本發明涉及抽油機控制裝置，特別是涉及到一種抽油機井群柔性驅動控制系統。

背景技術：

油井生產中普遍采用的游梁式抽油機具有“大馬拉小車”和負載動態急劇變化的特點，這一特點造成抽油機電機功率因數低、抽油機不平衡饋能損耗大、油井變壓器冗余容量大，變壓器損耗嚴重等問題。抽油機系統柔性運行是指當抽油機在遇到負荷變化時，抽油機系統上的驅動力大小變化過程平滑，抽油機曲柄扭矩及功率負荷波動幅度相對較小，波動均勻。柔性運行可以減輕傳動齒輪撞擊強度和負荷波動對動力源的沖擊。

當前國內具有柔性運行特性的技術措施主要包括以下幾個方面：1、采用柔性運行驅動設備，例如：高轉差驅動電動機的應用。高轉差電動機的轉差隨負荷變化而變化的特性可增加抽油機系統運行時的柔性。但由于依靠的是電動機自身的特性，而電動機的轉差范圍有限，故依靠電動機特性實現抽油機系統的柔性運行作用是有限的。2、配有變頻控制器的抽油機系統也具有一定的柔性運行特性，也可部分實現倒發電能的抑制，但無法同時對倒發電能進行回收和利用，造成了電能的白白浪費。3、應用節能型抽油機。例如：雙驢頭抽油機、下偏杠鈴復合平衡抽油機和彎游梁型抽油機等。節能型抽油機主要是通過改變抽油機的結構形式，達到降低抽油機扭矩因數峰值、降低減速箱最大扭矩峰值、減小整機裝機功率的目的，但現場實施困難，無法從電氣技術方面實現柔性控制。

以上方式大多以提高單井運行效率為主，尚未以抽油機井群為單位進行整體柔性控制、整體能效最優相關技術的研究。單井單機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，不利于抽油機群整體的節能和效率的提高。隨著計算機和通訊技術的飛速發展，井群控制裝置聯網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，實現不同井組間能流的有效吸收利用，井群綜合能耗最低，并達到生產參數的綠色、無諧波、柔性控制，是目前實現抽油機井群整體優化和節能的關鍵問題。因此，研究開發抽油機井群集中調參與柔性控制技術，對實現井群的參數跟蹤控制，協調多井間的能量分布和流動，達到井群能效最優具有非常重要的意義。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種開發抽油機井群生產參數、電力參數的動態監控系統，構建井群的整體能流分析模型，研發抽油機井群集中柔性控制體系，達到抽油機井群的整體柔性控制和能效最優的目的的抽油機井群柔性驅動控制系統。

本發明的目的可通過如下技術措施來實現：抽油機井群柔性驅動控制系統，該抽油機井群柔性驅動控制系統包括多個單井柔性控制單元和集總控制單元，每個單井柔性控制單元對應連接一個抽油機，每個單井柔性控制單元將單井生產參數、實時狀況發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據信息，進行融合、分析計算后輸出對應于所有單井的不同的控制參數，分別下達給每個單井柔性控制單元，每個單井柔性控制單元接收到控制參數后，調整其運行模式，按照接收的控制參數運行。

本發明的目的還可通過如下技術措施來實現：

該運行模式包括井群能效最優、能量波動最小以及井群產液量最大。

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，檢測抽油機的電壓信號和電流信號，及表征抽油機運行狀態的電機轉速與游梁傾角，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換為數字信號，并對該單井進行能耗及系統效率的分析計算，優化出電動機一個周期內的轉速分布，然后輸出實時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和抽油機的電動機，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字信號的控制信號轉換成模擬信號并調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，從而實時改變抽油機的電動機的轉速，調整電動機的輸出功率。

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，采集抽油機的電壓信號和電流信號，該轉速傳感器安裝在電動機的軸端，采集電動機的轉速信號，該傾角傳感器安裝在抽油機的游梁軸的正上方，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絡通信接口，實現該DSP核心處理模塊與上位機及該集總控制單元的通信，上位機連接于該通信模塊后，獲取抽油機的當前運行參數，并調整所述單井柔性控制單元的控制參數。

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，將抽油機當前的運行參數和控制參數顯示出來。

該變頻器具有模擬量控制端口，且0-50hz的響應時間不超過3秒。

該DSP核心處理模塊采用帶有32位浮點處理能力的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單井柔性控制單元，實現該集總控制單元與多個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據后，集成優化算法，根據不同目標模式，進行控制優化。

該集總通信模塊還連接于油田中央監控系統，實現與油田中央監控系統的通信，該集總通信模塊上傳井群當前運行狀態參數，接收調整井群控制參數的命令。

本發明中的抽油機井群柔性驅動控制系統，以抽油機井群為主要研究對象，涉及一種抽油機井群集中調參和柔性控制系統。與現有技術相比，本發明所提供的技術方案有以下優點：1、抽油機單井的控制為柔性控制，能夠減小系統的機械沖擊和能量波動，降低電動機的裝機容量，提高電動機的工作效率，并能夠消除倒發電現象，實現系統的節能。2、井群柔性 驅動控制系統以井群為控制對象，便于實現對井群的集中調參，優化管理，減小了單井單機調控的成本，并實現了井群內信息的共享。3、本發明可以針對井群整體進行目標優化，根據不同的目標模式，如井群能效最優、井群能量波動最小、井群產液量最大等，調整不同的優化控制策略，即設定每口單井的不同的控制參數，以單井柔性控制為手段，實現井群的優化調控。通過本發明的開發與應用，將實現井群整體能效水平的提高，改變以往以單井為主的優化控制模式，達到系統綜合節能的目的。

附圖說明

圖1為本發明的抽油機井群柔性驅動控制系統的一具體實施例的結構圖；

圖2為本發明的一具體實施例中單井柔性控制單元結構示意圖；

圖3為本發明的一具體實施例中集總控制單元結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的上述和其他目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，并配合附圖所示，作詳細說明如下。

如圖1所示，圖1為本發明的抽油機井群柔性驅動控制系統的結構圖。該抽油機井群柔性驅動控制系統由多個單井柔性控制單元4與一個集總控制單元5組成。

每個單井柔性控制單元4對應連接一個抽油機2，單井柔性控制單元4采用具有32位浮點處理能力的DSP處理器TMS320F28335來實時檢測抽油機2運行狀態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，從而實時改變抽油機2的電動機的轉速，調整電動機的輸出功率，進而使電動機在抽油機劇烈的載荷波動情況下始終處于較高的負載區段，提高電動機的工作效率。另外單井柔性控制單元4還可優化出電動機一個周期內的轉速分布曲線，進而使抽油機2的系統達到能效最高或產液量最大等目標。同時，該單井柔性控制單元4還能夠實現抽油機2的柔性啟動，大大減小抽油機的啟動電流，消除沖擊。單井柔性控制單元4為抽油 機的控制執行機構。單井柔性控制單元4接收到控制參數后，調整其運行模式，按照接收的控制參數運行，進而從井群的局部和整體角度實現集中調控。該單井柔性控制單元4結合集總控制單元5下達的控制參數和抽油機本身的基本參數，控制抽油機的運行。

集總控制單元5連接于多個單井柔性控制單元4，也是以DSP為核心處理器。集總控制單元5為抽油機井群的中央控制器，它決定整個井群抽油機的運行狀態。該集總控制單元5以井群的能效最優、井群能量波動最小或產液量最大為目標，通過對井群內所有抽油機2井的數據集成、融合，分析井群當前的能量分布和流動情況，在保證正常生產和用電質量的前提下，通過算法優化，生成井群的優化控制策略即對應于每口抽油機2的控制參數，實現井群能量分布的調整，同時也調整了井群整體的產能效果。集總控制單元5設定井群能效最優、能量波動最小或井群產液量最大中一種運行模式，集總控制單元5收集井群中所有單井的數據信息，進行融合、分析計算后輸出優化的井群控制策略，進行集中調參，即輸出對應于所有單井的不同的控制參數，下達給單井柔性控制單元4。

圖2為本發明的單井柔性控制單元結構示意圖。單井柔性控制單元4數量對應于抽油機2的數量，具體控制抽油機2的運行，不同控制參數對應于不同的運行狀態。單井柔性控制單元4是可與上位機12交互，但獨立于上位機12運行的智能控制裝置。

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1連接，輸出端接抽油機2的電動機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、轉速傳感器和傾角傳感器及其調理電路，用于測量抽油機2系統側的電壓信號和電流信號，及表征抽油機運行狀態的電機轉速與游梁傾角。也就是說，信號檢測電路10包含電壓信號、電流信號、轉速信號和傾角信號的采集與調理。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理電路轉換為 0-3V可以接入DSP核心處理電路7的模擬信號。轉速信號通過安裝在電動機3軸端的轉速測量裝置輸出脈沖經過光電隔離后接入DSP核心處理模塊7。傾角傳感器安裝在抽油機的游梁軸的正上方，通過串口向DSP核心處理模塊7發送游梁的傾角信號。

DSP核心處理模塊7，包括數字信號處理器DSP和基于DSP的處理電路，通過D\A轉換將信號檢測模塊10輸出的模擬信號轉換為數字信號，并通過算法進行能耗及系統效率的分析計算，優化出電動機3一個周期內的轉速分布，然后輸出實時控制變頻器11的控制信號給控制量輸出模塊9。DSP核心處理模塊7是對單井進行的能耗、系統效率、運行狀況等的計算分析。另外，通過控制信號使變頻器11輸出的電源頻率遞增，既可實現抽油機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輸出的數字信號轉換成0-5V的模擬信號并調理后接在變頻器11的控制端，控制變頻器11的輸出電壓與頻率，從而實時改變抽油機2的電動機3的轉速，調整電動機3的輸出功率，進而使電動機3在抽油機2劇烈的載荷波動情況下始終處于較高的負載區段，提高電動機3的工作效率。

通信模塊6，包括無線通信模塊和網絡通信接口，實現DSP核心處理模塊7與上位機12及集總控制單元5的通信。單井柔性控制單元4將單井生產參數、實時狀況發送給集總控制單元5，集總控制單元5向單井下達優化的控制參數。單井柔性控制單元4可以與上位機12連接，但可以獨立于上位機12運行。上位機12連接單井柔性控制單元4后，可以獲取抽油機2的當前運行參數，并可以調整單井柔性控制單元4的控制參數。

顯示模塊8，將抽油機2當前的運行參數和控制參數顯示出來。

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

圖3為本發明的集總控制單元結構示意圖。集總控制單元也是基于DSP來實現，包括中央處理模塊13和集總通信模塊14。

中央處理模塊13，集成所有單井數據，分析運算后，輸出井群控制策略。中央處理模塊13集成優化算法，可根據不同目標模式，進行控制優化。 集總通信模塊14，與通信模塊6通信將井群控制策略下達到相對應的所有單井，同時實現與油田中央監控系統15的通信，上傳井群當前運行狀態參數，接收調整井群控制參數等命令。中央處理模塊13是從井群角度對整個井群的能耗、效率等參數計算分析。中央處理模塊13運行整體的優化算法，計算出適合所設置井群目標的每口單井的控制參數，然后通過集總通信模塊下達到各個單井，單井接收到這些控制參數后就按照這些控制參數運行。

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據后，進行融合、分析，計算出當前井群的生產狀況、能效狀況及產量，并根據井群的控制目標優化出井群的控制策略，及每口單井的不同的控制參數，并通過集總通信模塊14向井群中所有單井下達命令，由單井柔性控制單元根據控制參數具體執行，從而實現井群的集中調參與優化控制。

在一實施例中，井群中所有單井以工頻狀態運行，能量波動劇烈。出于電網穩定、沖擊最小的目的，井群設定能量波動最小為控制目標，則集總控制單元收集所有單井的數據，融合計算后得出所有單井的控制參數。此時，集總控制單元設定所有單井為柔性運行模式，并根據單井不同情況設定不同的柔性目標。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行模式。DSP核心控制模塊收集信號檢測模塊采集的實時信息，通過與柔性控制目標的比較運算，再通過控制量輸出模塊輸出合適的電壓值，進而控制電動機的轉速實時改變。當功率高于柔性控制目標時，輸出較低的電壓值，降低變頻器的輸出頻率，即降低電動機的轉速，也就降低了電動機的功率。通過柔性運行，可使得電動機的功率維持在一個相對穩定的范圍之內，波動平緩，系統沖擊也減小。該井群柔性驅動控制系統耦合單井與井群能流模型，從井群的局部和整體角度出發進行能效分析，以井群為控制目標，通過合理優化，智能調節單井生產參數，有針對性的提高井群的整體能效，在實現井群的柔性控制和能效最優的同時，綜合考慮系統電力質量的變化，并制定相關補償措施，確保系統用能質量，提高系統運行的附加經濟效益。

以上該僅為本發明的較佳實施例，非用以限定本發明的專利范圍，其他運用本發明的專利精神的等效變化，均應俱屬本發明的專利范圍。