CN106597156A - 潜油电泵负载故障判断方法、装置和潜油电泵无纸记录仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜油电泵负载故障判断方法、装置和潜油电泵无纸记录仪，涉及油田采油举升设备潜油泵电气控制技术领域，一种潜油电泵负载故障判断方法包括潜油电泵非故障录波、潜油电泵故障运行判断、潜油电泵故障录波、潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原和潜油电泵的故障判断；以及一种潜油电泵负载故障判断装置；潜油电泵无纸记录仪包括上述的潜油电泵负载故障判断方法和装置，以及主控单元、二级三相电流互感器、二级线电压互感器、有源滤波器；解决目前不能准确的反应出潜油电泵机组在不同情况下完整的运行规律及特点的问题。

Description

潜油电泵负载故障判断方法、装置和潜油电泵无纸记录仪

技术领域

本发明涉及油田采油举升设备潜油泵电气控制技术领域，具体说是一种潜油电泵负载故障判断方法、装置和潜油电泵无纸记录仪。

背景技术

国内外同类产品多数采用机械式有纸记录，部分为电子式记录，机械式存在迟滞性，并不能准确的反应运行电流及电压的变化特点，目前使用电子记录强调对潜油电泵负载电流变化点的记录存储，并不能对整个运行过程电流及电压的运行特点进行时间域上连续不间断监测记录，实际上属于间隔监测，不能准确的反应出潜油电泵机组在不同情况下完整的运行规律及特点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供潜油电泵负载故障判断方法、装置和潜油电泵无纸记录仪。

第一方面，一种潜油电泵负载故障判断方法，包括：

第一步，潜油电泵非故障录波，记录系统故障录波开始前的状态数据；

第二步，潜油电泵故障运行判断，潜油电泵存在故障运行，则开始潜油电泵故障录波；

第三步，潜油电泵故障录波，记录系统故障录波初期的状态数据、系统故障录波的中期状态数据和系统动态过程数据；

第四步，潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原，对所述潜油电泵非故障录波和潜油电泵故障录波进行状态数据还原。

第五步，潜油电泵的故障判断，根据所述状态数据还原得到的波形进行故障判断，判断方式如下：

电压稳定，电流平滑下降，判断是否供液能力下降造成；

电压波动，电流相应波动，判断是否由供电原因造成机组运行不稳；

电压平稳，电流呈规律波浪式波动，判断是否因井下含气量大造成；

电压平稳，电流规律呈长城状波动，判断是否间歇供液变化或机械故障；

电压基本平稳，电流出现急剧变化的毛刺，判断是否绝缘降低；

电压平稳，三相电流不平，电机三相直流电阻及对地绝缘是否正常；

电压平稳，电流接近机组空载电流，判断是供液不足或管线有堵塞；

针对软启动器，在启动或停机时，电流上升较大，判断是否因启动及停机时间参数设置过长造成；

针对软启动器，电压平稳，电流不平，应检查软启动器是否有信号触发故障；

针对变频器输出电压平稳，输出电流不平，应检查逆变器部分；

其中，所述状态数据为潜油电泵机组运行电流及电压。

优选地，所述潜油电泵非故障录波的记录时间t1≥0.04S，t1的为潜油电泵故障前的时间。

优选地，所述记录系统故障录波初期的状态数据的记录时间t2≥0.2S，t2从故障录波启动时开始计时。

优选地，所述系统故障录波的中期状态数据的记录时间t3≥1.0S，t3从t2结束时开始计时。

优选地，所述系统动态过程数据的记录时间t4≥20S，t4从t3结束时开始计时。

优选地，在所述记录时间t1期间内每1S计算一次工频有效值，在所述记录时间t2和t3期间每0.04S计算一个工频有效值,在所述记录时间t4期间每0.1S计算一个工频有效值。

优选地，所述潜油电泵非故障录波的采样间隔为2mS，所述潜油电泵故障录波的采样间隔为1mS。

优选地，所述潜油电泵故障运行判断方式如下：

方式一：潜油电泵的电流变化量ΔI≥±5％In时，判断为潜油电泵故障运行，其中In为潜油电泵的运行电流的有效值；

方式二：Ui≥110％Un或Ui≤90％Un时，判断为潜油电泵故障运行，其中Un为潜油电泵的电压额定值，Ui是潜油电泵运行瞬时的有效值；

方式三：利用电流的突变量△i_k＝||i_k-i_k-N|-i_k-N-i_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△i_k≥电流突变量设定值，可判断潜油电泵故障运行；

方式四：利用电压的突变量△u_k＝||u_k-u_k-N|-u_k-N-u_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△u_k≥电压突变量设定值，可判断潜油电泵故障运行；

其中i_k和u_k为本时刻采样值，i_k-N和u_k-N为上一周期对应时刻采样值；i_k-2N和u_k-2N为前两个周期对应时刻采样值；

第二方面，一种潜油电泵负载故障判断装置，包括：

潜油电泵非故障录波装置，用于记录系统故障录波开始前的状态数据；

潜油电泵故障运行判断装置，用于判断潜油电泵是否存在故障运行；

潜油电泵故障录波装置，与所述潜油电泵故障运行判断装置连接，用于记录系统故障录波初期的状态数据、系统故障录波的中期状态数据和系统动态过程数据；

潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置，分别与所述潜油电泵非故障录波装置和潜油电泵故障录波装置连接，用于对所述潜油电泵非故障录波装置和潜油电泵故障录波装置进行状态数据还原；

潜油电泵的故障判断装置，与所述潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置连接，根据所述状态数据还原得到的波形进行故障判断，潜油电泵的故障判断装置的判断方式如下：

电压稳定，电流平滑下降，判断是否供液能力下降造成；

电压波动，电流相应波动，判断是否由供电原因造成机组运行不稳；

电压平稳，电流呈规律波浪式波动，判断是否因井下含气量大造成；

电压平稳，电流规律呈长城状波动，判断是否间歇供液变化或机械故障；

电压基本平稳，电流出现急剧变化的毛刺，判断是否绝缘降低；

电压平稳，三相电流不平，判断电机三相直流电阻及对地绝缘是否正常；

电压平稳，电流接近机组空载电流，判断是供液不足或管线有堵塞；

针对软启动器，在启动或停机时，电流上升较大，判断是否因启动及停机时间参数设置过长造成；

针对软启动器，电压平稳，电流不平，应检查软启动器是否有信号触发故障；

针对变频器输出电压平稳，输出电流不平，应检查逆变器部分；

其中，所述状态数据为潜油电泵机组运行电流及电压。

优选地，所述潜油电泵非故障录波装置的记录时间t1≥0.04S，t1的为潜油电泵故障前的时间。

优选地，所述潜油电泵故障录波装置的系统故障录波初期的状态数据的记录时间t2≥0.2S，t2从故障录波启动时开始计时。

优选地，所述潜油电泵故障录波装置的系统故障录波的中期状态数据的记录时间t3≥1.0S，t3从t2结束时开始计时。

优选地，所述潜油电泵故障录波装置的系统动态过程数据的记录时间t4≥20S，t4从t3结束时开始计时。

优选地，在所述记录时间t1期间内每1S计算一次工频有效值，在所述记录时间t2和t3期间每0.04S计算一个工频有效值,在所述记录时间t4期间每0.1S计算一个工频有效值；

优选地，所述潜油电泵非故障录波装置的采样间隔为2mS，所述潜油电泵故障录波装置的采样间隔为1mS。

优选地，所述潜油电泵故障运行判断装置的判断方式如下：

方式一：潜油电泵的电流变化量ΔI≥±5％In时，判断为潜油电泵故障运行，其中In为潜油电泵的运行电流的有效值；

方式二：Ui≥110％Un或Ui≤90％Un时，判断为潜油电泵故障运行，其中Un为潜油电泵的电压额定值，Ui是潜油电泵运行瞬时的有效值；

方式三：利用电流的突变量△i_k＝||i_k-i_k-N|-i_k-N-i_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△i_k≥电流突变量设定值，可判断潜油电泵故障运行；

方式四：利用电压的突变量△u_k＝||u_k-u_k-N|-u_k-N-u_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△u_k≥电压突变量设定值，可判断潜油电泵故障运行；

其中i_k和u_k为本时刻采样值，i_k-N和u_k-N为上一周期对应时刻采样值；i_k-2N和u_k-2N为前两个周期对应时刻采样值；

第三方面，一种潜油电泵无纸记录仪，包括：

如上所述的潜油电泵负载故障判断方法和装置；以及

主控单元，所述的潜油电泵负载故障判断方法和装置位于主控单元内部，用于潜油电泵的潜油电泵负载故障判断；

二级三相电流互感器，用于将一次回路的初级三相电流互感器的电流变为二次回路标准的电流；

二级线电压互感器，用于将初级电压互感器的高电压变换成一个安全且为标准化的电压；

有源滤波器，分别与所述二级三相电流互感器、二级线电压互感器和主控单元连接，用于所述二级三相电流互感器、二级线电压互感器输出的交流信号调整为0～3.3V的信号滤波后输入到所述主控单元中；

其中，所述的二次回路标准的电流为5mA或更低等级的电流，所述的安全且为标准化的电压为100V或更低等级的标准二次电压。

优选地，所述的一种潜油电泵无纸记录仪，还包括：

外部存储器，与所述主控单元连接，用于对对数据的存储及读取；

人机交互单元，与所述主控单元连接，用于所述主控单元的参数设定及数据的显示。

优选地，所述潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置位于上位机内部；

所述上位机与所述主控单元连接，用于潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原和修改潜油电泵无纸记录仪的参数；

其中，上位机可为计算机或远方数据终端设备中的一种，所述上位机具有显示屏。

优选地，所述主控单元采用STM32F103ZET6芯片。

优选地，所述二级三相电流互感器采用DL-CT05C精密微型电流互感器。

优选地，所述二级线电压互感器采用DL-PT202D精密微型电压互感器。

本发明具有如下有益效果：

本发明能对潜油电泵整个运行过程电流和电压的运行特点进行时间域上连续不间断监测记录，能准确的反应出潜油电泵在不同情况下完整的运行规律及特点，可以在潜油电泵运行过程中判断潜油电泵的故障，以便及时给出控制策略。

附图说明

通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在图例中：

图1是潜油电泵负载故障判断方法步骤示意图；

图2是潜油电泵负载故障判断装置的示意图；

图3是潜油电泵无纸记录仪与外围设备的接线示意图；

图4是潜油电泵无纸记录仪的原理框图；

图5是潜油电泵无纸记录仪中的二级三相电流互感器A相与有源滤波器的电路原理图；

图6是潜油电泵无纸记录仪中的二级线电压互感器与有源滤波器的电路原理图；

图7是潜油电泵无纸记录仪中的外部存储器的外围电路原理图；

图8是潜油电泵无纸记录仪与上位机通讯电路的原理图；

图9是上位机还原数据为圆形卡片的数据还原图；

图10是上位机还原数据为二维曲线的数据还原图。

具体实施方式

以下基于实例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也完全可以理解本发明。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

图1是潜油电泵负载故障判断方法步骤示意图。如图1所示，潜油电泵负载故障判断方法包括：

步骤101，潜油电泵非故障录波，记录系统故障录波开始前的状态数据，并每1S计算一个工频有效值，记录时间t1≥0.04S，t1的为潜油电泵故障前的时间，记录潜油电泵非故障录波是为了使上位机还原的波形更加完整，其中系统故障录波开始前的状态数据为潜油电泵机组运行电流及电压；

步骤102，潜油电泵故障运行判断，至少有以下四种判断方式：

方式一：潜油电泵的电流变化量ΔI≥±5％In时，判断为潜油电泵故障运行，其中In为潜油电泵的运行电流的有效值；

方式二：Ui≥110％Un或Ui≤90％Un时，判断为潜油电泵故障运行，其中Un为潜油电泵的电压额定值，Ui是潜油电泵运行瞬时的有效值；

方式三：利用电流的突变量△i_k＝||i_k-i_k-N|-i_k-N-i_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△i_k最小分辩率为0.5A，可根据实际情调整，可根据实际情况调整△i_k最小分辩率和最大分辩率，例如，△i_k的故障设定值为5A，若△i_k≥5A，可判断潜油电泵故障运行；

方式四：利用电压的突变量△u_k＝||u_k-u_k-N|-u_k-N-u_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△u_k最小分辩率为1V，可根据实际情调整，可根据实际情况调整△u_k最小分辩率和最大分辩率，例如，△u_k的故障设定值为10V，若△u_k≥10V，可判断潜油电泵故障运行；

其中i_k和u_k为本时刻采样值，i_k-N和u_k-N为上一周期对应时刻采样值；i_k-2N和u_k-2N为前两个周期对应时刻采样值；

步骤103，潜油电泵故障录波，主要包括系统故障录波初期的状态数据、系统故障录波的中期状态数据和统动态过程数据：

记录系统故障录波初期的状态数据，直接输出潜油电泵机组运行电流及电压记录，每0.04S计算一个工频有效值，记录时间t2≥0.2S，t2从故障录波启动时开始计时；

记录系统故障录波的中期状态数据，可直接输出潜油电泵机组运行电流及电压连续的工频有效值，每0.04S计算一个工频有效值，记录时间t3≥1.0S，t3从t2结束时开始计时的；

记录系统动态过程数据(从故障录波到系统正常过程，所述系统正常为系统非故障的状态)，每0.1S计算一个工频有效值，记录时间t4≥20S，t4从t3结束时开始计时的；

步骤104，潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原，对步骤103潜油电泵故障录波数据的运行电压和电流进行还原；

步骤105，潜油电泵的故障判断，具体措施如下：

电压稳定，电流平滑下降，应急时测量油井动液面，判断是否供液能力下降造成，电泵机组负载缓慢减小；

电压波动，电流相应波动，从相位上判断，电压相位略超前电流，应检查电泵供电线路，是否由供电原因造成机组运行不稳；

电压平稳，电流呈规律波浪式波动，判断是否因井下含气量大造成，如果油井套压过高，应适当放套气减压；

电压平稳，电流规律呈长城状波动，判断是否间歇供液变化或机械故障，应进行早期排除；

电压基本平稳，电流出现急剧变化的毛刺，应急时检查机组绝缘，判断是否因绝缘降低，造成瞬间电流泄露；

电压平稳，三相电流不平，应急时检查电机三相直流电阻及对地绝缘，判断是否正常；

电压平稳，电流接近机组空载电流，应急时检查动液面及管线，判断是供液不足或管线有堵塞；

针对软启动器，在启动或停机时，电流上升较大，判断是否因启动及停机时间过长造成，应适当减小启动和停止时间；

针对软启动器，电压平稳，电流不平，应检查软启动器是否有信号触发故障；

针对变频器输出电压平稳，输出电流不平，应检查逆变器部分，排除电气故障；

其中，工频有效值可以直接反应油电泵机组运行电流及电压的参数，系统正常工作时，可以利用工频有效值直接反应系统的工作状态；

更优地，在步骤103中，还记录正常过程的动态数据，并每1S计算一个工频有效值。

图2是潜油电泵负载故障判断装置的示意图。如图2所示，一种潜油电泵负载故障判断装置，其特征在于，包括：潜油电泵非故障录波装置201、潜油电泵故障运行判断装置202、潜油电泵故障录波装置203、潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置204、潜油电泵的故障判断装置205。

在图2中，潜油电泵非故障录波装置201，用于记录系统故障录波开始前的状态数据；潜油电泵故障运行判断装置202，用于判断潜油电泵是否存在故障运行；潜油电泵故障录波装置203与潜油电泵故障运行判断装置202连接，用于记录系统故障录波初期的状态数据、系统故障录波的中期状态数据和系统动态过程数据；潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置204，分别与潜油电泵非故障录波装置201和潜油电泵故障录波装置连接203，用于对所述潜油电泵非故障录波装置201和潜油电泵故障录波装置203进行状态数据还原；潜油电泵的故障判断装置205，与所述潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置204连接，根据所述状态数据还原得到的波形进行故障判断，其中，所述状态数据为潜油电泵机组运行电流及电压。

进一步地，潜油电泵非故障录波装置201的记录时间t1≥0.04S，t1的为潜油电泵故障前的时间；潜油电泵故障录波装置203的系统故障录波初期的状态数据的记录时间t2≥0.2S，t2从故障录波启动时开始计时；潜油电泵故障录波装置203的系统故障录波的中期状态数据的记录时间t3≥1.0S，t3从t2结束时开始计时；潜油电泵故障录波装置203的系统动态过程数据的记录时间t4≥20S，t4从t3结束时开始计时；其中，在所述记录时间t1期间内每1S计算一次工频有效值，在所述记录时间t2和t3期间每0.04S计算一个工频有效值,在所述记录时间t4期间每0.1S计算一个工频有效值；其中，潜油电泵非故障录波装置的采样间隔为2mS，所述潜油电泵故障录波装置的采样间隔为1mS。

其中，工频有效值可以直接反应油电泵机组运行电流及电压的参数，系统正常工作时，可以利用工频有效值直接反应系统的工作状态。

更一进步地，潜油电泵故障运行判断装置202的油电泵故障运行判断方式如下：

方式一：潜油电泵的电流变化量ΔI≥±5％In时，判断为潜油电泵故障运行，其中In为潜油电泵的运行电流的有效值；

方式二：Ui≥110％Un或Ui≤90％Un时，判断为潜油电泵故障运行，其中Un为潜油电泵的电压额定值，Ui是潜油电泵运行瞬时的有效值；

方式三：利用电流的突变量△i_k＝||i_k-i_k-N|-i_k-N-i_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△i_k最小分辩率为0.5A，可根据实际情调整，可根据实际情况调整△i_k最小分辩率和最大分辩率，例如，△i_k的故障设定值为5A，若△i_k≥5A，可判断潜油电泵故障运行；

方式四：利用电压的突变量△u_k＝||u_k-u_k-N|-u_k-N-u_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△u_k最小分辩率为1V，可根据实际情调整，可根据实际情况调整△u_k最小分辩率和最大分辩率，例如，△u_k的故障设定值为10V，若△u_k≥10V，可判断潜油电泵故障运行；

其中i_k和u_k为本时刻采样值，i_k-N和u_k-N为上一周期对应时刻采样值；i_k-2N和u_k-2N为前两个周期对应时刻采样值，以上任何单一方式或者其组合都可以判断潜油电泵故障运行。

更进一步地，潜油电泵的故障判断装置205的故障判断方式如下：

电压稳定，电流平滑下降，应急时测量油井动液面，判断是否供液能力下降造成，电泵机组负载缓慢减小；

电压波动，电流相应波动，从相位上判断，电压相位略超前电流，应检查电泵供电线路，是否由供电原因造成机组运行不稳；

电压平稳，电流呈规律波浪式波动，判断是否因井下含气量大造成，如果油井套压过高，应适当放套气减压；

电压平稳，电流规律呈长城状波动，判断是否间歇供液变化或机械故障，应进行早期排除；

电压基本平稳，电流出现急剧变化的毛刺，应急时检查机组绝缘，判断是否因绝缘降低，造成瞬间电流泄露；

电压平稳，三相电流不平，应急时检查电机三相直流电阻及对地绝缘，判断是否正常；

电压平稳，电流接近机组空载电流，应急时检查动液面及管线，判断是供液不足或管线有堵塞；

针对软启动器，在启动或停机时，电流上升较大，判断是否因启动及停机时间过长造成，应适当减小启动和停止时间；

针对软启动器，电压平稳，电流不平，应检查软启动器是否有信号触发故障；

针对变频器输出电压平稳，输出电流不平，应检查逆变器部分，排除电气故障。

图3是潜油电泵无纸记录仪与外围设备的接线示意图。潜油电泵位于井下，如图2和图3所示，UA、UB和UC是潜油电泵的三相电压，初级三相电流互感器CTA、CTB和CTC，GND为地。初级电流互感器常使用型号变比为75/5A、100/5A、150/5A和200/5A，通过初级三相电流互感器CTA、CTB和CTC将电流互感信号IA、IB和IC送入无纸记录仪，三相互感器CTA、CTB和CTC共地，无纸记录仪中有二级三相电流互感器，二级三相电流互感器变比为5A/5mA，经二级三相电流互感器后，将电流信号IA1、IB2和IC3送入潜油电泵保护器中，潜油电泵保护器与无纸记录仪串接在一起，电压互感器PT分别与无纸记录仪和潜油电泵保护器并联在一起，线电压U_AB经电压互感器PT变送为110V电压后，分别送入无纸记录仪和潜油电泵保护器，初级电压互感器PT最高变比为3000/110V；二级三相电压互感器变比为2mA/2mA，标准输入110V，最高输入1000V，线电压U_BC、线电压U_AC也可以通过上述方式送入到无纸记录仪和潜油电泵保护器。

图4是潜油电泵无纸记录仪的原理框图。如图4所示，潜油电泵无纸记录仪A包括主控单元1、二级三相电流互感器2、二级线电压互感器3、有源滤波器4、外部存储器5和人机交互单位6。

图4中，二级三相电流互感器2采用DL-CT05C精密微型电流互感器，二级线电压互感器3采用DL-PT202D精密微型电压互感器，有源滤波器4采用LM2902进行运放，有源滤波器4可增加信号采样宽度，并进行电压放大，将滤波后的交流信号送入主控单元1，主控单元1可以采用高性能单片机STM32F103ZET6，外部存储器5可以采用NAND FLASH K9NBG08U5M-PIB0，外部存储器5完成对数据的存储及读取，人机交互单位6采用按键与液晶屏幕相结合的方式，完成参数设定及动态采样数据的显示，上位机B可以对潜油电泵无纸记录仪A进行在线监测，在线监测功能采用SP3485或SP3232作为潜油电泵无纸记录仪A与上位机B(计算机或远方数据终端设备)间通讯，采用工业常用MODBUS协议，完成潜油电泵无纸记录仪A与上位机B通讯，可对无纸记录仪A进行在线监测及功能参数的修改，同时，无纸记录仪A的主控单元1可以与采用CH376S芯片相连，完成数据下载转存功能，优选地，无纸记录仪A直接与上位机B进行数据传输，数据直接存储在上位机B中，上位机B对无纸记录仪A的数据进行曲线绘制。

图4中，主控单元1包括潜油电泵负载判断方法或潜油电泵负载判断装置。也就是说，主控单元1包括潜油电泵非故障录波，记录系统故障录波开始前的状态数据、潜油电泵故障运行判断、潜油电泵故障录波、潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原、潜油电泵的故障判断；或者主控单元1包括潜油电泵非故障录波装置201、潜油电泵故障运行判断装置202、潜油电泵故障录波装置203、潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置204、潜油电泵的故障判断装置205。

其中，潜油电泵故障运行判断方法或装置，至少有以下四种判断方式：

方式一：潜油电泵的电流变化量ΔI≥±5％In时，判断为潜油电泵故障运行，其中In为潜油电泵的运行电流的有效值；

方式二：Ui≥110％Un或Ui≤90％Un时，判断为潜油电泵故障运行，其中Un为潜油电泵的电压额定值，Ui是潜油电泵运行瞬时的有效值；

方式三：利用电流的突变量△i_k＝||i_k-i_k-N|-i_k-N-i_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△i_k最小分辩率为0.5A，可根据实际情调整，可根据实际情况调整△i_k最小分辩率和最大分辩率，例如，△i_k的故障设定值为5A，若△i_k≥5A，可判断潜油电泵故障运行；

方式四：利用电压的突变量△u_k＝||u_k-u_k-N|-u_k-N-u_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△u_k最小分辩率为1V，可根据实际情调整，可根据实际情况调整△u_k最小分辩率和最大分辩率，例如，△u_k的故障设定值为10V，若△u_k≥10V，可判断潜油电泵故障运行；

其中i_k和u_k为本时刻采样值，i_k-N和u_k-N为上一周期对应时刻采样值；i_k-2N和u_k-2N为前两个周期对应时刻采样值；

更优地，通过上位机B对无纸记录仪A的数据进行还原，并绘制出曲线，对故障判断，故障判断方式如下：

电压稳定，电流平滑下降，应急时测量油井动液面，判断是否供液能力下降造成，电泵机组负载缓慢减小；

电压波动，电流相应波动，从相位上判断，电压相位略超前电流，应检查电泵供电线路，是否由供电原因造成机组运行不稳；

电压平稳，电流呈规律波浪式波动，判断是否因井下含气量大造成，如果油井套压过高，应适当放套气减压；

电压平稳，电流规律呈长城状波动，判断是否间歇供液变化或机械故障，应进行早期排除；

电压基本平稳，电流出现急剧变化的毛刺，应急时检查机组绝缘，判断是否因绝缘降低，造成瞬间电流泄露；

电压平稳，三相电流不平，应急时检查电机三相直流电阻及对地绝缘，判断是否正常；

电压平稳，电流接近机组空载电流，应急时检查动液面及管线，判断是供液不足或管线有堵塞；

针对软启动器，在启动或停机时，电流上升较大，判断是否因启动及停机时间过长造成，应适当减小启动和停止时间；

针对软启动器，电压平稳，电流不平，应检查软启动器是否有信号触发故障；

针对变频器输出电压平稳，输出电流不平，应检查逆变器部分，排除电气故障。

进一步地，上位机B可以远程修改潜油电泵无纸记录仪A的参数，上位机B可为计算机或RTU(RTU，远方数据终端设备)其中的一种，上位机B与潜油电泵无纸记录仪A还可以采用无线通讯，无线通讯可以基于ZigBee、蓝牙(Bluetooth)、红外(IrDA)、无线局域网802.11(Wi-Fi)或2.4G无线通讯协议中的一种或多种通讯方式。

需要指出的是，本实施例中只给出了线电压U_AB与无纸记录仪和潜油电泵保护器的连接实施例，线电压U_BC和线电压U_AC也可以通过上述U_AB的描述方式与无纸记录仪和潜油电泵保护器的连接。

图5是潜油电泵无纸记录仪中的二级三相电流互感器A相与有源滤波器的电路原理图。如图5所示，电流的有源滤波器由放大器U12A、放大器U12B、放大器U12C、外围电路以及钳位电路组成，初级电流互感器输出信号IA，即IA+和IA-，IA+和IA-信号作为二级三相电流互感器B1(即图2中的二级三相电流互感器2)的1脚和2脚输入信号，二级三相电流互感器B1的型号为DL-CT05C，二级三相电流互感器B1的4脚接地，经二级三相电流互感器B1后变换为0～5mA电流信号，二级三相电流互感器B1的3脚输出的0～5mA电流信号进入放大器U12A的2脚连接，放大器U12A的3脚通过电阻R58接地，放大器U12A的1脚的输出信号经电阻R48反馈到放大器U12A的2脚；放大器U12A的1脚的输出信号经电阻R54与放大器U12B的6脚连接，放大器U12B的7脚经过电阻R47反馈到放大器U12A的6脚，作为放大器U12A的6脚的输入，U12A的5脚通过电阻R59接地；放大器U12B的7脚分别通过电阻R570连接到+3.3V的AVDD和放大器U12C的10脚，使得放大器U12C的10脚的电压维持在+3.3V，放大器U12B的7脚的输出信号为LA_sin，放大器U12C的8脚的电信号反馈到放大器U12C的9脚，作为反向输入端的输入，放大器U12C的8脚的信号通过电阻55后经过C58进行滤波后，再经过D13和D15钳位后的信号IA_OUT送入图2的主控单元1中。

其中，图5中，R58、R59为差分放大器阻抗匹配电阻，C57为相位补偿电容。

其中，图5中，放大器U12A、放大器U12B和放大器U12C的型号为LM2902N，放大器U12A、放大器U12B和放大器U12C的4脚外接+12V和-12V电源，11脚接地，A_GND为地。

二级三相电流互感器B相和C相的初级电流互感器输出信号IB和初级电流互感器输出信号IC也通过上述二级三相电流互感器和有源滤波器送入主控单元中，再此不加以说明。

图6是潜油电泵无纸记录仪中的二级线电压互感器与有源滤波器的电路原理图；如图6所示，采样线电压U_AB与有源滤波器的电路原理图，电压的有源滤波器由放大器U13A、放大器U13B、放大器U13C、外围电路以及钳位电路组成，初级电压互感器输出的电压信号U+经电阻R52变换为电流信号后，连接二级三相线电压互感器B4(即图2中的二级三相电流互感器3)的1脚，二级三相线电压互感器B4的型号为DL-PT202D，初级电压互感器输出的电压信号U-与二级三相线电压互感器B4的2脚连接，其中放大器U13B的7脚的输出信号为U_sin，其他电路结构与原理与图5完全相同，可以参考图5进行理解，在此不再进行说明，放大器U13C的8脚经过电阻R43、滤波电容C56和D11和D12钳位后的信号U_OUT送入图2的主控单元1中。线电压U_BC、线电压U_AC也可通过上述电路送入图2的主控单元1中。

图7是潜油电泵无纸记录仪中的外部存储器的外围电路原理图。如图7所示，外部存储器U2采用NAND FLASH为存储介质，其型号为K9NBG08U5M-PIB0，外部存储器U2的12脚接+3.3V电源，外部存储器U2的37脚和13脚间并联接入滤波电容C7和C8，滤波电容C7和C8的一端接+3.3V电源，滤波电容C7和C8的另一端和外部存储器U2的36脚共同接地(GND)，+3.3V电源经过电阻R6和R7分压后接入外部存储器U2的19脚；外部存储器U2的29脚～32脚和41脚～44脚分别与图2中的主控单元1连接，连接网络标号FSMC_D0～FSMC_D7为数据总线，用于图2中的主控单元1的数据读取和存储；外部存储器U2的4脚～7脚分别与图2中的主控单元1连接，连接网络标号FMSM_RB1～FMSM_RB4为准备就位信号，低电平有效；外部存储器U2的9脚、10脚、14脚和15脚分别通过电阻R9、电阻R10、电阻R11和电阻R12上拉至+3.3V，低电平有效；外部存储器U2的9脚、10脚、14脚和15脚为使能信号控制端，分别与图2中的主控单元1连接，FMSM_NCE1～FMSM_NCE4为连接网络标号；外部存储器U2的8脚和18脚分别为外部存储器U2的读和写的控制端，连接到图2中的主控单元1，FSMS_NOE和FSMS_NEW为连接网络标号；外部存储器U2的17脚为地址锁存端，与图2中的主控单元1连接，FMSM_A17为连接网络标号；外部存储器U2的16脚为时钟控制端，与图2中的主控单元1连接，主控单元1可以通过此引脚对外部存储器U2的工作时钟进行控制，FMSM_A16为连接网络标。

图8是潜油电泵无纸记录仪与上位机通讯电路的原理图。如图8所示，潜油电泵无纸记录仪与上位机通讯可兼容RS232和RS485，其中U3为RS232通讯芯片，型号为SP3232，电容C2为电源去耦电容，+3.3V电压连接到RS232通讯芯片U3的16脚，为通讯芯片U3供电，RS232通讯芯片U3的15脚接地(GND)；RS232通讯芯片U3的14脚为数据输出引脚，RS232通讯芯片U3的13脚为数据输入引脚RS232通讯芯片U3的13脚和14脚分别与9针的串口(USART)COM1口的3脚和2脚相连，针的串口(USART)COM1口的5脚接地；RS232通讯芯片U3的12脚和11脚分别与跳线接口P2的2脚USART_RX和1脚USART_TX相连；RS232通讯芯片U3的1脚通过电容C1连接到RS232通讯芯片U3的3脚；RS232通讯芯片U3的2脚和RS232通讯芯片U3的6脚分别通过电容C3和电容C12与地连接，RS232通讯芯片U3的5脚通过电容C10连接到RS232通讯芯片U3的6脚，RS232通讯芯片U3的引脚悬空。

其中，RS232通讯芯片U3的14脚为数据输出引脚，RS232通讯芯片U3的13脚为数据输入引脚。

在图8中，U5为RS485芯片，型号为SP3485EN，C13为电源去耦电容，RS485芯片U5的8脚与+3.3V的电源进行连接，RS485芯片U5的7脚和6脚为数据交换总线，分别与接口P4的2脚和1脚相接，RS485芯片U5的7脚和6脚之间通过电阻R13连接，电阻R13避免总线反射干扰；RS485芯片U5的2脚为接收使能端，RS485芯片U5的3脚为输出使能端，RS485芯片U5的2脚和3脚通过电阻18接地(GND)，RS485芯片U5的2脚和3脚为RS485_RE端；RS485芯片U5的4脚与跳线接口P2的2脚RS485_TX连接，RS485芯片U5的5脚接地，RS485芯片U5的1脚为USART2_RX端，与跳线接口P2的6脚连接。

线接口P2为Header 3X2，RS485芯片U5的RS485_RX和RS485_TX与P2跳线接口相连接，通过跳线选择RS232或RS485，并通过跳线接口USART2_TX和USART2_RX与图2中的主控单元1异步通讯口相接。

图9是上位机还原数据为圆形卡片的数据还原图。如图9所示，可以看到电流在很小的有限幅值内波动，形似波浪，根据经验可判断潜油离心泵受井下含气影响，在打开转存到计算机的数据文件后，会自动在该界面显示井号、变比、数据中最大电流值、数据采样的起始时间及终止时间、累计启机次数、停机次数、累计运行时间等信息，在起始时间和终止时间选项框中有下拉菜单，可选取特定时间段进行数据解读显示，起止时间差最大不超过168小时，也可通过右侧功能图标，对显示后的波形图进行等比例缩放打印。

图10是上位机还原数据为二维曲线的数据还原图。如图10所示，为电流及电压以时间为横坐标轴，电压及电流幅值为纵坐标轴的二维曲线，利用上位机数据恢复软件在导入数据文件后，在软件工具栏视图下拉菜单中可选择圆形绘图或二维绘图，该图相对于图9圆形卡片为同一时间段，相同采样数据，但显示更直观，方便理解，从图中可知，机组启动时有大电流冲击，最大77.2A，趋于稳定后电流呈波浪状上下波动，根据电泵井应用经验，此情况大多为井下气对电泵机组造成的影响，由于井液中混有气，造成离心泵泵效忽高忽低，进而造成电流波动。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种潜油电泵负载故障判断方法，其特征在于，包括：

第一步，潜油电泵非故障录波，记录系统故障录波开始前的状态数据；

第二步，潜油电泵故障运行判断，潜油电泵存在故障运行，则开始潜油电泵故障录波；

第三步，潜油电泵故障录波，记录系统故障录波初期的状态数据、系统故障录波的中期状态数据和系统动态过程数据；

第四步，潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原，对所述潜油电泵非故障录波和潜油电泵故障录波进行状态数据还原。

第五步，潜油电泵的故障判断，根据所述状态数据还原得到的波形进行故障判断，判断方式如下：

电压稳定，电流平滑下降，判断是否供液能力下降造成；

电压波动，电流相应波动，判断是否由供电原因造成机组运行不稳；

电压平稳，电流呈规律波浪式波动，判断是否因井下含气量大造成；

电压平稳，电流规律呈长城状波动，判断是否间歇供液变化或机械故障；

电压基本平稳，电流出现急剧变化的毛刺，判断是否绝缘降低；

电压平稳，三相电流不平，判断电机三相直流电阻及对地绝缘是否正常；

电压平稳，电流接近机组空载电流，判断是供液不足或管线有堵塞；

针对软启动器，在启动或停机时，电流上升较大，判断是否因启动及停机时间参数设置过长造成；

针对软启动器，电压平稳，电流不平，应检查软启动器是否有信号触发故障；

针对变频器输出电压平稳，输出电流不平，应检查逆变器部分；

其中，所述状态数据为潜油电泵机组运行电流及电压。

2.根据权利要求1所述的一种潜油电泵负载故障判断方法，其特征在于：

所述潜油电泵非故障录波的记录时间t1≥0.04S，t1的为潜油电泵故障前的时间；

所述记录系统故障录波初期的状态数据的记录时间t2≥0.2S，t2从故障录波启动时开始计时；

所述系统故障录波的中期状态数据的记录时间t3≥1.0S，t3从t2结束时开始计时；

所述系统动态过程数据的记录时间t4≥20S，t4从t3结束时开始计时；

其中，在所述记录时间t1期间内每1S计算一次工频有效值，在所述记录时间t2和t3期间每0.04S计算一个工频有效值,在所述记录时间t4期间每0.1S计算一个工频有效值；

其中，所述潜油电泵非故障录波的采样间隔为2mS，所述潜油电泵故障录波的采样间隔为1mS。

3.根据权利要求1或2所述的一种潜油电泵负载故障判断方法，其特征在于：

所述潜油电泵故障运行判断方式如下：

方式一：潜油电泵的电流变化量ΔI≥±5％In时，判断为潜油电泵故障运行，其中In为潜油电泵的运行电流的有效值；

方式二：Ui≥110％Un或Ui≤90％Un时，判断为潜油电泵故障运行，其中Un为潜油电泵的电压额定值，Ui是潜油电泵运行瞬时的有效值；

方式三：利用电流的突变量△i_k＝||i_k-i_k-N|-i_k-N-i_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△i_k≥电流突变量设定值，可判断潜油电泵故障运行；

方式四：利用电压的突变量△u_k＝||u_k-u_k-N|-u_k-N-u_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△u_k≥电压突变量设定值，可判断潜油电泵故障运行；

其中i_k和u_k为本时刻采样值，i_k-N和u_k-N为上一周期对应时刻采样值；i_k-2N和u_k-2N为前两个周期对应时刻采样值。

4.一种潜油电泵负载故障判断装置，其特征在于，包括：

潜油电泵非故障录波装置，用于记录系统故障录波开始前的状态数据；

潜油电泵故障运行判断装置，用于判断潜油电泵是否存在故障运行；

潜油电泵故障录波装置，与所述潜油电泵故障运行判断装置连接，用于记录系统故障录波初期的状态数据、系统故障录波的中期状态数据和系统动态过程数据；

潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置，分别与所述潜油电泵非故障录波装置和潜油电泵故障录波装置连接，用于对所述潜油电泵非故障录波装置和潜油电泵故障录波装置进行状态数据还原；

潜油电泵的故障判断装置，与所述潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置连接，根据所述状态数据还原得到的波形进行故障判断，潜油电泵的故障判断装置的判断方式如下：

电压稳定，电流平滑下降，判断是否供液能力下降造成；

电压波动，电流相应波动，判断是否由供电原因造成机组运行不稳；

电压平稳，电流呈规律波浪式波动，判断是否因井下含气量大造成；

电压平稳，电流规律呈长城状波动，判断是否间歇供液变化或机械故障；

电压基本平稳，电流出现急剧变化的毛刺，判断是否绝缘降低；

电压平稳，三相电流不平，判断电机三相直流电阻及对地绝缘是否正常；

电压平稳，电流接近机组空载电流，判断是供液不足或管线有堵塞；

针对软启动器，在启动或停机时，电流上升较大，判断是否因启动及停机时间参数设置过长造成；

针对软启动器，电压平稳，电流不平，应检查软启动器是否有信号触发故障；

针对变频器输出电压平稳，输出电流不平，应检查逆变器部分；

其中，所述状态数据为潜油电泵机组运行电流及电压。

5.根据权利要求4所述的一种潜油电泵负载故障判断装置，其特征在于：

所述潜油电泵非故障录波装置的记录时间t1≥0.04S，t1的为潜油电泵故障前的时间；

所述潜油电泵故障录波装置的系统故障录波初期的状态数据的记录时间t2≥0.2S，t2从故障录波启动时开始计时；

所述潜油电泵故障录波装置的系统故障录波的中期状态数据的记录时间t3≥1.0S，t3从t2结束时开始计时；

所述潜油电泵故障录波装置的系统动态过程数据的记录时间t4≥20S，t4从t3结束时开始计时；

其中，在所述记录时间t1期间内每1S计算一次工频有效值，在所述记录时间t2和t3期间每0.04S计算一个工频有效值,在所述记录时间t4期间每0.1S计算一个工频有效值；

其中，所述潜油电泵非故障录波装置的采样间隔为2mS，所述潜油电泵故障录波装置的采样间隔为1mS。

6.根据权利要求4或5所述的一种潜油电泵负载故障判断装置，其特征在于：

所述潜油电泵故障运行判断装置的判断方式如下：

方式一：潜油电泵的电流变化量ΔI≥±5％In时，判断为潜油电泵故障运行，其中In为潜油电泵的运行电流的有效值；

方式二：Ui≥110％Un或Ui≤90％Un时，判断为潜油电泵故障运行，其中Un为潜油电泵的电压额定值，Ui是潜油电泵运行瞬时的有效值；

方式三：利用电流的突变量△i_k＝||i_k-i_k-N|-i_k-N-i_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△i_k≥电流突变量设定值，可判断潜油电泵故障运行；

方式四：利用电压的突变量△u_k＝||u_k-u_k-N|-u_k-N-u_k-2N|判断潜油电泵是否故障运行，△u_k≥电压突变量设定值，可判断潜油电泵故障运行；

其中i_k和u_k为本时刻采样值，i_k-N和u_k-N为上一周期对应时刻采样值；i_k-2N和u_k-2N为前两个周期对应时刻采样值。

7.一种潜油电泵无纸记录仪，包括：

如权利要求1～6中任一项所述的潜油电泵负载故障判断方法或装置；以及

主控单元，所述的潜油电泵负载故障判断方法和装置位于主控单元内部，用于潜油电泵的潜油电泵负载故障判断；

二级三相电流互感器，用于将一次回路的初级三相电流互感器的电流变为二次回路标准的电流；

二级线电压互感器，用于将初级电压互感器的高电压变换成一个安全且为标准化的电压；

有源滤波器，分别与所述二级三相电流互感器、二级线电压互感器和主控单元连接，用于所述二级三相电流互感器、二级线电压互感器输出的交流信号调整为0～3.3V的信号滤波后输入到所述主控单元中；

其中，所述的二次回路标准的电流为5mA或更低等级的电流，所述的安全且为标准化的电压为100V或更低等级的标准二次电压。

8.根据权利要求7所述的一种潜油电泵无纸记录仪，其特征在于，还包括：

外部存储器，与所述主控单元连接，用于对对数据的存储及读取；

人机交互单元，与所述主控单元连接，用于所述主控单元的参数设定及数据的显示。

9.根据权利要求7或8所述的一种潜油电泵无纸记录仪，其特征在于：

所述潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原装置位于上位机内部；

所述上位机与所述主控单元连接，用于潜油电泵故障录波数据和非故障录波数据还原和修改潜油电泵无纸记录仪的参数；

其中，上位机可为计算机或远方数据终端设备中的一种，所述上位机具有显示屏。

10.根据权利要求9所述的一种潜油电泵无纸记录仪，其特征在于：

所述主控单元采用STM32F103ZET6芯片；

所述二级三相电流互感器采用DL-CT05C精密微型电流互感器；

所述二级线电压互感器采用DL-PT202D精密微型电压互感器；

所述外部存储器采用NAND FLASH为存储介质，型号为K9NBG08U5M-PIB0。