潜油/潜水系统的控制系统

摘要

本发明涉及系统控制领域，其实施方式提供了一种潜油/潜水系统的控制系统，包括地面控制器、井下驱动器和井下电机，所述井下驱动器与所述地面控制器相连，并控制所述井下电机；所述井下驱动器被配置为：监测与所述地面控制器的通信状态，若所述通信状态正常，基于所述地面控制器的指令控制所述井下电机的转速；若所述通信状态异常，基于获取的动液面值控制所述井下电机的转速。本发明提供的实施方式增加了潜油/潜水系统中对于控制系统内通信异常的处理，具有鲁棒性好和减少系统停机的有益效果。

权利要求

1.一种潜油/潜水系统的控制系统，其特征在于，所述潜油/潜水系统包括地面控制器、井下驱动器、井下电机、气压检测装置、井口装置、油/水管、泵、联轴器和套管，所述井下驱动器与所述地面控制器相连，并控制所述井下电机；气压检测装置与套管联通，用于检测套管内气压，且将检测到的气压信号传送给地面控制器；所述井下驱动器被配置为：监测与所述地面控制器的通信状态，

若所述通信状态正常，所述地面控制器通过传感装置获取井下的液压数据和气压检测装置获取套管的气压数据以实现对动液面的测量，将测量得到的与动液面值相关的压力参数传送至所述地面控制器，所述地面控制器根据实时接收的与动液面值相关的压力参数生成的对所述井下电机的转速控制指令，并传输至井下的井下驱动器，所述井下驱动器接收所述地面控制器基于所述与动液面值相关的压力参数生成的对所述井下电机的转速控制指令，实现对井下电机的转速控制；所述与动液面值相关的压力参数包括：井液压力采集值和套管气压采集值；通信正常时，地面控制器根据井下驱动器发送过来的井液压力反馈Fl_fb和气压检测装置发送过来的套管气压反馈Fg_fb，通过运算F_fb＝Fl_fb‑Fg_fb，获得压力反馈F_fb；

若所述通信状态异常，井下驱动器接管当前的控制功能，计算当前动液面值，与预设的停机阈值进行比较，若不低于停机阈值，则井下驱动器对井下电机进行速度闭环控制；若低于停机阈值，则井下驱动器自动停机，并实时判断当前动液面值是否高于设定区间，若不高于则继续停机等待，若高于则井下驱动器自动恢复工作，并计算当前动液面值，再与停机阈值比较；通信异常时，井下驱动器根据采集的井液压力反馈Fl_fb，自行计算当前动液面值，生成速度控制指令。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述转速控制指令为变速指令，地面控制器实现动液面闭环控制，并输出变速指令发送给井下驱动器，所述变速指令用于对所述井下电机的当前转速进行修正，以生成所述井下电机的即时转速。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，井下驱动器对井下电机进行速度闭环控制，包括：

基于与动液面值相关的压力参数，得到当前动液面值；

基于所述当前动液面值和所述井下电机的当前转速，生成所述井下电机的即时转速。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述井下电机的当前转速，通过辨识算法或角位移传感器的测量值进行获取。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述井下驱动器还被配置为：获取输入的电流、电压和功率中的至少一者，发送至所述地面控制器；并与所述地面控制器向所述井下驱动器输出的对应的电流、电压和功率中的至少一者相比较，以获取所述地面控制器与所述井下驱动器之间的能量传输状态。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述井下驱动器为伺服驱动器或变频器。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述井下电机为永磁同步电机或异步感应电机。

说明书

潜油/潜水系统的控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及系统控制领域，特别涉及一种潜油/潜水系统的控制系统。

背景技术

[0002] 现有的潜油或潜水系统控制采用地面装置输出三相电流，通过动力电缆把电流输送给井下电机，实现电机启动和调速控制，是一种“远程驱动”方式。这种方式输电效率低，
启动和变载情况下难以保证驱动性能，不能让电机稳定输出大转矩，不能保证电机能量转
化效率。

[0003] 申请号为200910137775.2的发明专利《潜油伺服拖动系统》中，公开了包括泵，所述的泵通过保护器和伺服电机系统相连；地面控制装置通过电缆与地面电源相连，该电缆
与伺服电机系统相连；地面电源通过地面控制装置对伺服电机和泵供电，所述的伺服电机
系统由伺服电机和伺服控制器组成，伺服控制器控制伺服电机的运转。该专利中虽然给出
了地面控制箱主要负责将外接的三相电流转换为直流电输送给井下控制箱内的伺服控制
器，同时也实现地面同井下伺服控制器的通信。

[0004] 申请号为200910137762.5的发明专利《一种抽油系统的控制系统》中，也公开了包括位于井下的伺服电机、电机控制模块和采集电机运行信息的传感器；还包括位于地面上
的电源模块和地面控制模块；所述电源模块将地面上的三相交流电转换为直流电输入到井
下的电机控制模块；所述地面模块与所述电机控制模块通信。

[0005] 上述两件已公开的专利中，都未给出对电缆远距离传输状态的监控方法，也未给出对动液面的精确计算方法和当通信发生异常时的应对方法。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明旨在提出一种潜油/潜水系统的控制系统，通过对控制权限的灵活转移，以避免因通信异常而导致系统停机的问题。

[0007] 在本发明的第一方面，提供了一种潜油/潜水系统的控制系统，包括地面控制器、井下驱动器和井下电机，所述井下驱动器与所述地面控制器相连，并控制所述井下电机；所
述井下驱动器被配置为：监测与所述地面控制器的通信状态，若所述通信状态正常，基于所
述地面控制器的指令控制所述井下电机的转速；若所述通信状态异常，基于获取的动液面
值控制所述井下电机的转速。

[0008] 优选的，所述基于所述地面控制器的指令控制所述井下电机的转速，包括：将与动液面值相关的压力参数传送至所述地面控制器，接收所述地面控制器基于所述压力参数生
成的对所述井下电机的转速控制指令。

[0009] 优选的，所述转速控制指令为变速指令，所述变速指令用于对所述井下电机的当前转速进行修正，以生成所述井下电机的即时转速。

[0010] 优选的，所述基于获取的动液面值控制所述井下电机的转速，包括：确定获取的动液面值不低于停机阈值；基于与动液面值相关的压力参数，得到当前动液面值；基于所述当
前动液面值和所述井下电机的当前转速，生成所述井下电机的即时转速。

[0011] 优选的，若所述获取的动液面值低于停机阈值，则控制所述井下电机停机，并持续监测获取的动液面值；在所述获取的动液面值高于预设区间时，恢复所述井下电机运行。

[0012] 优选的，所述基于与动液面值相关的压力参数包括：井液压力采集值和套管气压采集值。

[0013] 优选的，所述井下电机的当前转速，通过辨识算法或角位移传感器的测量值进行获取。

[0014] 优选的，所述井下驱动器还被配置为：获取输入的电流、电压和功率中的至少一者，发送至所述地面控制器；并与所述地面控制器向所述井下驱动器输出的对应的电流、电
压和功率中的至少一者相比较，以获取所述地面控制器与所述井下驱动器之间的能量传输
状态。

[0015] 优选的，所述井下驱动器为伺服驱动器或变频器。

[0016] 优选的，所述电机为永磁同步电机或异步感应电机。

[0017] 本发明第二方面，还提供一种井下驱动器，所述井下驱动器包括：至少一个处理器；存储器，与所述至少一个处理器连接；其中，所述存储器存储有能被所述至少一个处理
器执行的指令，所述至少一个处理器通过执行所述存储器存储的指令实现前述的配置的功
能。

[0018] 通过本发明提供的上述技术方案，具有以下有益效果：

[0019] 1)恒压直流输电，输电效率高。

[0020] 2)输电线路三根变两根，电缆成本降低。

[0021] 3)驱动器就近驱动电机，驱动性能好。

[0022] 4)实时监控电缆远距离传输状态。

[0023] 本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

[0024] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0025] 在附图中：

[0026] 图1是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统的结构示意图；

[0027] 图2是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的整体结构示意图；

[0028] 图3是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统中地面控制器与井下驱动器的连接示意图；

[0029] 图4是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统地面控制器与井下驱动器的数据示意图；

[0030] 图5是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统的数据传输示意图；

[0031] 图6是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统的逻辑流程图。

具体实施方式

[0032] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

[0033] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0034] 图1是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统的结构示意图，如图1所示。一种潜油/潜水系统的控制系统，包括地面控制器、井下驱动器和井下电机，所述井
下驱动器与所述地面控制器相连，并控制所述井下电机；所述井下驱动器被配置为：监测与
所述地面控制器的通信状态，若所述通信状态正常，基于所述地面控制器的指令控制所述
井下电机的转速；若所述通信状态异常，基于获取的动液面值控制所述井下电机的转速。

[0035] 图2是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的整体结构示意图，如图2所示，系统主要由地面控制器、气压检测装置、井口装置、油/水管、泵、联轴器、井下电机、井下驱
动器和套管组成。此处所指的系统中的泵包括但不限于螺杆泵和叶片泵。地面控制器将来
自电网的三相电整流后输出两相直流电通过电缆提供给井下驱动器，且与井下驱动器进行
远距离通信，发送地面控制指令和接收井下状态数据。气压检测装置与套管联通，用于检测
套管内气压，且将检测到的气压信号传送给地面控制器。井下驱动器驱动井下电机通过联
轴器带动泵运行，泵抽取井下油/水通过油/水管输送到井口装置，井口装置再将油/水输送
给指定点。井下驱动器与地面控制器进行远距离通信，接收地面控制指令和发送井下状态
数据。具体的，井下电机的转速与井下的动液面相关，现有系统中虽然已经存在根据采集到
的实时动液面指令以控制井下电机的转速，但是没有考虑井下与地面的通信异常情况下的
处理。本实施方式中的井下驱动器与地面控制器均具有电机转速的控制功能，该控制功能
的实施设备优选为地面控制器，当地面与井下通信中断时，控制权限转移至位于井下的井
下驱动器。通过本实施方式，以此避免通信异常时的井下电机的控制问题，实现了潜油/潜
水系统的控制系统中的控制权限的实时转移。

[0036] 图3是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统中地面控制器与井下驱动器的连接示意图，如图3所示，包括用于电能传输的母线和通信传输的信号线。在本
发明提供的一种实施方式中，所述基于所述地面控制器的指令控制所述井下电机的转速，
包括：将与动液面值相关的压力参数传送至所述地面控制器，接收所述地面控制器基于所
述压力参数生成的对所述井下电机的转速控制指令。当地面和井下的通信正常时，基于井
下设备通过传感装置获取井下的液压数据和气压检测装置获取套管的气压数据，以实现对
动液面的测量。此时的数据处理装置为地面控制器，地面控制器根据实时的动液面数据生
成的对所述井下电机的转速控制指令，并传输至井下的井下驱动器，实现对井下电机的转
速控制。

[0037] 在前一实施方式的基础上，所述转速控制指令为变速指令，所述变速指令用于对所述井下电机的当前转速进行修正，以生成所述井下电机的即时转速。地面控制器根据动
液面指令在地面控制器上实现动液面闭环控制，并输出变速指令ΔV_ref发送给井下驱动
器。本实施方式不直接发送速度指令V_ref，而是采用发送变速指令ΔV_ref，其目的在于当
地面控制器与井下驱动器之间通信信号发生异常时，防止错误的速度指令直接对井下驱动
器控制井下电机造成影响。具体的，通信异常造成的速度指令突然消失，会直接对井下驱动
器控制井下电机造成较大影响。而采用变速指令时，即使变速指令突然降为0，井下电机也
能接收到之前的速度指令，而保持匀速运行，以此避免通信异常对于井下电机的冲击。

[0038] 在本发明提供的一种实施方式中，所述基于获取的动液面值控制所述井下电机的转速，包括：确定获取的动液面值不低于停机阈值；基于与动液面值相关的压力参数，得到
当前动液面值；基于所述当前动液面值和所述井下电机的当前转速，生成所述井下电机的
即时转速。以及另一种情况下，若所述获取的动液面值低于停机阈值，则控制所述井下电机
停机，并持续监测获取的动液面值；在所述获取的动液面值高于预设区间时，恢复所述井下
电机运行。具体的，当地面控制器判断与井下驱动器的通信为异常时，井下驱动器接管当前
的控制功能，其计算当前动液面值，与预设的停机阈值(也称为危险动液面值)进行比较，若
不低于预设危险动液面值，则井下驱动器对井下电机进行速度闭环控制；若低于预设危险
动液面值，则井下驱动器自动停机，并实时判断当前动液面是否高于设定区间，若不高于则
继续停机等待，若高于则井下驱动器自动回复工作，并计算当前动液面值，再与预设危险动
液面值比较。井下驱动器执行电机转速的控制以及对停机阈值的判断，实现了在没有地面
控制器的情况下，对井下电机的作业控制。

[0039] 在本发明提供的一种实施方式中，所述基于与动液面值相关的压力参数包括：井液压力采集值和套管气压采集值。通信正常时，地面控制器或根据井下驱动器发送过来的
井液压力反馈Fl_fb和气压检测装置发送过来的套管气压反馈Fg_fb，通过运算F_fb＝Fl_
fb‑Fg_fb，获得压力反馈F_fb，基于该压力反馈F_fb准确计算当前动液面值，再根据动液面
指令在地面控制器上实现动液面闭环控制，并输出变速指令ΔV_ref发送给井下驱动器。通
信异常时，井下驱动器根据采集的井液压力反馈Fl_fb，自行计算当前动液面值，生成速度
控制指令。

[0040] 在本发明提供的一种实施方式中，所述井下电机的当前转速，通过辨识算法或角位移传感器的测量值进行获取。井下电机无角位移传感器时，通过辨识算法获得井下电机
实际转速V_fb；当井下电机带有耐高温高压的旋转变压器作为角位移传感器时，对接收到
的角位移反馈Θ_fb进行差分获得井下电机实际转速V_fb，根据变速指令ΔV_ref和井下电
机实际转速V_fb，在井下驱动器上实现速度闭环控制，并驱动井下电机运行。由于受到工作
环境的影响，电机的实际转速与控制转速具有一定的误差，通过本实施方式，能够获得电机
的实际转速，不仅能实现对电机转速的闭环控制，还能使转速控制更加准确。

[0041] 在本发明提供的一种实施方式中，所述井下驱动器还被配置为：取输入的电流、电压和功率中的至少一者，发送至所述地面控制器；并与所述地面控制器向所述井下驱动器
输出的对应的电流、电压和功率中的至少一者相比较，以获取所述地面控制器与所述井下
驱动器之间的能量传输状态。图2地面控制器与井下驱动器的电能通过两根母线进行传输。
地面控制器检测的母线电流输出表示为BUS_I_out，井下驱动器检测的母线电流输入表示
为BUS_I_in，理想情况下BUS_I_out应等于BUS_I_in，但如果BUS_I_in小于BUS_I_out时，则
说明两相直流电在通过电缆远距离传输过程中有漏电现象，通过该方法及时检测电缆漏
电，并在地面控制器上以报警提示。

[0042] 地面控制器检测的母线电压输出表示为BUS_U_out，井下驱动器检测的母线电压输入表示为BUS_U_in，理论上BUS_U_out与BUS_U_in之间的差值为电缆导线电阻消耗的压
降，但如果BUS_U_in与BUS_U_out之间差值明显超过电缆导线电阻消耗的压降时，则说明两
相直流母线在通过电缆远距离传输过程中有局部损坏导致导电性降低，通过该方法及时检
测电缆导线状态，并在地面控制器上以报警提示。

[0043] 地面控制器的母线输出功率表示为BUS_P_out＝BUS_U_out×BUS_I_out，井下驱动器的母线输入功率表示为BUS_P_in＝BUS_U_in×BUS_I_in，则远距离电缆传输效率为
BUS_P_in÷BUS_P_out×100％。通过该方法及时获取传输效率，并在地面控制器上显示。

[0044] 图4是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统地面控制器与井下驱动器的数据示意图，如图4所示，地面控制器与井下驱动器的数据包括：变速指令ΔV_
ref、井下电机实际转速V_fb、井液压力反馈Fl_fb、井下驱动器的母线电流输入BUS_I_in和
井下驱动器的母线电压输入BUS_U_in。

[0045] 所述井下驱动器为伺服驱动器或变频器，以及所述电机为永磁同步电机或异步感应电机。所述驱动器包括但不限于伺服驱动器、变频器，所述电机包括但不限于永磁同步电
机和异步感应电机。图5是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统的数据传
输示意图，如图5所示，显示了潜油/潜水系统的控制系统中的数据逻辑。

[0046] 在本发明提供的一种实施方式中，还提供的井下驱动器，包括：至少一个处理器；存储器，与所述至少一个处理器连接；其中，所述存储器存储有能被所述至少一个处理器执
行的指令，所述至少一个处理器通过执行所述存储器存储的指令实现前述的功能。所述处
理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数
字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific 
Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array，FPGA)
或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以
是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。所述存储器可以是控制设备的内
部存储单元，例如控制设备的硬盘或内存。所述存储器也可以是控制设备的外部存储设备，
例如所述控制设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字
(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括控
制设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机程序以及控
制设备所需的其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出
的数据。

[0047] 图6是本发明一种实施方式提供的潜油/潜水系统的控制系统的逻辑流程图，控制系统的控制逻辑流程如图6所示，以供本领域技术人员理解和实施。本发明提供的实施方式
针对现有潜油/潜水系统中的通信可能存在中断的问题，提供了一种对应的控制系统，实现
了潜油/潜水系统的控制系统中的控制权限的实时转移，该控制系统通过该控制功能的实
施设备优选为地面控制器，当地面与井下通信中断时，控制权限转移至位于井下的井下驱
动器，以此解决通信异常时的井下电机的控制问题。本发明的提供的实施方式应用于现有
潜油或潜水系统控制中。

[0048] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实
施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机
可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产
品的形式。

[0049] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产
生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实
现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0050] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或
多个方框中指定的功能。

[0051] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一
个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0052] 在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

[0053] 存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介
质的示例。

[0054] 计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。
计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动
态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除
可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD‑ROM)、
数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备
或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算
机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

[0055] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包
括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要
素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的
过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0056] 以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、
改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。