CN108707907A - 一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜及方法，该监控柜包括柜体，设于柜体内的交流电源控制单元、直流电源控制单元、智能仪表监控单元、直流分流器和数字化远程控制终端，交流电源控制单元、直流电源控制单元和直流分流器依次电连接，智能仪表监控单元电连接智能仪表监控单元和直流分流器，数字化远程控制终端与智能仪表监控单元通讯连接；交流电源控制单元的另一端与交流电连接，直流分流器一端与直流电源控制单元的负极相连。本发明实现数字化远程监控阴极保护总电流、分支电流、电位、运行工况等，雷闪电时，可远程关掉阴极保护数字化监控柜工作，不被烧坏，事后能启动阴极保护数字化监控柜工作，无需人员值守和专职人员管理。

Description

一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜及方法

技术领域

本发明属于丛式井组阴极保护技术领域，具体涉及一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜及方法。

背景技术

随着使用时间的延长，丛式井组的腐蚀也日益严重，直接影响着油田的进一步开采。丛式井组套管腐蚀以外壁腐蚀为主，阴极保护是公认的控制外部腐蚀行之有效的技术。合理的阴极保护设计将有效地延长油井套管的使用寿命。为适应油田外部恶劣环境，增加运行可靠性并降低成本，丛式井组阴极保护工艺采取以井组为单元，以套管为重点建立阴极保护系统。丛式井组阴极保护实现这一原理的过程是，直流电源负极与各单井套管连接，直流电源正极与深井接地阳极连接，从而构成保护回路。

油田丛式井组阴极保护井场分布区域广，还没有专职人员巡查管理。因各种原因，每年有相当一部分阴极保护系统损坏，需要大量维修费。特别是雷雨天，不及时关掉，会造成阴极保护设备雷击破坏，由于没有远程在线监控，管理又跟不上去，管理人员长期不知道，结果造成阴极保护设备不能给油水井提供阴极保护电流, 套管得不到保护将发生腐蚀；当阴极保护数字化监控柜给套管提供的阴极保护电流过大时, 油水井外防腐层会发生析氢剥离，同时还不能满足现阶段油田数字化建设发展的要求。

综上所述，亟需一种新的丛式井组阴极保护数字化远程监控柜和监控方法来满足油田发展的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，克服现有的丛式井组阴极保护没有数字化远程监控功能的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种丛式井组阴极保护数字化远程监控方法。

本发明提供的技术方案如下：

一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，包括柜体，设于柜体内的交流电源控制单元、直流电源控制单元、智能仪表监控单元、直流分流器和数字化远程控制终端，所述交流电源控制单元、直流电源控制单元和直流分流器依次电连接，所述智能仪表监控单元电连接智能仪表监控单元和直流分流器，所述数字化远程控制终端与智能仪表监控单元通讯连接。

所述交流电源控制单元的另一端与交流电连接，所述直流分流器一端与直流电源控制单元的负极相连，另一端连接油水井套管，所述直流电源控制单元的正极连接深井阳极。

所述交流电源控制单元包括总控制开关、交流电源指示灯、交流综合保护器、分路控制开关一和分路控制开关二，所述总控制开关、交流电源指示灯、交流综合保护器依次与交流电源连接，所述分路控制开关一和分路控制开关二并列连接交流电源。

所述直流电源控制单元包括并联设置的可调试直流开关电源一和可调试直流开关电源二，所述可调试直流开关电源一和可调试直流开关电源二分别与交流电源控制单元的分路控制开关一和分路控制开关二连接。

所述智能仪表监控单元包括智能监控总电流表、智能监控电压表和智能监控分电流表，所述智能监控总电流表串接在直流电源控制单元和深井阳极之间，用于采集和传输丛式井组阴极保护总电流数据，所述智能监控电压表并接在直流电源控制单元两端，用于采集和传输丛式井组阴极保护电压数据，所述智能监控分电流表与直流分流器连接，用于采集和传输丛式井组各油水井阴极保护电流数据。

所述智能监控总电流表、智能监控电压表和智能监控分电流表均与数字化远程控制终端电连接。

所述直流分流器包括多个并列设置的瓷盘电阻器，每个瓷盘电阻器一端与直流电源控制单元的负极相连，另一端连接油水井套管，每个瓷盘电阻器串接一个智能监控分电流表。

所述数字化远程控制终端包括依次电连接的供电电源、主控电路、采集电路和发射电路。

所述油水井套管的另一端连接有绝缘接头。

所述主控电路为Intel公司的80C196KC的单片机。

一种丛式井组阴极保护数字化远程监控方法，使用丛式井组阴极保护数字化远程监控柜和数字化无线网络配合，包括以下步骤：

步骤1）智能监控总电流表、智能监控电压表和智能监控分电流表分别将采集的阴极保护总电流、阴极保护电压、各分电流数据上传输给数字化远程控制终端单元，并将远程启停信号数据上传给数字化远程控制终端单元；

步骤2）数字化远程控制终端单元接收到阴极保护总电流、阴极保护电压、各分电流数据，并同启停信号数据通过通讯传输上传至数字化无线网络中路由器上的短天线上；

步骤3）短天线通过接口将上述各数据传输到数字化无线网络交换机中，并将阴极保护总电流、阴极保护电压、各分电流数据通过油田专网光纤上传至远程控制终端机后，实现阴极保护数字化远程监控。

本发明的有益效果是：可就地显示出控制直流电压和电流，并将采集数据上传数字化远程控制终端单元，数字化远程控制终端单元再将上传数据和启停信号通过短天线无线方式传输到网络交换机短天线上，短天线上再将采集数据传入交换机，交换机通过已有的油田专用光纤传输到远程监控终端机内，实现数字化远程监控阴极保护总电流、分支电流、电位、运行工况等，打雷闪电时，可远程关掉阴极保护数字化监控柜工作，不被烧坏，事后可以启动阴极保护数字化监控柜工作，做到真正的无人值守，不需专职人员管理。

下面将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的电路连接示意图；

图2是数字化远程控制终端的硬件原理框图；

图3为数字化远程控制终端的软件主程序流程图；

图4为远程监控方法的流程框图。

图中：1、总控制开关；2、交流电源指示灯；3、分路控制开关一；4、分路控制开关二；5、可调试直流开关电源一；6、可调试直流开关电源二；7、智能监控总电流表；8、智能监控电压表；9、智能监控分电流表；10、瓷盘电阻器；11、交流综合保护器；12、油水井套管；13、短天线；14、深井阳极；15、绝缘接头。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供了一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，包括柜体，设于柜体内的交流电源控制单元、直流电源控制单元、智能仪表监控单元、直流分流器和数字化远程控制终端，所述交流电源控制单元、直流电源控制单元和直流分流器依次电连接，所述智能仪表监控单元电连接智能仪表监控单元和直流分流器，所述数字化远程控制终端与智能仪表监控单元通讯连接；

所述交流电源控制单元的另一端与交流电连接，所述直流分流器一端与直流电源控制单元的负极相连，另一端连接油水井套管12，所述直流电源控制单元的正极连接深井阳极14。

本发明可就地显示出控制直流电压和电流，并将采集数据上传数字化远程控制终端单元，数字化远程控制终端单元再将上传数据和启停信号传输到网络交换机上，交换机通过已有的油田专用光纤传输到远程监控终端机内，实现数字化远程监控阴极保护总电流、分支电流、电位、运行工况等，打雷闪电时，可远程关掉阴极保护数字化监控柜工作，不被烧坏，事后可以启动阴极保护数字化监控柜工作，做到真正的无人值守，不需专职人员管理。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种如图1所示的丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，所述交流电源控制单元包括总控制开关1、交流电源指示灯2、交流综合保护器11、分路控制开关一3和分路控制开关二4，所述总控制开关1、交流电源指示灯2、交流综合保护器11依次与交流电源连接，所述分路控制开关一3和分路控制开关二4并列连接交流电源。

将工业220V电压分组给直流开关电源供电，交流综合保护器11具有漏电保护、防雷电保护、短路保护和过载保护功能。当数字化远程监控系统发生雷击、漏电、短路、过载故障时，交流综合保护器11瞬间动作，切断交流供电，保护人身和直流开关电源安全。

所述直流电源控制单元包括并联设置的可调试直流开关电源一5和可调试直流开关电源二6，所述可调试直流开关电源一5和可调试直流开关电源二6分别与交流电源控制单元的分路控制开关一3和分路控制开关二4连接。

采用了负载自动均流电路，当两个并联运行时，采用的是最大电流均流法，所以在均流母线上反映的是输出电流最大的直流开关电源的电流，当直流开关电源的电流小于负载电流时，就会改变反馈电压值，从而改变PWM控制器移相脉冲的相移，进而改变输出电压和电流，使得该直流开关电源电流与最大电流一致，实现自动均流的目的。

所述智能仪表监控单元包括智能监控总电流表7、智能监控电压表8和智能监控分电流表9，所述智能监控总电流表7串接在直流电源控制单元和深井阳极14之间，用于采集和传输丛式井组阴极保护总电流数据，所述智能监控电压表8并接在直流电源控制单元两端，用于采集和传输丛式井组阴极保护电压数据，所述智能监控分电流表9与直流分流器连接，用于采集和传输丛式井组各油水井阴极保护电流数据；

所述智能监控总电流表7、智能监控电压表8和智能监控分电流表9均与数字化远程控制终端电连接。

智能监控总电流表7电连接深井阳极14和并联直流开关电源正极，并将电流数据通过其自身Modbus485接口上传到远程控制终端上的采集输入口进行电流数据采集上传。智能监控电压表8电连接并联直流开关电源负极和正极，并将电压数据通过其自身Modbus485接口上传到远程控制终端上的采集输入口进行电压数据采集上传。

所述直流分流器包括多个并列设置的瓷盘电阻器10，每个瓷盘电阻器10一端与直流电源控制单元的负极相连，另一端连接油水井套管12，每个瓷盘电阻器10串接一个智能监控分电流表9。

在本实施例中，瓷盘电阻器10为0～5Ω/1500W，目的是控制各井达到均衡电位。所述油水井套管12的另一端连接有绝缘接头15，目的是防止另一侧未保护管线受到阴极保护系统杂散电流的干扰腐蚀。

所述数字化远程控制终端包括依次电连接的供电电源、主控电路、采集电路和发射电路。

数字化远程控制终端是阴极保护处理数据远程监控数据采集、发射和控制的控制通讯模块，作用是将阴极保护电流数据、电压数据和启停信号数据采集上传到远程控制终端单元上，用以接收并发射电流数据、电压数据和启停信号数据，并通过油田专用光纤传输上传电流数据、电压数据和启停信号数据到远程监控终端机，实现丛式井组阴极保护远程监控、数据存储、网络发布。

实施例3：

在实施例2的基础上，本实施例对丛式井组阴极保护数字化远程监控柜的各个组成单元附加的技术特征进一步的描述。

交流综合保护器11型号为G702-YJBH，具有防雷击、设备漏电、电路短路、过载等综合保护功能。当发生雷击、设备漏电、短路、过载故障时，交流综合保护器11瞬间动作，切断交流供电，保护人身和直流开关电源安全。

直流电源控制单元包括双回路并联可调式开关电源，双回路并联可调式开关电源由两个5KW的独立可调式开关电源并联组成。供电系统的正极和智能监控总电流表7相连，再和现场的深阳极井相连，负极经过智能监控分电流表9和瓷盘电阻器10相连后，再和保护的油水井套管12相连，和大地构成保护回路。输入电压AC220V，输出电压DC0～60V，最大电流80A,可给16个油水井套管12提供4～5A电流进行阴极保护。

智能监控总电流表7电连接直流开关电源正极和深井阳极14，智能监控分电流表9电连接直流开关电源负极和瓷盘电阻器10，数量一般为9个，可以对9个油水井套管12进行阴极保护电流监控，也可以多设，最多设有16个，用来监控每个油水井套管12保护电流，并将电流数据通过其自身Modbus485接口上传到数字化远程控制终端单元上的采集输入口进行电流数据采集上传。智能监控总电流表77是型号为YJBHZDL的智能电流表，该型号的智能电流表性能是：1、工作环境：-20～+70℃，相对湿度≤85%；2、工作电源：AC220V±10%，50Hz；3、数字显示：四位0.36英寸数码管，最大显示0～999；4、显示精度：±0.5%。

智能监控电压表8电连接并联直流电源控制单元正极和负极，由于每个保护的油水井套管12供电电压一样，仅需设置一个智能监控电压表8，用来监控每个油水井套管12阴极保护电压，并将电压数据通过其自身Modbus485接口上传到数字化远程控制终端上的采集输入口进行电压数据采集上传。智能监控电压表8型号为YJBHDY，该型号的智能监控电压表88性能是：1、工作环境：-20～+70℃，相对湿度≤85%；2、工作电源：AC220V±10%,50Hz；3、数字显示：四位0.36英寸数码管，最大显示0～999；4、显示精度：±0.5%。

数字化远程控制终端（RTU）硬件设计原理框图, 请参见图2，是将CPU、模拟量输入、开关量输入、开关量输出、通讯口等高度集成的模块。具有集成程度高、稳定可靠、完全满足野外使用要求等特点。数字化远程控制终端通过无线方式对阴极保护中总电流、分支电流、运行工况进行实时在线监控，实现真正的无人值守，保证了阴极保护系统控制参数的真实性，打雷闪电时可以远程启停阴极保护单元，不被烧毁。所述数字化远程控制终端单元连接的短天线13，短天线13通过无线方式将数据传输给数字化无线网络。它具有高度灵活组合、自主监控的特点，应用十分广泛，尤其在通信领域，因其具有体积小、噪音低、维护方便又可被纳入通信系统的计算机监控系统等优点。

在本实施例中，主控电路采用Intel公司的80C196KC作主控制器，用本身的TXD、RXD经数传模块和发射电路经过短天线13将接收数据和信号发射出去。为实现本地的人机交互操作，系统采用了LCD界面和24键的键盘，为了满足自动监控的需要，监控模块设有8路数字量输入口，6路继电器输出口，3路A/D输入，2路D/A输出及两路告警输出。采集电路作用：将0～60V直流电压和各分支0～10A直流电流经过信号调理后,经过多路开关送入单片机80C196KC里进行处理。控制电路作用：驱动电路经过继电器组远程启停阴极保护系统。发射电路功能：可根据现场需求，配置GPRS模块，该模块可用于有无网络的现场数据传输，及现场不好挖沟布线的使用环境，用户可根据使用要求选配模块。

数字化远程控制终端（RTU）软件设计主程序流程图，请参见图3，软件采用组态软件，集中管理、独立控制的模式，各模块都有自己独立的监控程序，当个别模块出现故障时，不会影响整机运行。系统的初始化包括单片机内部控制寄存器的初始化，寄存器区及数据区的初始化等。自检包括RAM自检及控制系统各传感器自检，自检通过后开放中断及显示时间，并调用显示初始化子程序，显示系统主菜单可用键盘选择各子菜单，包括运行参数菜单、状态菜单、故障记录菜单及参数设置菜单。其中参数设置菜单仅供具有权限的维护人员使用，须输入密码才可进行操作。通信握手通过发送特征码及接收回弹的数据码来确定通信系统的正常与否。

其中，柜体是一个长方体结构，长、宽、高分别是700mm、500mm、1850mm。以图1为例，该柜体分为上下两部分，上部分里用来安装九个瓷盘电阻器1010，下部分面板用来安装一块智能监控总电流表7、九块智能监控分电流表9、一块智能监控电压表8和电压大小调整旋钮；下部分里面安装板上安装总控制开关1、交流电源指示灯2、交流综合保护器11、分路控制开关一3和分路控制开关二4、可调试直流开关电源一5和可调试直流开关电源二6、数字化远程监控终端。各单元布置均匀，协调安装，方便操作。

该柜体重量轻为100多公斤，效率高可达95%以上，调压不冒火化安全。数字化远程监控柜通过直流供电单元能给油水井提供合理的阴极保护电流，使油水井套管12长期得到保护不被发生腐蚀。通过智能监控电流表和智能监控电压表8可以远程监控阴极保护总电流、分支电流、电位、运行工况;打雷闪电时，通过数字化远程监控柜中远程控制终端单元，远程关掉阴极保护数字化监控柜，不被烧坏，做到真正的无人值守，不需专职人员管理。对阴极保护重要数据采集的真实性，提高阴极保护运行效率，提升了监控的安全的能力有着重要的意义，,实现和吻合了油田发展的需求。

主要技术参数

1、工作环境：-20～+65℃，相对湿度≤85%。

2、工作电源：AC220V±10%,50Hz。

3、额定直流电压：60VDC。

4、电流、电压显示精度：±1%。

5、输出直流电流：0～80A。

6、GPRS模块工作频率：900MHz/1800MHz，Zigbee无线模块工作频率：2.4GMHz；433无线模块工作频率：433MHz；WIFI模块无线工作频率：2.4GMHz；RJ45 NET0网线。

实施例4：

本实施例提供了一种丛式井组阴极保护数字化远程监控方法，使用丛式井组阴极保护数字化远程监控柜和数字化无线网络配合，包括以下步骤：

步骤1）智能监控总电流表7、智能监控电压表8和智能监控分电流表9分别将采集的阴极保护总电流、阴极保护电压、各分电流数据上传输给数字化远程控制终端单元，并将远程启停信号数据上传给数字化远程控制终端单元；

步骤2）数字化远程控制终端单元接收到阴极保护总电流、阴极保护电压、各分电流数据，并同启停信号数据通过通讯传输上传至数字化无线网络中路由器上的短天线13上；

步骤3）短天线13通过接口将上述各数据传输到数字化无线网络交换机中，并将阴极保护总电流、阴极保护电压、各分电流数据通过油田专网光纤上传至远程控制终端机后，实现阴极保护数字化远程监控。如图4所示。

原理：用工业级微电脑及电气元件组成的检测控制单元对自激振荡直流电源进行脉宽调控，输出连续调控直流电压，用特制的监控表就地显示出控制直流电压和电流，并通过标准RS485接口将采集数据上数字化远程控制终端，数字化远程控制终端再将上传电流数据、电压数据和启停信号通过无线方式传输到井场数字化建设好的网络交换机位置，网络交换机位置增加1套无线接收装置，数据通过RJ45接口传输到交换机，然后通过已有网络传输回站内送到远程监控终端机后，实现丛式井组阴极保护数字化远程监控。

其中，数字化无线网络使以网桥形式进行传输的。数字化无线网络包括无线接收装置、数字化无线网络交换机，无线接收装置的专用模块RJ45接口将数据传输到数字化无线网络交换机，然后数字化无线网络交换机通过已有网络传输至远程监控终端机内，这样上传数据量多，速度快，相互不干扰。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (9)

1.一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，其特征在于：包括柜体，设于柜体内的交流电源控制单元、直流电源控制单元、智能仪表监控单元、直流分流器和数字化远程控制终端，所述交流电源控制单元、直流电源控制单元和直流分流器依次电连接，所述智能仪表监控单元电连接智能仪表监控单元和直流分流器，所述数字化远程控制终端与智能仪表监控单元通讯连接；

所述交流电源控制单元的另一端与交流电连接，所述直流分流器一端与直流电源控制单元的负极相连，另一端连接油水井套管（12），所述直流电源控制单元的正极连接深井阳极（14）。

2.根据权利要求1所述的一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，其特征在于：所述交流电源控制单元包括总控制开关（1）、交流电源指示灯（2）、交流综合保护器（11）、分路控制开关一（3）和分路控制开关二（4），所述总控制开关（1）、交流电源指示灯（2）、交流综合保护器（11）依次与交流电源连接，所述分路控制开关一（3）和分路控制开关二（4）并列连接交流电源。

3.根据权利要求1所述的一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，其特征在于：所述直流电源控制单元包括并联设置的可调试直流开关电源一（5）和可调试直流开关电源二（6），所述可调试直流开关电源一（5）和可调试直流开关电源二（6）分别与交流电源控制单元的分路控制开关一（3）和分路控制开关二（4）连接。

4.根据权利要求1所述的一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，其特征在于：所述智能仪表监控单元包括智能监控总电流表（7）、智能监控电压表（8）和智能监控分电流表（9），所述智能监控总电流表（7）串接在直流电源控制单元和深井阳极（14）之间，用于采集和传输丛式井组阴极保护总电流数据，所述智能监控电压表（8）并接在直流电源控制单元两端，用于采集和传输丛式井组阴极保护电压数据，所述智能监控分电流表（9）与直流分流器连接，用于采集和传输丛式井组各油水井阴极保护电流数据；

所述智能监控总电流表（7）、智能监控电压表（8）和智能监控分电流表（9）均与数字化远程控制终端电连接。

5.根据权利要求1所述的一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，其特征在于：所述直流分流器包括多个并列设置的瓷盘电阻器（10），每个瓷盘电阻器（10）一端与直流电源控制单元的负极相连，另一端连接油水井套管（12），每个瓷盘电阻器（10）串接一个智能监控分电流表（9）。

6.根据权利要求1所述的一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，其特征在于：所述数字化远程控制终端包括依次电连接的供电电源、主控电路、采集电路和发射电路。

7.根据权利要求1所述的一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，其特征在于：所述油水井套管（12）的另一端连接有绝缘接头（15）。

8.根据权利要求6所述的一种丛式井组阴极保护数字化远程监控柜，其特征在于：所述主控电路为Intel公司的80C196KC的单片机。

9.一种丛式井组阴极保护数字化远程监控方法，使用权利要求4所述的丛式井组阴极保护数字化远程监控柜和数字化无线网络配合，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）智能监控总电流表（7）、智能监控电压表（8）和智能监控分电流表（9）分别将采集的阴极保护总电流、阴极保护电压、各分电流数据上传输给数字化远程控制终端单元，并将远程启停信号数据上传给数字化远程控制终端单元；

步骤2）数字化远程控制终端单元接收到阴极保护总电流、阴极保护电压、各分电流数据，并同启停信号数据通过通讯传输上传至数字化无线网络中路由器上的短天线（13）上；

步骤3）短天线（13）通过接口将上述各数据传输到数字化无线网络交换机中，并将阴极保护总电流、阴极保护电压、各分电流数据通过油田专网光纤上传至远程控制终端机后，实现阴极保护数字化远程监控。