CN102820846A - 一种抽油机电动机的节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抽油机电动机的节能控制系统，属于油田抽油机控制技术领域，相应的节能调节装置包括数据采集模块，用于获取相应抽油机电动机的实时运行状态参数，并将所述实时运行状态参数发送给优化控制装置；优化执行模块，用于根据优化控制装置发送的最优解或者电压的最佳分配值对抽油机电动机进行调压。相应的优化控制装置包括：优化计算模块，用于根据节能调节装置发送的实时运行状态参数，并通过遗传算法计算获得抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值；优化结果发送模块，用于将所述抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值发送给节能调节装置。本发明能够实现抽油机电动机的节能效果20％以上。

Description

一种抽油机电动机的节能控制系统

技术领域

本发明涉及一种抽油机电动机的节能控制系统，属于油田抽油机控制技术领域。

背景技术

目前，抽油系统效率普遍不太高，故造成的能源浪费是非常大的，其中电动机的运行效率低是造成能源浪费的主要原因之一。抽油机是石油行业的用电大户，其用电量约占油田总用电量的40％左右，抽油机的负荷为周期性变化负载，目前采用的很多电机运行效率低，电能浪费现象严重。

由于抽油机启动扭矩大，平衡效果差，在一个冲次内载荷变化较大，当抽吸工况变化时，载荷也随之变化，大质量的平衡块要求电机起动时有足够大的转矩。这些因素决定了在选用电机时必须留有较大余量，因此造成了电机大多数处于轻载运行的情况。在大多数情况下，电机的实际负载率低于40％，造成“大马拉小车”的情况。电机的效率和功率因数都很低这就造成较大的电能浪费。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种能够为抽油机电动机实现节能的系统该系统包括节能调节装置和优化控制装置，其中的节能调节装置包括：

数据采集模块，用于获取相应抽油机电动机的实时运行状态参数，并将所述实时运行状态参数发送给优化控制装置；

优化执行模块，用于根据优化控制装置发送的最优解或者电压的最佳分配值对抽油机电动机进行调压。

其中的优化控制装置包括：

优化计算模块，用于根据节能调节装置发送的实时运行状态参数，并通过遗传算法计算获得抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值；

优化结果发送模块，用于将所述抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值发送给节能调节装置。

本发明具有以下有益效果：由于采用上述方案可以看出，通过遗传算法对抽油机电动机进行优化计算，获得抽油机电动机电压的最佳分配值，从而实现抽油机电动机的节能。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式提供的抽油机电动机的节能控制系统的整体运行示意图；

图2是本发明的具体实施方式提供的抽油机电动机的节能控制系统的结构示意图；

图3是本发明的具体实施方式提供的优化执行模块的结构示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式提供了一种抽油机电动机的节能控制系统，其整体运行结构如图1所示，相应的节能调节装置包括数据采集模块和优化执行模块，数据采集模块用于获取相应抽油机电动机的实时运行状态参数，并将所述实时运行状态参数发送给优化控制装置；优化执行模块用于根据优化控制装置发送的最优解或者电压的最佳分配值对抽油机电动机进行调压。相应的优化控制装置包括优化计算模块和优化结果发送模块，优化计算模块用于根据节能调节装置发送的实时运行状态参数，并通过遗传算法计算获得抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值；优化结果发送模块用于将所述抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值发送给节能调节装置。

为了更清楚的说明该技术方案，下面结合说明书附图进行说明，如图2所示，相应的节能调节装置包括：

数据采集模块21，用于获取相应抽油机电动机的实时运行状态参数，并将所述实时运行状态参数发送给优化控制装置；

优化执行模块22，用于根据优化控制装置发送的最优解或者电压的最佳分配值对抽油机电动机进行调压；

相应的优化控制装置包括：

优化计算模块23，用于根据节能调节装置发送的实时运行状态参数，并通过遗传算法计算获得抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值；

优化结果发送模块24，用于将所述抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值发送给节能调节装置。

具体的，相应的数据采集模块21设置在抽油机电动机的电压输入端，将三相电压互感器和三相电流互感器信号送入数据采集模块21，对抽油机电动机的实时运行状态参数进行采集，并将实时运行状态参数发送给优化控制装置。相应的实时运行状态参数可以包括当前时刻的有功功率、无功功率、视在功率、以及电压值和电流值，以及电动机的起停状态和运行温度。进一步地，实时运行状态参数的采集后由数据发送子模块通过GPRS信号将所述实时运行状态参数发送给优化控制装置。

相应的优化计算模块23是基于GA(Genetic Algorithm，遗传算法)实现的，首先应对可行域中的点进行编码(一般采用二进制编码)，然后在可行域中随机挑选一些编码组成作为进化起点的第一代编码组，并计算每个解的目标函数值，也就是编码的适应度。接着就像自然界中一样，利用选择机制从编码组中随机挑选编码作为繁殖过程前的编码样本。选择机制应保证适应度较高的解能够保留较多的样本；而适应度较低的解则保留较少的样本，甚至被淘汰。在接下去的繁殖过程中，遗传算法提供了交叉和变异两种算子对挑选后的样本进行交换。交叉算子交换随机挑选的两个编码的某些位，变异算子则直接对一个编码中的随机挑选的某一位进行反转。这样通过选择和繁殖就产生了下一代编码组。重复上述选择和繁殖过程，直到结束条件得到满足为止。进化过程最后一代中的最优解就是用遗传算法解最优化问题所得到的最终结果。

具体的计算由优化计算模块23中的计算子模块完成，在实际的计算过程中，首先要确定目标函数。由于可以计算出系统损耗最小时各节点调压比K_wopi，亦可知道每台电机所需要调到的电压值U_i，设主变压器一次侧的电压为Y，次变压器二次测的电压为Ykk_i(k，k_i分别为主，次变压器的变比)。降压节能的目的是减少损耗，若实际调压后次变压器二次侧电压与，那么损耗就越少。

取目标函数为每个次变压器二次测电压与计算的理想值之差的和最小，并把状态变量写成罚函数形式。因此目标函数可写为：

$F_{\min }={\mathrm{\Σ}}_i^n({\mathrm{Ykk}}_i-U_i)$

其中，F_min表示调压的最优解或者电压的最佳分配值，Y表示主变压器一次侧的电压，k表示主变压器调压后的变比，k_i表示次变压器调压后的变比，U_i表示系统损耗最小时各节点电压。其中的不等式约束条件为：

k_imin≤k_i≤k_imax

k_min≤k≤k_max

进一步地，考虑到电机过载问题，即在次变压器二次测的电压为Ykk_i时负载率β不应大于110％，可以再增加一个不等式约束条件：

1.1×Ykk_i×I₁≥P₂

其中的I₁表示电动机输入电流，P₂表示电动机输出功率。

相应的优化结果发送模块24可以由结果发送子模块通过GPRS信号将所述抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值发送给节能调节装置。

相应的优化执行模块22的结构如图3所示，可以根据优化控制装置发送的最优解或者电压的最佳分配值对抽油机电动机进行调压。具体的调压过程如下：

异步电动机的输出转矩和输出功率有如下关系：

T₂＝60P₂/2πn

其中，P₂表示电机输出功率；n表示电机转速。

对于三相异步电动机，调整定子电压时电动机的速度变化很小，因此可以认为电动机的输出功率几乎不变。异步电机端电压变化时，铁耗与电压平方成正比。且有如下关系成立：

$P_{\mathrm{Fe}}=(P_0-P_{\mathrm{\Ω}})K_u^2$

其中，P_Fe表示电动机在实际电压下铁耗；P₀表示电动机在额定电压时的空载损耗；P_Ω表示电动机的机械损耗；K_u＝U₁/U_N表示电动机的调压比；U₁表示电动机实际定子电压；U_N表示电动机额定电压。

电机铜耗与电流平方成正比，并且有下式成立：

$P_{\mathrm{Cu}}=[P_N\left(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_N}\right)-P_0]{\left(\frac{\mathrm{\β}}{K_u}\right)}^2$

其中，P_Cu表示电动机的实际铜耗；P_N表示电动机的额定功率；η_N表示电动机的额定效率；β＝P₂/P_N表示电动机的负载率；P₂表示电动机输出机械功率。

对于恒转矩负载调压时P₂不变，负载率β为定值，这时若电动机的端电压降低，则铜耗按

比例增大，而铁耗按戈，比例减小。这样必存在一个电压值，使得电机在此电压下运行时，总的损耗最小。这一电压称为在该负载率β下最佳运行电压，一记为U_lop，相应的电压比称为最佳电压比，记为K_uop。

设电动机额定工况下运行时的总损耗为∑_P，任意电压下运行时的总损耗为∑P_u，则有：

$\mathrm{\ΣP}=P_0+[P_N(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_N}-1)-P_0]{\mathrm{\β}}^2$

$\mathrm{\Σ}{P}_u=(P_0+P_{\mathrm{\Ω}})K_u^2+P_{\mathrm{\Ω}}+[P_N(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_N}-1)-P_0]{\left(\frac{\mathrm{\β}}{K_u}\right)}^2$

定义效益系数：

$K_p=\frac{\mathrm{\Σ}{P}_u}{\mathrm{\ΣP}}$

对于在某一负载率β下运行的电动机，显然当K_p，越小，节电效果越显著。令dK_p/dK_u＝0，可求得在此负载系数下的最佳调压比K_uop：

$K_{\mathrm{uop}}=\sqrt[4]{\frac{[P_N(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_N}-1)-P_0]{\mathrm{\β}}^2}{P_0-P_{\mathrm{\Ω}}}}$

令：

$\mathrm{\α}=\frac{P_N(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_N}-1)-P_0}{P_0-P_{\mathrm{\Ω}}}$

得：

$K_{\mathrm{oup}}=\sqrt[4]{{\mathrm{\α\β}}^2}$

由以上分析可以得出如下结论：

(1)最佳调压比K_uop与电动机额定运行时的耗损分布有关，一般异步电动机的α＞1，也就是说额定运行时铜耗大于铁耗，电动机并非运行于损耗最小状态。

(2)只有当负载率

时，降低电压才有节电意义，且负载率β越小，降节电效果越好。

(3)α值越接近1(额定运行时的铁耗越接近铜耗)的异步电动机，采用降压节电效果越好。

综合以上分析，对于恒转矩负载，调压节能主要是减少电动机的铁耗和铜耗，提高电动机的效率。

可选的，在优化执行模块22中可以包括保护执行子模块和降压调节子模块，保护执行子模块用于当抽油机电动机的运行状态发生故障时，停止抽油机电动机的运行；降压调节子模块用于通过自耦变压器对抽油机电动机进行调压。

采用本具体实施方式提供的技术方案，通过遗传算法对抽油机电动机进行优化计算，获得抽油机电动机电压的最佳分配值，从而实现抽油机电动机的节能，节能效果可达20％以上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种抽油机电动机的节能调节装置，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于获取相应抽油机电动机的实时运行状态参数，并将所述实时运行状态参数发送给优化控制装置；

优化执行模块，用于根据优化控制装置发送的最优解或者电压的最佳分配值对抽油机电动机进行调压。

2.根据权利要求1所述的抽油机电动机的节能调节装置，其特征在于，所述实时运行状态参数包括当前时刻的有功功率、无功功率、视在功率、以及电压值和电流值。

3.根据权利要求2所述的抽油机电动机的节能调节装置，其特征在于，所述实时运行状态参数还包括电动机的起停状态。

4.根据权利要求1所述的抽油机电动机的节能调节装置，其特征在于，在数据采集模块中包括：

数据发送子模块，用于通过GPRS信号将所述实时运行状态参数发送给优化控制装置。

5.根据权利要求1所述的抽油机电动机的节能调节装置，其特征在于，在优化执行模块中包括：

保护执行子模块，用于当抽油机电动机的运行状态发生故障时，停止抽油机电动机的运行。

6.根据权利要求1所述的抽油机电动机的节能调节装置，其特征在于，在优化执行模块中包括：

降压调节子模块，用于通过自耦变压器对抽油机电动机进行调压。

7.一种抽油机电动机的优化控制装置，其特征在于，包括：

优化计算模块，用于根据节能调节装置发送的实时运行状态参数，并通过遗传算法计算获得抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值；

优化结果发送模块，用于所述抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值发送给节能调节装置。

8.根据权利要求7所述的抽油机电动机的优化控制装置，其特征在于，在优化计算模块中包括：

计算子模块，用于通过以下公式计算获得所述调压的最优解或者电压的最佳分配值：

$F_{\min }={\mathrm{\Σ}}_i^n({\mathrm{Ykk}}_i-U_i)$

其中，F_min表示调压的最优解或者电压的最佳分配值，Y表示主变压器一次侧的电压，k表示主变压器调压后的变比，k_i表示次变压器调压后的变比，U_i表示系统损耗最小时各节点电压。

9.根据权利要求7所述的抽油机电动机的优化控制装置，其特征在于，在优化结果发送模块中包括：

结果发送子模块，用于通过GPRS信号将所述抽油机电动机调压的最优解或者电压的最佳分配值发送给节能调节装置。

10.一种抽油机电动机的节能控制系统，其特征在于，包括节能调节装置和优化控制装置，所述节能调节装置设置有权利要求1至6所述的抽油机电动机的节能调节装置，所述优化控制装置设置有权利要求7值9所述的抽油机电动机的优化控制装置。

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