相及合相的电流、电压、功率因数、电流与电压间相角、电压间相角、频率；测量各相以及合相全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、视在电能；测量各相以及合相基波的有功功率、无功功率、视在功率、电流有效值、电压有效值；测量和保存各相电压和电流通道的ADC采样值；监测三相电路的失压、过流、缺相、三相不对称等故障；将有功电能，无功电能，视在电能，和基波电能的脉冲信号通过脉冲光电隔离输出电路进行输出；并调整误差，将标准三相功率的信号输入装置中，通过键盘输入模块和触摸液晶屏模块在装置的主界面上选择进行自动误差调整，并依次将标准功率仪输出的标准电压值，标准电流值，标准功率值，各项误差值通过键盘输入模块依次输入以实现自动校准。