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胜利四化智慧油田

 1 项目概况

“胜利四化”项目是胜利油田遵循“标准化设计、模块化建设、标准化采购、信息化提升”的“四化”原则,为改进劳动组织形式,压扁管理层级,提高劳动生产率,推动体制机制创新而启动的大型智慧油田项目。该项目涵盖了整个胜利油田,包含了上百个管理区、采油厂,每个管理区几百口油井,每口油井上千点数据,规模非常庞大,需要采集、存储和处理海量生产数据,形成大型分布式SCADA生产调度系统,并和胜利油田的生产指挥管理系统进行了集成。

该系统采用了力控科技的实时数据库pSpace系列产品、SCADA调度平台软件eForceCon系列产品和安全隔离网关pSafetyLink系统产品等众多力控产品,共同构建了大型分布式智慧油田系统。

2 系统设计

2.1 项目范围

系统架构按照管理级别划分为4层,从下向上依次为井场、管理区、采油厂、总公司。

Ø 井场为生产现场,主要包含两部分:油井和各类场站,如注水站、联合站、计量站等。

Ø 管理区为一个管理单位,一般包含几百口油井和相关的各类站。

Ø 采油厂一般包含多个管理区。

Ø 总公司指胜利油田总部。

在上述4个层级中,力控产品部署于其中下面3个层级,即井场、管理区和采油厂,总公司级别虽然不需要部署力控产品,但力控产品需要向该层级提供生产数据,作为管理决策的依据。

2.2 数据流设计

胜利四化智慧油田需要采集生产现场的大量数据,并将生产数据进行层层上传汇聚:

Ø 首先从生产现场汇聚到井场层——油井数据汇聚到RTU,站控数据汇聚到站控系统,站控系统由力控产品eForceCon部署实现;

Ø 井场数据汇聚到管理区调度平台。管理区调度平台的数据中心由力控产品实时数据库pSpace部署实现。管理区通过力控产品安全隔离网关pSafetyLink隔离为生产网和办公网两个网络,防止生产现场受到外来入侵或病毒感染。

Ø 管理区数据汇聚到采油厂,采油厂的数据平台由力控实时数据库pSpace结合关系数据库Oracle实现。

Ø 采油厂数据汇聚到公司总部,为生产决策提供数据支撑。

2.3 功能设计

胜利四化智慧油田按照功能分为以下几个子系统:

Ø 采集与通信子系统:负责数据的采集、汇聚和系统通信。

Ø 数据中心平台子系统:负责生产数据的存储,作为应用系统的数据支撑。

Ø 生产调度应用子系统:负责实现各类应用功能,如实时监控、报警、报表、功图计量、电子巡井、生产调度、生产决策等。

其中,生产调度应用子系统又根据职能划分为很多子模块。

胜利四化智慧油田的功能架构如下图所示。

2.4 第三方系统集成

在胜利四化智慧油气田中,力控产品平台需要集成很多第三方系统,以完成整个系统的功能,其集成架构如下图所示。

(一)油井RTU集成设计

油井的通讯中枢RTU通过采集服务器与力控产品进行集成,完成油井数据的通信、采集和存储。

Ø 支持的RTU厂家有:北京安控、丹东华通、南大奥拓、西安威正、北京金时、贵州凯山、安徽日月、西安安特、博海粤能、天义嘉和。

Ø 支持的通讯方式:以太网以及GPRS无线通讯。

(二)第三方站控集成设计

除与力控站控产品可以无缝集成外,力控实时数据库产品还可以集成第三方站控系统,针对其他站控系统集成可以采用OPC协议实现数据交互,并且提供了PIIFIXIntouchWinccCitect等软件的通信接口。

(三)视频系统集成设计

支持的视频厂家:海康威视、大华、安徽创世等。

支持的视频类型:视频服务器、视频采集卡、硬盘录像机等。

视频组件所具有的功能:快照、云台控制、视频报警等。

视频定制组件包括:海康视频组件、大华视频组件、安徽创世视频组件等。

视频集成方式:

Ø 通过视频厂商所提供的SDK包以控件的形式实现视频集成

Ø 使用第三方的OCX控件形式嵌入方式集成

(四)关系数据库集成设计

在油田信息化系统中,上层应用很多地方需要与关系数据库结合,力控实时数据库提供了与关系数据库的集成方案,可以将实时数据库的数据转储到关系数据库,也可以将关系数据库的数据转储到实时数据库,从而实现了实时数据库和关系数据库的双向数据通信。

力控提供关系数据库ETL转储工具,实现与关系数据库交互,可以将采集到的实时数据、历史数据形成特定的表格结构存储到关系数据库中,可以实现多任务多频率的数据存储,具有海量历史数据和统计数据存储能力,能够实现在线定制任务等功能,为上层分析功能应用提供了一个新的查询历史数据入口,经过统计后的数据能更方便的被上层应用所用。

(五)信息化系统集成设计

在油田系统中,上层信息化系统集成主要与力控实时数据库pSpace中,集成方式主要分为数据集成、可视化集成。

1)数据集成方案

数据集成方案分为API数据接口和关系数据库转储两种方式:

API数据接口方式:主要通过实时数据库所提供的数据库API接口与信息化系统进行交互,如C API.Net API接口等。

关系数据库转储方式:通过关系数据库转储,可以将实时数据库的数据集成到信息化系统中。

2)可视化集成方案

信息化系统的可视化画面可以嵌入实时数据库的流程组态画面,从而实现实时数据库与信息化系统的可视化集成。

(六)接口与二次开发

实时数据库pSpace提供了API接口供第三方使用,是一套实时数据库访问接口,给用户提供底层编程接口,通过它可以与客户端连接,对数据库进行数据读写,满足断线重连功能,可以获取数据库结构信息,动态控制变化数据集,API接口采用了快速数据访问机制,数据访问吞吐量可达到300,000/秒,可以适合过程仿真、优化控制、专家诊断等多种行业应用。实时数据库提供常见编程语言的API接口,包括CC++.NET、Java等,为开发人员提供方便、快捷的访问的实时数据库的方式,提高开发人员的效率和质量。

2.5 系统特点

(一) 范围广、层级多

胜利四化项目跨越从山东到新疆的广大区域,覆盖范围广,层级多,非常考验系统的分布式部署能力和系统稳定性。

(二) 海量数据

胜利四化项目涵盖了上百个管理区和采油厂,每个管理区有几百口油井和站控系统,而每口井有上千点数据,目前单台实时数据库的测点规模已经达到几十万,已经部署的目前达到几百万测点的数据,整个系统总的测点数量预计会超过千万规模。

(三) 广泛的系统集成

力控产品与大量第三方产品和系统进行了集成,如RTU设备、第三方站控系统、关系型数据库、视频系统、第三方信息化系统等,体现出力控产品强大的集成能力和丰富的接口能力。

(四) 成熟的油田业务模块

在胜利四化项目中,广泛采用了油田专用的业务模块,如功图的采集分析和显示、电子巡井、在线油井建设等,体现出力控产品在油田行业所积累的业务能力。

3 系统架构

3.1 整体架构

系统部署方案主要由4个网络层次构成,整体架构如下图所示:

Ø 总公司级

Ø 采油厂级

Ø 作业区级

Ø 场站级

3.2 总公司部署架构

以各采油厂数据(实时、关系)平台作为数据源对象,将总公司需要的实时数据、关系数据同步至总公司实时数据库、关系数据库中,建立总公司管理子系统模块。

总公司的部署架构如下图所示。

Ø 两台硬冗余实时数据库服务器:用于实现数据汇总和存储;

Ø 两台硬冗余关系数据库服务器:实现业务需求及流程管理数据存储;

Ø 一台Web服务器:用于发布系统Web画面;

Ø 若干台(具体数量根据需求确定)应用服务器:用于实现业务需求及流程管理平台;

3.3 采油厂部署架构

采油厂部署实时数据库,接收管理区传送来的数据。通过对各个管理区数据进行统一平台集成,针对采油厂的系统平台进行建设,提供有效的数据分析结果,并实现实时监控、工况分析、安全管理、报表管理、设备管理子系统管理模块,根据各油田实际情况拓展其它管理子系统,完善采油厂的生产管理平台,同样给油田总公司提供高效、断线缓存、重连的数据通讯接口。

通过各采油厂的自身业务需求及流程对应相关的管理子系统,建设标准的数据表结构做为参考模型,与其他业务系统做数据交互。

各作业区根据不同权限的分配通过客户端浏览器方式可访问到其管理子系统模块,针对属于该作业区的实时监控、安全、报表、工况、设备等子系统进行生产管理流程处理及决策执行。

采油厂的部署架构如下图所示。

Ø 两台硬冗余实时数据库服务器:用于实现数据汇总和存储;

Ø 两台硬冗余关系数据库服务器:实现关系数据库存储;

Ø 一台Web服务器:用于发布系统Web画面;

Ø 一台应用服务器:用于生产调度等业务功能应用。

3.4 管理区部署架构

在管理区进行软硬件安装及开发,将其管辖范围内站点、井场生产数据通过无线或有线的网络通讯方式整合,并对所有设备信息标识、区域位置及状态进行统一标识,建立标准的生产数据点表、数据库结构,向采油厂级数据平台提供高效、断线缓存、重连的数据通讯接口。

为了提高生产系统的安全性,可以通过安全隔离网关和工业防火墙将管理区分为办公网和生产网两部分,可以有效隔离信息网络对生产网络的影响,保证生产系统的安全性。

管理区部署架构如下图所示。

管理区办公网部署方案如下:

Ø 两台硬冗余实时数据库服务器:用于生产数据的存储;

Ø 一台关系数据库服务器:用于关系型数据的存储;

Ø 一台Web服务器:用于Web画面的发布;

Ø 一台应用服务器:用于生产调度等业务功能应用。


管理区生产网部署方案如下:

Ø 若干台采集通信服务器:用于采集油气井和场站数据及与油气井和场站的通信。

Ø 两台硬冗余实时数据库服务器:用于生产数据的存储;

Ø 一台关系数据库服务器:用于关系型数据的存储;

Ø 一台Web服务器:用于Web画面的发布;

Ø 操作员站若干台:用于操作人员进行操作。

生产网对有人值守站控可实现两级控制。

3.5 井场部署架构

油田现场分为油井和场站两类,油井采用无人值守站的形式,场站采用有人值守站的形式。

3.5.1 油井

油井采用无人值守站的方式,RTU作为无人值守站的数据通信中心,与油(气)井进行数据采集和通信。作业区的采集通信服务器则通过RTU采集油(气)井的数据。

油井的部署架构如下图所示。

3.5.2 场站

油田的场站包括联合站、接转站、计量站、增压站、注水站等各类站控系统。

站控系统是集数据采集、自动控制和智能分析于一体的综合管理系统,站控系统由负责数据采集的硬件部分和负责分析管理的软件部分构成。

站控系统的部署架构如下图所示。

站控部署方案如下:

Ø 两台软冗余站控服务器:实现数据采集和存储。

Ø 若干台操作员站:实现画面实时监控功能。

4 系统功能

 

4.1 生产数据采集和通信

数据采集和通信是胜利四化智慧油田的基本功能,将喷井、抽油机井、电潜泵井、螺杆泵井、注水井、配水间、注水站、油水集输管网、增压站、转油站、集输站、罐区等生产现场的油井和场站的数据采集到数据库中,包括压力、温度、流量、液位、电流、电压、转速、功率、载荷、冲程、冲次以及视频等运行参数数据,以及油井的功图计量数据等,并逐层汇聚,供SCADA和生产指挥系统使用,同时通过通信功能可以实现对现场的远程控制。

胜利四化的数据采集具有范围广、分层多、数据量巨大的特点,pSpace产品强大的测点容量和采集能力很好的满足了现场的这种需求,单库测点容量可以达到300万点,集群测点容量没有理论上线。

4.2 生产数据存储和统计

实时数据库pSpace的数据存储不依赖于任何第三方关系型数据库,但在四化项目中,与第三方关系型数据库进行了集成,通过ETL转储工具与其进行数据转储交互,共同构建上层应用所依赖的数据中心,如下图所示。

pSpace支持在线统计,支持OPC HDA1.20标准中定义的数据处理功能集和统计查询功能集,超过22种统计方法。

为提高胜利四化系统的稳定性,实时数据库均采用了共享加镜像存储和双机冗余的架构,pSpace除了支持Windows操作系统的故障转移集群外,还支持第三方冗余产品,如RoseHA等。

海量数据需要提供相应的数据压缩能力,pSpace历史归档支持数据的逻辑压缩和物理压缩算法,逻辑压缩支持采用类“旋转门”的LTK数据压缩算法对数据进行趋势压缩处理,物理压缩支持采用类ZIP的无损压缩算法对数据进行处理,进一步减少存储空间,提供应用性能,综合压缩比可达到40:1以上。

4.3 生产实时监控

油井、供注水系统、增压站、计量站、联合站、管网等现场生产数据通过数据采集技术采集到平台实时数据库中,根据用户需求组态绘制可视化画面,以二维或三维的方式展现生产现场的工艺流程。操作管理人员可以随时随地的查看现场生产状况,实现生产实时智能监控,直观及时,且易于学习理解。

 

 

 

4.4 曲线图表

胜利四化项目提供了多种曲线和图表组件用于对数据进行可视化显示,典型的如实时趋势曲线、历史趋势曲线等曲线工具。

实时趋势曲线:显示用户设置的温度、压力、流量等实时数据的一段时期内的实时趋势曲线,曲线具备自动刷新功能,当前采集到的实时数据会即时在趋势曲线中得到体现。

 

历史趋势曲线:可从生产数据平台中提取历史数据,显示用户设置的温度、压力、流量等数据的一段时期内的历史趋势曲线。

 

4.5 生产报警

通过对油井、注水井、增压站、计量站、阀室等各类装置的运行状况的实时监视,对发生的任何异常情况,系统平台能及时通过各种报警方式提示通知相关操作管理人员。

eForceConpSpace自身的报警功能外,每个管理区还独立部署一个报警服务器,可以汇聚管理区内所有报警,包括站控系统的报警、油井的SOE报警等。

报警系统支持视频监视联动,可以切换至报警场所的视频画面,还可以向视频系统发出语音指令等。

 

 

4.6 生产报表

四化项目通过表格的形式展示、操作、处理各级生产单位的井站、站场、阀室、净化、管线等生产动态数据,生成各级符合用户业务需求及格式需求的表格。

系统提供各种灵活的报表工具,报表开发工具提供类似EXCEL的电子表格功能,各种报表工具能够显示和查询产品的实时数据、历史数据、外部关系数据库数据。简单、方便快速的报表生成工具,能进行日报、月报、季报、年报的生成,对数据存储的时间范围、间隔、起始时间可进行任意指定,并可以根据存储的时间进行历史数据查询。

4.7 功图计量

由实时数据库结合关系数据库共同完成示功图数据监控、设备工况分析及示功图显示,计算油井的产量,判断抽油机的工况状态。通过功图对比与分析功能可以对任意时间段内的历史功图进行查询和分析,供调度人员对所有油井进行工况分析和量油计产,同时和其它生产监控及管理门户进行有效的嵌入和集成,形成统一的数字化调度和管理平台。

 

 

4.8 电子巡井

       电子巡井概念是取代原有的人工的方式,替代一个人一天去各个井场巡井。现在采用由计算机完成,通过视频、抽油机参数、功图工况等信息直接在计算机上显示。

电子巡井功能按照定时切换、人工鼠标、键盘操作完成逐一完成井口巡视。

 

 

4.9 分析决策优化

平台利用采集到实时数据以及示功图数据,结合油井静态数据,实现对油井的自动计量、优化、工况诊断以及抽油机合理调度。实现油田产能分析、单井动态分析、故障分析、生产参数优化分析、油藏分析等。平台集成现有的优化诊断系统,利用其生成的决策、优化建议,措施方案,通过平台来进行审批、调度和执行。

5 项目总结

力控产品在胜利四化项目中的应用,解决了油田行业海量生产数据采集、存储、分析和可视化的难题,提供了信息化的生产调度平台,形成了整体的智慧油解决方案,是目前油田行业大型分布式SCADA和生产调度系统的标杆之一。