電氣設備監測管理系統在海洋石油平臺的設計及應用

劉云飛

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459)

引言

近年來，為了促進海上油氣田數字化、網絡化、智能化轉型，油氣田作業區陸續部署了各類電氣設備的監測系統。然而，各系統監測對象單一、功能單一；未充分挖掘海量數據的潛在價值，不能對電氣設備的運行狀態進行預判和提供有效的管理意見；各系統相互獨立，信息不完全共享，操作管理不便；不適應海上平臺的無人化、智能化、信息共享化發展趨勢。針對以上問題，設計并研發了一款適用于海上油氣平臺的電氣設備監測管理系統。

1 電氣設備監測管理系統簡述

電氣設備監測管理系統具備針對多類關鍵電氣設備監測預警、故障診斷、綜合狀態評估、檢修策略智能推薦等高級應用功能，可實現電氣設備全景狀態實時感知及綜合分析評估。 本系統可解決電氣設備傳統檢修模式單一、低效的弊端，實現了多類電氣設備的統一健康管理。本系統采用“橫向覆蓋，縱向分析，動靜結合”的設計思路：橫向覆蓋指以一套系統完成對多種類大數量電氣設備的集中監測管理；縱向分析指對監測數據進行由淺及深、由表及里、從數據信息的平鋪直敘到深度剖析的過程；動靜結合指系統能夠實現靜態數據和動態數據的耦合分析，將數據的價值最大化。動態數據指設備實時在線監測數據，靜態數據為日常運維數據、檢修數據及試驗數據。電氣設備監測管理系統充分整合現有的在線監測信息、設備參數信息、巡檢數據等為信息資料，建設統一的、智能化的監測診斷中心，以全面掌握各類電氣設備的狀態信息。本系統總體界面如圖1所示。

圖1 電氣設備監測管理系統界面圖

2 電氣設備監測管理系統功能

電氣設備監測管理系統能夠以海纜、開關柜、變壓器、UPS等電氣設備運行數據為基礎,整合電氣設備參數信息、巡檢數據等信息資料,實現對電氣設備的數據整合傳輸、集中顯示、監測預警、故障診斷的一體化監管,全面掌握關鍵電氣設備的狀態信息。如圖2所示,現場層級主要通過邊緣計算的方式實現對各類設備多源異構監測數據的采集及預處理分析,并且可以通過標準化通信規約實現監測設備的無縫接入與靈活擴展;監視層級的應用對象為運檢和現場電氣工作人員,具備電氣設備的在線工況監測、運行狀態評估、故障診斷分析及維修決策支持功能,是實現電氣設備智能運維的關鍵;管理層級匯集全部電氣設備的狀態信息,便于從公司層面實現電氣設備的全局總覽、集中管控與統一協調。

圖2 電氣設備監測管理系統層級示意圖

2.1 數據獲取功能

針對多種數據源接入現狀，電氣設備監測管理系統可提供標準化的數據接口，對海洋石油平臺上智能電氣設備的動態和靜態數據進行有用性篩選和預處理，使其能夠滿足故障診斷、狀態評估等高級應用的需求。

2.2 監測報警

系統不僅可實現基于實時監測數據的閾值告警，還利用了深度循環卷積網絡等算法進行設備狀態趨勢預測，能夠實現基于狀態趨勢追蹤的監測數據趨勢預警，通過閾值告警、趨勢預測兩者結合的方式，構成綜合預警策略，從而提高了報警的準備性和可靠性。對于超出閾值范圍的劣化指標，應能根據不同的類別和等級及時向各級設備管理人員發布預警信息，實時監測結果及其發展趨勢、經歷的不良工況以及家族缺陷等信息，對狀態進行量化分級，及時預測設備可能存在的故障風險，發出預警，避免突發性事故的發生。[1]

2.3 故障診斷

系統集成各類電氣設備的在線監測、巡檢試驗、帶電檢測、運行工況以及環境氣候等多源異構數據，通過三比值法、熱路分析、有限元模擬等研究方法分別建立起對應設備的故障診斷模型，基于邊緣物聯代理和人工智能算法，判斷設備是否存在異常、故障情況及對應等級，并通過深度決策樹模型及算法實現了故障原因的反向致因分析。算法可以結合電氣設備狀態量的橫向數據和縱向數據，得出具體的故障模式，以利于合理安排試驗計劃，提高檢修效率。本系統具有較強的推理和容錯能力，利用強大的算法，在采集的數據不全的情況下，仍然可以進行有效計算。故障診斷系統能實時掌握電氣設備的運行狀況、電氣參數的特性,減少突發性故障的發生,提高設備的安全可靠性和運行效益,降低設備強迫停運率、維修成本和壽命周期費用,延長設備的使用壽命。[2]

2.4 綜合狀態評估

電氣設備監測管理系統基于《油浸式變壓器狀態評價導則》Q/GDW 10169-2016、《電纜線路狀態評價導則》QGDW455 -2010等多個電氣設備狀態評價導則，建立了各類設備對應的多級評估指標體系，通過熵權法與層析分析法確定指標權重，最終融合多源異構數據并基于云模型實現了電氣設備的綜合狀態評估。狀態評估功能可以通過以下形式啟動：

a) 定時分析：在設定的時間內執行設備的狀態評價；

b) 觸發分析：在設備的監控數據發生變化后，立即觸發對設備進行狀態評價，如對設備進行了新的檢修試驗后，立即觸發評價設備；

c) 人工分析：①用戶指定一個或一批（站）設備進行狀態評價分析，評價過程可跟蹤檢查；②根據用戶需要評價的設備類型，由用戶提供相關設備信息后進行評價，評價過程可跟蹤檢查。

2.5風險評估功能

電氣設備監測管理系統能通過識別電氣設備潛在的內部缺陷和外部威脅，分析設備遭到失效威脅后的資產損失程度和威脅發生概率，通過風險評估模型得出設備的風險等級。[3]

2.6 檢修決策智能推薦

本系統依據設備運行狀態評估結果以及由在線監測情況得到的預測分析，結合檢修技術、檢修資源與設備運行等條件，綜合考慮設備維修次序、維修時間和維修等級，基于模糊關聯分析算法提供電氣設備的檢修決策建議，并利用?；鶊D等可視化手段展示檢修決策的推導過程，實現了對包括檢修項目、檢修時間等在內的綜合檢修策略進行智能優化和推薦，[4]最終將建議結果遞交設備管理人員或傳送到相關的外部生產管理信息系統進行實施安排。

2.7 管理信息可視化

a)圖形顯示

系統提供強大矢量圖形系統,能夠滿足用戶復雜的圖形顯示功能,并提供滿足關鍵變配電設備狀態監測系統研究與示范操作要求的各種交互手段。提供設備查詢、統計結果的圖形定位功能:可通過設備管理結果的報表顯示方式下,從顯示結果直接到圖形系統定位;可通過圖形上選擇設備,查詢設備屬性;可實現圖形上選擇設備,統計關聯設備。

b)報表顯示

報表制作和顯示可提供圖形和報表的混排功能。查詢結果可支持圖片格式,如查詢結果中可以顯示局放或溫度圖譜的照片。系統報表和圖形顯示緊密結合,提供各種圖數互查方式,方便查詢統計操作。

c)報警顯示

報警顯示功能可分為兩部分,電力設備運行狀態實時報警和歷史查詢,所有報警均記錄并存入關系數據庫中。系統提供分級分類顯示的顯示功能,并且設置方式可由用戶自定義。

d)統計分析

提供統一的統計分析功能,統計分析的定義、配置工具和實用例程,對存儲在實時數據庫和關系數據庫中的數據進行各種應用統計分析。

e)狀態診斷報告

能獨立生成并發布狀態診斷報告,供相關職能部門使用。

f)WEB客戶端

用戶能在經授權的WEB客戶端,通過IE等網絡瀏覽工具,像監測診斷系統工作站的用戶一樣,瀏覽系統的相關畫面和信息。

3 電氣設備監測管理系統技術特點與優勢

3.1 技術特點

電氣設備監測管理系統的主要技術特點為：

1）基于多源異構數據驅動技術，挖掘數據的內在聯系，實現對電氣設備的診斷預警、狀態評價、風險評估和維修決策推薦。

2）綜合考慮外部環境等因素對設備狀態的影響，實現了海上電氣設備全景狀態的實時感知及綜合評估分析。

3）基于多維數據的深度數據挖掘，實現對電氣設備綜合狀態及其關鍵參數趨勢預測，并通過標桿設備選型等關鍵技術實現核心參數的故障致因分析，其診斷評估結果更為科學精準。

3.2 技術優勢

電氣設備監測管理系統采用了基于“云邊統籌+微服務”的技術架構，支持安全、高效的 PaaS云平臺部署，優化了數據獲取、傳輸、存儲和計算等全過程。能夠實現多種類、大數量電氣設備的一體化監測管理，可促成集約型、精細化的管理模式。綜合利用各類動態數據、靜態數據，有助于打破數據壁壘，形成電氣設備的數據生態鏈，從而實現海量異構數據的最大價值發現。

4 結語

電氣設備監測管理系統基于“大數據+人工智能”的計算模式，實現了電氣設備狀態自適應評估、故障原因智能分析、運維策略自動生成，能夠加強信息共享、有效提升海上油氣平臺的供電可靠性，預防電氣事故的發生，促進平臺的無人化、智能化和數字化轉型。