油田丛式井组抽油机变频器接入直流母线供电系统技术规范

1油田丛式井组抽油机变频器接入直流母线供电系统技术规范本文件规定了油田丛式井组抽油机变频器接入直流母线供电系统的术语和定义、技术参数和要求、设计原则、保护要求、功能要求、使用条件。本文件适用于油田丛式井组多台160kW以下抽油机变频器接入同一直流母线进行群控生产的供电系统设计、制造、检测、运行和维护。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T12668.1—2002调速电气传动系统第1部分：一般要求低压直流调速电气传动系统额定值的规定GB/T12668.2—2002调速电气传动系统第2部分：一般要求低压交流变频电气传动系统额定值的规定GB/T12668.6—2011调速电气传动系统第6部分：确定负载工作制类型和相应电流额定值的导则GB/T12668.701—2012调速电气传动系统第701部分电气传动系统的通用接口和使用规范：接口定义GB/T12668.7201—2019调速电气传动系统第7-201部分：电气传动系统的通用接口和使用规范1型规范说明GB/T12668.7301-2019调速电气传动系统第7-301部分：电气传动系统的通用接口和使用规范1型规范对应至网络技术GB/T12668.8—2017调速电气传动系统第8部分：功率接口的电压规范GB15599—2009石油与石油设施雷电安全规范GB/T22670—2018变频器供电三相笼型感应电动机试验方法GB/T23507.2—2017石油钻机用电气设备规范第2部分：控制系统GB/T23507.4—2017石油钻机用电气设备规范第4部分：辅助用电设备及井场电路GB/T30844.1—20141kV及以下通用变频调速设备第1部分：技术条件GB/T30844.2—20141kV及以下通用变频调速设备第2部分：试验方法GB/T31453—2015油田生产系统节能监测规范SY/T5226—2020石油天然气钻采设备抽油机节能拖动装置SY/T10041—2002石油设施电气设备安装一级一类和二类区域划分的推荐作法T/SSXT004—2023数字油田智能生产管理系统规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。整流单元rectifyingunit用于实现单相或三相交流输入转换为直流母线输出的单元电路。不控整流器dioderectifer2采用二极管实现单相或三相交流输入转换为直流母线输出的单元电路。四象限变流器fourquadrantconverter采用全控型功率器件实现三相交流输入与直流母线输出双向功率变换的模块。能量回馈型逆变器energyfeedbackinverter用于将直流母线能量馈送至三相交流电网的逆变单元电路。变频器frequencyinverter用于实现变压、变频逆变输出进而控制抽油机电动机速度调节的专用设备。交流接触器AContactor一种接通或切断交流主电路的自动切换电器，是利用电磁力来使开关闭合或断开的电器，适用于频繁操作、远距离控制强电电路，并具有低压释放的保护性能。直流接触器DContactor一种接通或切断直流主电路的自动切换电器，是利用电磁力来使开关闭合或断开的电器，适用于频繁操作、远距离控制强电电路，并具有低压释放的保护性能。制动单元brakeunit在电动机倒发电过程中导致直流母线升高至上限值时通过功率泄放使直流母线电路恢复至正常范围的单元电路。预充电单元pre-chargingunit直流母线从0到额定工作电压建立过程中限制直流母线充电电流、保护整流单元及直流母线元件的单元电路。示功图indicatordiagram由载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图，用于定性分析抽油机工作情况。4符号和缩略语下列代号和缩略语适用于本文件。ACQF:交流断路器DCQF:直流断路器DCKM:直流断路器QF:断路器KM:接触器RTU:远程终端单元按照整流单元实现方式，油田丛式井组抽油机变频器接入直流母线供电系统可分为：a)不控整流式；b)馈能式；c)四象限运行式。3油田丛式井组抽油机变频器接入直流母线供电系统主要包括整流单元、预充电单元、制动单元、变其典型架构见图1。O4G或5G通讯b4G或5G通讯⑩AC输出AC输出无线通信模块单元4G或5G通讯4G或5G通讯单元通信网络制动单元电网整流单元将电网交流输入电压转换为直流母线所需的直流电压输出，并建立供电系统的直流母线。从实现方式上具有以下三种类型：交流电网，减少制动单元带来的能量损耗；网输入交流到输出直流的转换输出，也可以实现将直流母线多余的能量直接回馈到电网。器器4图4四象限运行式整流单元架构图6.3预充电单元在供电系统直流母线从0V开始建立时，通过预充电单元限制不控整流器或四象限变流器对直流母线充电时的峰值电流，保护不控整流器或四象限变流器功率器件不因过流而损伤；当直流母线电压达到额定工作电压时，预充电单元以较低阻抗对直流母线进行供电，以降低供电损耗。本文件中的预充电单元应采用继电器并联功率电阻的形式来实现。6.4制动单元在抽油机电动机处于倒发电状态时，直流母线电压超过设定额定工作电压上限值，需启动制动单元对直流母线电压进行快速泄放，从而使得直流母线电压逐渐恢复到额定工作电压范围。6.5变频器变频器是抽油机电动机的驱动供电设备，直接控制抽油机电动机启动、调速、减速运行。通过控制输出交流供电频率来调整抽油机电动机转速，从而实现抽油机单位时间内不同采油频率的目的。6.6运行位置检测单元运行位置检测单元是油田丛式井组变频器接入直流母线供电系统的核心检测单元，用于检测所在抽油机处于电动机驱动抽油杆上行冲程抽油状态还是处于抽油杆下行冲程使得电动机处于倒发电状态。6.7远程终端单元远程终端单元(RTU)是是油田丛式井组变频器接入直流母线供电系统的核心测量和控制单元，具备总控RTU和变频器端RTU₁~RTUn两级。变频器端RTU₁~RTUn分别安装在各个变频器中，用于对变频器和抽油机运行参数进行检测、存储、上传至总控RTU,同时接收总控RTU控制指令执行变频器调参控制指令，对油田丛式井组多个抽油机进行协调控制，实现供电系统节能目标。总控RTU是整个供电系统的控制核心单元，将各个抽油机变频器端RTU₁~RTUn分别采集的数据通过4G或5G通信网络上传至远程监控中心，并将远程监控中心远程控制指令分发下传至变频器端RTU₁~RTUn,实现远程监控中心对油田丛式井组抽油机变频器的协调控制。7.1一般要求油田丛式井组抽油机变频器接入直流母线供电系统中各组成单元应满足以下要求：a)抽油机电动机额定频率50Hz、额定电压380V或额定频率60Hz、额定电压460V。其他电压等级产品与用户协商确定。运行时变频器的频率和电压与额定值偏差应符合GB/T755—2008中7.1和7.3的规定；b)变频器容量应不小于抽油机电动机额定功率(或与用户协商确定);c)变频器具备对外通用接口，参照GB/T12668.701—2012、GB/T12668.7201—2019、GB/T12668.7301—2019实施；d)系统各组成单元所用控制箱的防护等级应不低于IP23,箱门或接线盒应有可靠的防尘、防雨功能，应能在不小于90°的范围内灵活启闭。控制箱中的电路和电气布置，应力求整齐美观、操作方便、工艺合理，保证维护检修安全；5e)RTU应具有模拟量输入采集能力、数字量输入能力、数字量输出能力、继电器输出能力，具备RS485、RS232通信接口，具备符合ModbusTCP或IEC60870-5-104协议的以太网接口，具备Zigbee通信接口；f)总控RTU一般应具有4G或5G通讯功能，分布式RTU₁~RTUn可选用4G或5G通讯功能；g)系统所用导线、电缆、接插件、接线端子、低压开关柜等低压供电系统配件选型参照GB/T23507.4—2017实施。7.2设计原则油田丛式井组抽油机变频器接入直流母线供电系统中各组成单元设计原则如下：a)接入同一直流母线的抽油机类型应一致，抽油机电动机类型、电性能参数应一致或相近，变频器类型和电性能参数应一致或相近；b)接入同一直流母线的变频器直流母线输入端均可通过变频器或所在分布式RTU1~RTUn可控制接入直流母线或切除；c)对于馈能式和四象限运行式，对电网馈能输出电压上限值应低于制动单元开启时的下限值电压，防止馈能输出与制动单元同时开启，交流输入电能检测仪表应采用双向计量电度表；d)分布式RTU1~RTUn与所在变频器和抽油机之间通过导线或Zigbee协议无线互联，总控RTU与分布式RTU1~RTUn之间通过RS485、RS232或以太网接口互联，总控RTU与远程监控中心通过4G/5G通讯无线互联；e)总控RTU与远程监控中心通讯遵循中国石油天然气集团有限公司或中国石油化工集团有限公司通讯协议要求，具体以抽油机作业区块所属单位来实施；f)各组成单元应具备可靠的保护接地装置。7.3系统保护要求油田丛式井组抽油机变频器接入直流母线供电系统应具有以下保护功能：a)短路保护；b)过载保护；c)缺相保护；d)浪涌过电压保护；e)电动机绕组过温闭锁保护；f)停电恢复自动延时再启动，其延时自启动应能按给定的时间间隔动作，此功能可作为选择应用；g)RTU具备掉电数据保存能力(保存时间根据用户确定);具备功能记忆功能，能够恢复至断电前运行状态运行。7.4系统功能要求7.4.1抽油机参数测试分布式RTU₁~RTUn具备对所在抽油机、电动机及变频器运行参数进行实时测试功能，包括但不限于以下参数：a)直流母线电压；b)直流母线输入电流；c)变频器输出功率；d)变频器运行频率；e)抽油机运行位置检测单元参数；f)抽油机负荷数据；g)抽油机位移数据。上述参数通过RS485、RS232或以太网接口上传至总控RTU,并通过4G/5G通讯上传至远程监控中7.4.2抽油机工作状态分析远程监控中心通过总控RTU上传的抽油机负荷数据、位移数据形成示功图(见图5),为抽油机监控6维护人员分析抽油机工作情况提供分析依据，并以此设定抽油机单位时间内冲次运行参数。图5抽油机典型示功图7.4.3抽油机远程控制抽油机监控维护人员依托示功图数据分析，通过总控RTU、分布式RTU₁~RTUn控制所在抽油机变频器运行频率，进而调整抽油机单位时间内冲次，实现抽油机远程调控目标。7.4.4抽油机井群控制抽油机监控维护人员根据接入同一直流母线的抽油机示功图，设定抽油机单位时间内冲次、各抽油机之间互差角度，并通过4G/5G通讯向总控RTU发送控制指令，由总控RTU按照以下原则进行控制：a)接入同一直流母线的抽油机数量为偶数(数量为N)时，抽油机运行模式可以采用两两分组错峰、各组之间互差4π/N角度运行，也可以采用互差2π/N角度错峰运行，实际运行方式根据直流母线电压脉动最小化原则来实施。b)接入同一直流母线的抽油机数量为奇数(数量为N)时，抽油机运行模式采用互差2π/N角度错峰运行。油田丛式井组抽油机变频器接入直流母线供电系统设计的核心原则是通过减小直流母线电压脉动来达到节能目的。8.1正常使用条件8.1.1工作温度系统应能在环境温度应在-40℃~40℃时按照额定功率连续运行。8.1.2海拔条件最高海报1000m。当运行地点的海拔超过1000m或运行地点的冷却介质及环境温度随海拔升高而下降时，其温升限值的修正按GB/T755-2008中8.10的规定执行。8.1.3湿度条件相对湿度应不超过95%。8.2特殊使用条件装置使用条件如不符合7.1的规定，在特殊条件使用时，制造方与用户之间应签订专门协议。79其他功能要求9.1网络要求远程监控中心网络要求包括以下几点：a)内部应组建局域网络，并有专人专职负责管理；b)保证互联网与局域网或专网与局域网之间用防火墙隔离，禁止外界用户直接访问局域网，以保障内部局域网的安全；c)移动部署网络应选择交通较为方便的城市干道交汇区域，机房附近应有电信企业官网或者光d)数据服务部署应采用云服务、视频服务部署应采用本地服务。9.2服务器要求远程监控中心服务器基本要求包括以下几方面：a)宜对远程监控中心的应用服务器和数据库服务器安装服务器安全加固产品，提供如强身份鉴别、安全防护、强制访问控制、安全审计、恶意代码防范等安全防护；b)