浅谈潜油电泵保护器设计原理

0　引言
潜油电泵是油田中使用的一种中压的机械采油设备。随着油田开发自动化程度的提高，原潜油电泵定频控制柜暴漏出功能不完善、数据分析不方便、无波形记录、没有通讯功能等问题，而造成这些不足的主要原因是非专门针对潜油电泵的保护器不支持上述功能。
目前，研究开发潜油电泵的国内厂家较少，且规模较小，产品没有形成系列化和规模化。为增强国内潜油电泵保护器的竞争力，弥补老式保护器的不足，有必要研制一种针对性的潜油电泵保护器。
1　潜油电泵保护器和电机保护器的区别
潜油电泵保护器属于电机保护器的细分应用产品。在测量、保护、通信等功能上，潜油电泵保护器与电机保护器基本通用，但潜油电泵的多种保护，如欠载、电流不平衡、过压、欠压等多采用反时限类型，而这些保护在通用电机保护器中多采用定时限类型。
潜油电泵保护器需有历史数据记录、导出功能，而常规电机保护器带有故障记录即可。
为方便潜油电泵维护、考核，潜油电泵保护器需带有打卡功能，以便进行打卡考核，而常规电机保护器不必带此功能。
2　潜油电泵保护器特点
潜油电泵保护器可实时测量三相电流、三相电压、频率，并可同时可显示有功功率、电能等电参量；可将检测、采集到的开关量类型工艺参数、4-20mA类型工艺参数，通过通信统一发送给系统。
潜油电泵保护器具有过载、断相、电流不平衡、堵转、阻塞、欠压、过压、电压不平衡等保护功能，并可实现欠载自起动。
潜油电泵保护器可显示三相电流、三相电压等参数的实时、历史曲线。
潜油电泵保护器可将存储的历史数据导出到U盘，导出文件支持EXCEL操作。U盘插入电脑后可直接进行数据分析，不必安装附加分析软件。此功能可用于取代电流记录仪。
潜油电泵保护器支持MODBUS、PROFIBUS通信协议，通过通信网络可直接传送实时数据、发送起停命令。
3　潜油电泵保护器产品组成
潜油电泵保护器由保护器主体、人机交互模块、开关电源组成，如图1所示。保护器主体完成参数采集、保护、通讯功能；人机交互模块实现实时参数显示、参数设置、实时曲线显示、历史曲线显示、历史数据查询、故障查询等功能；开关电源将AC/DC 220V（或其它等级）电压转换为低电压供主体、人机交互模块使用。

图1　潜油电泵产品组成示意图
4　潜油电泵保护器的设计
潜油电泵保护器设计分为硬件和软件两方面.硬件设计包括电源、信号采集、开关量输入输出、通讯电路等部分；软件设计主要包括软件架构、测量算法、保护算法、控制算法等。
4.1　硬件设计
由于常用的潜油电泵工作电压从AC 200V~AC2000V，因此不宜将潜油电泵工作电源直接作为潜油电泵保护的工作电源，常规做法是用隔离变压器将潜油电泵工作电压转换为AC 110V控制电压。针对此种情况，潜油电泵保护器电源采用开关电源，这是因为开关电源的工作范围宽、效率高，适用于此种情况。
信号采集包括电压、电流等电参量采集。为保证采集可靠性，通常采用TV、TA作为电压、电流信号的隔离变换器。选用TA时，应注意TA电压等级。常规TA电压等级为0.66KV，而在潜油电泵工作电压达到AC 1000V甚至AC 2000V时，应选用3.3KV等级的TA，以保证隔离安全。
开关量输入输出以及通信电路的设计为常规设计，没有过多特殊性。
可靠性设计包括电磁兼容、安全性设计。电磁兼容设计初期要充分考虑各种可能出现的问题，做好预留措施规划。常用的抗干扰方法包括：电源部分加EMC滤波器；信号采集部分增加滤波电路；在信号处理的各芯片输入口处加端口保护电路；在芯片电源输入处加去藕电容等。
4.2　软件设计
常用的采样算法有直流采样和交流采样。交流采样可测量非正弦波信号，因此在电参量测量中广泛采用。常用测量算法有基于正弦信号的算法和基于非正弦的算法。基于正弦信号的算法包括半周内取*大绝对值算法、半周绝对积分算法、一阶导数算法、二阶导数算法、采样值积算法、三采样值算法等；基于非正弦信号的算法包括傅里叶算法、一阶差分后半波傅里叶算法、真有效值算法等。各种算法都有其优缺点。基于正弦信号的算法虽然算法简单、消耗资源少，但是当有谐波或波形变换后测量不准确；而基于非正弦信号的算法虽然算法较复杂，但可保证测量值的正确性。
　由于在保护算法中设计反时限曲线算法有一定难度，因此有些产品标注为反时限，但实际却是定时限分割，如：（1.2-1.5）倍、60s保护，（1.5-2）倍、40s保护，2倍以上、10s保护。这违背了反时限曲线的基本原则，如果信号在临界点上下跳动，那么动作时间将不准确。真正的反时限具有一条连续的反时限曲线，真正做到大倍数大动作快，小倍数小动作慢。
软件设计时，除需要选取合理的算法外，还要注意软件设计的规范化。软件设计的基本原则是信息隐蔽与模块独立性，好的软件要求高内聚（内聚是模块强度的度量）、低耦合。
软件测试是软件设计中不可缺少的一个重要环节，其目的是检验软件是否满足规定。开发过程中药遵循早测试、早改正原则，单元测试通过后再进行集成测试、确认测试和验收测试。
5　结论语
　　潜油电泵是由常规电动机保护器产品衍生出的新一类电机保护器，更适用于潜油泵，新增欠载、过压、欠压、电流不平衡、电压不平衡等反时限保护，同时带有电流、电压、功率、频率、电能、剩余电流等测量功能，更符合客户要求。