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    勝利四化智慧油田調度系統應用案例


    一、項目概述



    “勝利四化”項目是勝利油田遵循“標準化設計、模塊化建設、標準化采購、信息化提升”的“四化”原則,為改進勞動組織形式,壓扁管理層級,提高勞動生產率,推動體制機制創新而啟動的大型智慧油田項目。該項目涵蓋了整個勝利油田,包含了上百個管理區、采油廠,每個管理區幾百口油井,每口油井上千點數據,規模非常龐大,需要采集、存儲和處理海量生產數據,形成大型分布式SCADA生產調度系統,并和勝利油田的生產指揮管理系統進行了集成。

    該系統采用了力控科技的實時數據庫pSpace系列產品、SCADA調度平臺軟件eForceCon系列產品和安全隔離網關pSafetyLink系統產品等眾多力控產品,共同構建了大型分布式智慧油田系統。


    二、系統設計


    2.1 項目范圍

    系統架構按照管理級別劃分為4層,從下向上依次為井場、管理區、采油廠、總公司。

    ? 井場為生產現場,主要包含兩部分:油井和各類場站,如注水站、聯合站、計量站等。

    ? 管理區為一個管理單位,一般包含幾百口油井和相關的各類站。

    ? 采油廠一般包含多個管理區。

    ? 總公司指勝利油田總部。

    在上述4個層級中,力控產品部署于其中下面3個層級,即井場、管理區和采油廠,總公司級別雖然不需要部署力控產品,但力控產品需要向該層級提供生產數據,作為管理決策的依據。

    2.2 數據流設計

    勝利四化智慧油田需要采集生產現場的大量數據,并將生產數據進行層層上傳匯聚:

    ? 首先從生產現場匯聚到井場層——油井數據匯聚到RTU,站控數據匯聚到站控系統,站控系統由力控產品eForceCon部署實現;

    ? 井場數據匯聚到管理區調度平臺。管理區調度平臺的數據中心由力控產品實時數據庫pSpace部署實現。管理區通過力控產品安全隔離網關pSafetyLink隔離為生產網和辦公網兩個網絡,防止生產現場受到外來入侵或病毒感染。

    ? 管理區數據匯聚到采油廠,采油廠的數據平臺由力控實時數據庫pSpace結合關系數據庫Oracle實現。

    ? 采油廠數據匯聚到公司總部,為生產決策提供數據支撐。

    2.3 功能設計

    勝利四化智慧油田按照功能分為以下幾個子系統:

    ? 采集與通信子系統:負責數據的采集、匯聚和系統通信。

    ? 數據中心平臺子系統:負責生產數據的存儲,作為應用系統的數據支撐。

    ? 生產調度應用子系統:負責實現各類應用功能,如實時監控、報警、報表、功圖計量、電子巡井、生產調度、生產決策等。

    其中,生產調度應用子系統又根據職能劃分為很多子模塊。

    勝利四化智慧油田的功能架構如下圖所示。

    2.4 第三方系統集成

    在勝利四化智慧油氣田中,力控產品平臺需要集成很多第三方系統,以完成整個系統的功能,其集成架構如下圖所示。

    (一)油井RTU集成設計

    油井的通訊中樞RTU通過采集服務器與力控產品進行集成,完成油井數據的通信、采集和存儲。

    ? 支持的RTU廠家有:北京安控、丹東華通、南大奧拓、西安威正、北京金時、貴州凱山、安徽日月、西安安特、博?;浤?、天義嘉和。

    ? 支持的通訊方式:以太網以及GPRS無線通訊。

    (二)第三方站控集成設計

    除與力控站控產品可以無縫集成外,力控實時數據庫產品還可以集成第三方站控系統,針對其他站控系統集成可以采用OPC協議實現數據交互,并且提供了PI、IFIX、Intouch、Wincc、Citect等軟件的通信接口。

    (三)視頻系統集成設計

    支持的視頻廠家:??低?、大華、安徽創世等。

    支持的視頻類型:視頻服務器、視頻采集卡、硬盤錄像機等。

    視頻組件所具有的功能:快照、云臺控制、視頻報警等。

    視頻定制組件包括:??狄曨l組件、大華視頻組件、安徽創世視頻組件等。

    視頻集成方式:

    ? 通過視頻廠商所提供的SDK包以控件的形式實現視頻集成

    ? 使用第三方的OCX控件形式嵌入方式集成

    (四)關系數據庫集成設計

    在油田信息化系統中,上層應用很多地方需要與關系數據庫結合,力控實時數據庫提供了與關系數據庫的集成方案,可以將實時數據庫的數據轉儲到關系數據庫,也可以將關系數據庫的數據轉儲到實時數據庫,從而實現了實時數據庫和關系數據庫的雙向數據通信。

    力控提供關系數據庫ETL轉儲工具,實現與關系數據庫交互,可以將采集到的實時數據、歷史數據形成特定的表格結構存儲到關系數據庫中,可以實現多任務多頻率的數據存儲,具有海量歷史數據和統計數據存儲能力,能夠實現在線定制任務等功能,為上層分析功能應用提供了一個新的查詢歷史數據入口,經過統計后的數據能更方便的被上層應用所用。

    (五)信息化系統集成設計

    在油田系統中,上層信息化系統集成主要與力控實時數據庫pSpace中,集成方式主要分為數據集成、可視化集成。

    1)數據集成方案

    數據集成方案分為API數據接口和關系數據庫轉儲兩種方式:

    API數據接口方式:主要通過實時數據庫所提供的數據庫API接口與信息化系統進行交互,如C API、.Net API接口等。

    關系數據庫轉儲方式:通過關系數據庫轉儲,可以將實時數據庫的數據集成到信息化系統中。

    2)可視化集成方案

    信息化系統的可視化畫面可以嵌入實時數據庫的流程組態畫面,從而實現實時數據庫與信息化系統的可視化集成。

    (六)接口與二次開發

    實時數據庫pSpace提供了API接口供第三方使用,是一套實時數據庫訪問接口,給用戶提供底層編程接口,通過它可以與客戶端連接,對數據庫進行數據讀寫,滿足斷線重連功能,可以獲取數據庫結構信息,動態控制變化數據集,API接口采用了快速數據訪問機制,數據訪問吞吐量可達到300,000/秒,可以適合過程仿真、優化控制、專家診斷等多種行業應用。實時數據庫提供常見編程語言的API接口,包括C、C++、.NET、Java等,為開發人員提供方便、快捷的訪問的實時數據庫的方式,提高開發人員的效率和質量。

    2.5 系統特點

    (一) 范圍廣、層級多

    勝利四化項目跨越從山東到新疆的廣大區域,覆蓋范圍廣,層級多,非??简炏到y的分布式部署能力和系統穩定性。

    (二) 海量數據

    勝利四化項目涵蓋了上百個管理區和采油廠,每個管理區有幾百口油井和站控系統,而每口井有上千點數據,目前單臺實時數據庫的測點規模已經達到幾十萬,已經部署的目前達到幾百萬測點的數據,整個系統總的測點數量預計會超過千萬規模。

    (三) 廣泛的系統集成

    力控產品與大量第三方產品和系統進行了集成,如RTU設備、第三方站控系統、關系型數據庫、視頻系統、第三方信息化系統等,體現出力控產品強大的集成能力和豐富的接口能力。

    (四) 成熟的油田業務模塊

    在勝利四化項目中,廣泛采用了油田專用的業務模塊,如功圖的采集分析和顯示、電子巡井、在線油井建設等,體現出力控產品在油田行業所積累的業務能力。


    三、系統架構



    3.1 整體架構

    系統部署方案主要由4個網絡層次構成,整體架構如下圖所示:

    ? 總公司級

    ? 采油廠級

    ? 作業區級

    ? 場站級

    3.2 總公司部署架構

    以各采油廠數據(實時、關系)平臺作為數據源對象,將總公司需要的實時數據、關系數據同步至總公司實時數據庫、關系數據庫中,建立總公司管理子系統模塊。

    總公司的部署架構如下圖所示。

    ? 兩臺硬冗余實時數據庫服務器:用于實現數據匯總和存儲;

    ? 兩臺硬冗余關系數據庫服務器:實現業務需求及流程管理數據存儲;

    ? 一臺Web服務器:用于發布系統Web畫面;

    ? 若干臺(具體數量根據需求確定)應用服務器:用于實現業務需求及流程管理平臺;

    3.3 采油廠部署架構

    采油廠部署實時數據庫,接收管理區傳送來的數據。通過對各個管理區數據進行統一平臺集成,針對采油廠的系統平臺進行建設,提供有效的數據分析結果,并實現實時監控、工況分析、安全管理、報表管理、設備管理子系統管理模塊,根據各油田實際情況拓展其它管理子系統,完善采油廠的生產管理平臺,同樣給油田總公司提供高效、斷線緩存、重連的數據通訊接口。

    通過各采油廠的自身業務需求及流程對應相關的管理子系統,建設標準的數據表結構做為參考模型,與其他業務系統做數據交互。

    各作業區根據不同權限的分配通過客戶端瀏覽器方式可訪問到其管理子系統模塊,針對屬于該作業區的實時監控、安全、報表、工況、設備等子系統進行生產管理流程處理及決策執行。

    采油廠的部署架構如下圖所示。

    ? 兩臺硬冗余實時數據庫服務器:用于實現數據匯總和存儲;

    ? 兩臺硬冗余關系數據庫服務器:實現關系數據庫存儲;

    ? 一臺Web服務器:用于發布系統Web畫面;

    ? 一臺應用服務器:用于生產調度等業務功能應用。

    3.4 管理區部署架構

    在管理區進行軟硬件安裝及開發,將其管轄范圍內站點、井場生產數據通過無線或有線的網絡通訊方式整合,并對所有設備信息標識、區域位置及狀態進行統一標識,建立標準的生產數據點表、數據庫結構,向采油廠級數據平臺提供高效、斷線緩存、重連的數據通訊接口。

    為了提高生產系統的安全性,可以通過安全隔離網關和工業防火墻將管理區分為辦公網和生產網兩部分,可以有效隔離信息網絡對生產網絡的影響,保證生產系統的安全性。

    管理區部署架構如下圖所示。

    管理區辦公網部署方案如下:

    ? 兩臺硬冗余實時數據庫服務器:用于生產數據的存儲;

    ? 一臺關系數據庫服務器:用于關系型數據的存儲;

    ? 一臺Web服務器:用于Web畫面的發布;

    ? 一臺應用服務器:用于生產調度等業務功能應用。


    管理區生產網部署方案如下:

    ? 若干臺采集通信服務器:用于采集油氣井和場站數據及與油氣井和場站的通信。

    ? 兩臺硬冗余實時數據庫服務器:用于生產數據的存儲;

    ? 一臺關系數據庫服務器:用于關系型數據的存儲;

    ? 一臺Web服務器:用于Web畫面的發布;

    ? 操作員站若干臺:用于操作人員進行操作。

    生產網對有人值守站控可實現兩級控制。

    3.5 井場部署架構

    油田現場分為油井和場站兩類,油井采用無人值守站的形式,場站采用有人值守站的形式。

    3.5.1 油井

    油井采用無人值守站的方式,RTU作為無人值守站的數據通信中心,與油(氣)井進行數據采集和通信。作業區的采集通信服務器則通過RTU采集油(氣)井的數據。

    油井的部署架構如下圖所示。

    3.5.2 場站

    油田的場站包括聯合站、接轉站、計量站、增壓站、注水站等各類站控系統。

    站控系統是集數據采集、自動控制和智能分析于一體的綜合管理系統,站控系統由負責數據采集的硬件部分和負責分析管理的軟件部分構成。

    站控系統的部署架構如下圖所示。

    站控部署方案如下:

    ? 兩臺軟冗余站控服務器:實現數據采集和存儲。

    ? 若干臺操作員站:實現畫面實時監控功能。

     

    四、系統功能


    4.1 生產數據采集和通信

    數據采集和通信是勝利四化智慧油田的基本功能,將噴井、抽油機井、電潛泵井、螺桿泵井、注水井、配水間、注水站、油水集輸管網、增壓站、轉油站、集輸站、罐區等生產現場的油井和場站的數據采集到數據庫中,包括壓力、溫度、流量、液位、電流、電壓、轉速、功率、載荷、沖程、沖次以及視頻等運行參數數據,以及油井的功圖計量數據等,并逐層匯聚,供SCADA和生產指揮系統使用,同時通過通信功能可以實現對現場的遠程控制。

    勝利四化的數據采集具有范圍廣、分層多、數據量巨大的特點,pSpace產品強大的測點容量和采集能力很好的滿足了現場的這種需求,單庫測點容量可以達到300萬點,集群測點容量沒有理論上線。

    4.2 生產數據存儲和統計

    實時數據庫pSpace的數據存儲不依賴于任何第三方關系型數據庫,但在四化項目中,與第三方關系型數據庫進行了集成,通過ETL轉儲工具與其進行數據轉儲交互,共同構建上層應用所依賴的數據中心,如下圖所示。

    pSpace支持在線統計,支持OPC HDA1.20標準中定義的數據處理功能集和統計查詢功能集,超過22種統計方法。

    為提高勝利四化系統的穩定性,實時數據庫均采用了共享加鏡像存儲和雙機冗余的架構,pSpace除了支持Windows操作系統的故障轉移集群外,還支持第三方冗余產品,如RoseHA等。

    海量數據需要提供相應的數據壓縮能力,pSpace歷史歸檔支持數據的邏輯壓縮和物理壓縮算法,邏輯壓縮支持采用類“旋轉門”的LTK數據壓縮算法對數據進行趨勢壓縮處理,物理壓縮支持采用類ZIP的無損壓縮算法對數據進行處理,進一步減少存儲空間,提供應用性能,綜合壓縮比可達到40:1以上。

    4.3 生產實時監控

    油井、供注水系統、增壓站、計量站、聯合站、管網等現場生產數據通過數據采集技術采集到平臺實時數據庫中,根據用戶需求組態繪制可視化畫面,以二維或三維的方式展現生產現場的工藝流程。操作管理人員可以隨時隨地的查看現場生產狀況,實現生產實時智能監控,直觀及時,且易于學習理解。

     

     

    4.4 曲線圖表

    勝利四化項目提供了多種曲線和圖表組件用于對數據進行可視化顯示,典型的如實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線等曲線工具。

    實時趨勢曲線:顯示用戶設置的溫度、壓力、流量等實時數據的一段時期內的實時趨勢曲線,曲線具備自動刷新功能,當前采集到的實時數據會即時在趨勢曲線中得到體現。

     

    歷史趨勢曲線:可從生產數據平臺中提取歷史數據,顯示用戶設置的溫度、壓力、流量等數據的一段時期內的歷史趨勢曲線。

     

    4.5 生產報警

    通過對油井、注水井、增壓站、計量站、閥室等各類裝置的運行狀況的實時監視,對發生的任何異常情況,系統平臺能及時通過各種報警方式提示通知相關操作管理人員。

    eForceConpSpace自身的報警功能外,每個管理區還獨立部署一個報警服務器,可以匯聚管理區內所有報警,包括站控系統的報警、油井的SOE報警等。

    報警系統支持視頻監視聯動,可以切換至報警場所的視頻畫面,還可以向視頻系統發出語音指令等。

     

     

    4.6 生產報表

    四化項目通過表格的形式展示、操作、處理各級生產單位的井站、站場、閥室、凈化、管線等生產動態數據,生成各級符合用戶業務需求及格式需求的表格。

    系統提供各種靈活的報表工具,報表開發工具提供類似EXCEL的電子表格功能,各種報表工具能夠顯示和查詢產品的實時數據、歷史數據、外部關系數據庫數據。簡單、方便快速的報表生成工具,能進行日報、月報、季報、年報的生成,對數據存儲的時間范圍、間隔、起始時間可進行任意指定,并可以根據存儲的時間進行歷史數據查詢。

    4.7 功圖計量

    由實時數據庫結合關系數據庫共同完成示功圖數據監控、設備工況分析及示功圖顯示,計算油井的產量,判斷抽油機的工況狀態。通過功圖對比與分析功能可以對任意時間段內的歷史功圖進行查詢和分析,供調度人員對所有油井進行工況分析和量油計產,同時和其它生產監控及管理門戶進行有效的嵌入和集成,形成統一的數字化調度和管理平臺。

      

    4.8 電子巡井

           電子巡井概念是取代原有的人工的方式,替代一個人一天去各個井場巡井?,F在采用由計算機完成,通過視頻、抽油機參數、功圖工況等信息直接在計算機上顯示。

    電子巡井功能按照定時切換、人工鼠標、鍵盤操作完成逐一完成井口巡視。

      

    4.9 分析決策優化

    平臺利用采集到實時數據以及示功圖數據,結合油井靜態數據,實現對油井的自動計量、優化、工況診斷以及抽油機合理調度。實現油田產能分析、單井動態分析、故障分析、生產參數優化分析、油藏分析等。平臺集成現有的優化診斷系統,利用其生成的決策、優化建議,措施方案,通過平臺來進行審批、調度和執行。



    五、項目總結

    力控產品在勝利四化項目中的應用,解決了油田行業海量生產數據采集、存儲、分析和可視化的難題,提供了信息化的生產調度平臺,形成了整體的智慧油解決方案,是目前油田行業大型分布式SCADA和生產調度系統的標桿之一。


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