利用工頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)供電線路節(jié)能方法研究

姜天一（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

引言

油田配電網(wǎng)多采用多分支輻射式的單向供電接線方式。油田的采油設(shè)備、注水系統(tǒng)及油氣集輸系統(tǒng)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，這種系統(tǒng)負(fù)荷分散性大，配電網(wǎng)供電半徑大、分支多，配電變壓器數(shù)量多、負(fù)荷率低；因此，運(yùn)行時(shí)供電線路的線損大，功率因數(shù)低，末端壓降大。在此背景下，存在多種技術(shù)手段來(lái)降低電能消耗。根據(jù)油田電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和采油設(shè)備的工作特點(diǎn)，主要通過配電網(wǎng)優(yōu)化減小6 kV 線損和降低油井變壓器、電動(dòng)機(jī)損耗這兩個(gè)途徑來(lái)降低電能消耗。

配電網(wǎng)優(yōu)化主要包括配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和無(wú)功補(bǔ)償。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，它通過改變分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開合狀態(tài)組合，強(qiáng)行控制網(wǎng)絡(luò)中的有功電流和無(wú)功電流，以達(dá)到減少網(wǎng)損、平衡負(fù)荷、提高電壓質(zhì)量的目的；無(wú)功補(bǔ)償是配電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)上的優(yōu)化，它通過改變電容器的投切組數(shù)，改變網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)損的目的。

在單井降低電能方面，目前的節(jié)能手段主要有變壓器調(diào)壓調(diào)容、星角變換、高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速控制、低壓端無(wú)功補(bǔ)償、斷續(xù)供電等方式，這些節(jié)能手段的成本差異很大，而節(jié)能效果與油井的工況密切相關(guān)。

目前，由于大多數(shù)油井沒有單井電量計(jì)量和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，一方面導(dǎo)致單井節(jié)能設(shè)備的運(yùn)行效果無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估；另一方面在配電網(wǎng)優(yōu)化上，根據(jù)抽油機(jī)的運(yùn)行特性，完全在低壓進(jìn)行就地補(bǔ)償不可行，必須在合適的位置加裝適當(dāng)容量的高壓電容才能達(dá)到較好的效果。在沒有獲得供電線路的線損參數(shù)以及各能耗節(jié)點(diǎn)的有功、無(wú)功電量情況下，無(wú)法合理選擇無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、確定補(bǔ)償位置及補(bǔ)償容量，使無(wú)功補(bǔ)償難以達(dá)到預(yù)期的效果。采用電力線工頻通信技術(shù)[1]獲取各油井工況和運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)6 kV 線路的實(shí)際損耗情況，通過潮流分析，結(jié)合優(yōu)化算法進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化配置；同時(shí)，根據(jù)油井工況與實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，綜合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)來(lái)降低油井變壓器和電動(dòng)機(jī)的損耗；在較低成本的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能降耗和遠(yuǎn)程監(jiān)控，將為通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)群綜合控制提供基礎(chǔ)。

1 技術(shù)原理

根據(jù)負(fù)載電參數(shù)的變化，通過投切電容器組來(lái)選擇合理的容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，采用無(wú)沖擊投切技術(shù)提高設(shè)備壽命，并利用工頻通信技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程投切，將節(jié)能效果實(shí)時(shí)上傳，進(jìn)行能效評(píng)估。

利用工頻通信的信道，同步采集各油井能耗參數(shù)，得出準(zhǔn)確線損，通過線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出高壓側(cè)數(shù)據(jù)；采用遺傳算法對(duì)各節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償方案進(jìn)行優(yōu)勝劣汰選擇，再通過蟻群算法進(jìn)行全局檢驗(yàn)，防止出現(xiàn)局部求解而得到次優(yōu)配置結(jié)果，以保證得出的無(wú)功補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)及容量效果最佳。

2 項(xiàng)目實(shí)施情況及應(yīng)用效果分析

2011年10月研制了節(jié)能監(jiān)控裝置，2011年12月根據(jù)5921 線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，編制了網(wǎng)損統(tǒng)計(jì)與高壓無(wú)功優(yōu)化軟件。2012年1月開始，結(jié)合杏南油田油井遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目，開始對(duì)單井能耗、無(wú)功補(bǔ)償與配電網(wǎng)優(yōu)化降損等方面進(jìn)行了測(cè)試與仿真，同時(shí)試驗(yàn)了多路工頻通信數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)姆椒╗1]。

2.1 項(xiàng)目實(shí)施情況

1）通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)獲得了5921 線路各油井的電能消耗參數(shù)。獲取該線路所轄的29 口油井的有功功率、無(wú)功功率后，利用測(cè)試儀器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，數(shù)據(jù)見表1。由表1 可知，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端測(cè)量的電參數(shù)除了極個(gè)別誤差超過2%，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)相對(duì)誤差均在2%以內(nèi)，由此得出的結(jié)論是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端可實(shí)現(xiàn)油井的電量計(jì)量。

表1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與測(cè)試儀器比對(duì)

2）實(shí)現(xiàn)了5921 線路的網(wǎng)損實(shí)時(shí)獲取。本項(xiàng)目通過油井遠(yuǎn)程系統(tǒng)獲得各油井的電能消耗數(shù)據(jù)，然后與5921 線路的關(guān)口表數(shù)據(jù)對(duì)比即可獲得網(wǎng)損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表2、表3）。根據(jù)3 天的數(shù)據(jù)表明該線路的網(wǎng)損接近17%。

3）給出了5921 線路的高壓補(bǔ)償?shù)暮侠砦恢眉叭萘?。根?jù)線損數(shù)據(jù)和各節(jié)點(diǎn)的電能參數(shù)，在X10-2-B323 油井處安設(shè)58 kvar 電容器，在X10-3-B33 油井處安設(shè)67 kvar 電容器，可以使5921 線路損耗降低4 個(gè)百分點(diǎn)，見圖1。

表2 5921 線路油井電能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表3 5921 供電線路網(wǎng)損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖1 5921 供電線路優(yōu)化運(yùn)行方式

2.2 項(xiàng)目應(yīng)用效果分析

1）電表與測(cè)試儀器比對(duì)見表4。

2）油井遠(yuǎn)程終端與測(cè)試儀器比對(duì)見表5。在杏10 區(qū)2 隊(duì)隨機(jī)選取了6 口抽油機(jī)井，利用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行了10 min 的電量計(jì)量。由表5 可知，除了單井日耗電在60 kWh 以下外，有功、無(wú)功電能消耗數(shù)據(jù)精確度都在2%以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)油井的電量計(jì)量；由此得出5921 供電線路的網(wǎng)損數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的。

表4 電表與測(cè)試儀器比對(duì)數(shù)據(jù)

表5 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端與測(cè)試儀器比對(duì)數(shù)據(jù)

3）單井無(wú)功補(bǔ)償情況見表6。通過不同負(fù)載的油井處進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果表明，由于采用電容器組進(jìn)行組合投切，節(jié)能監(jiān)控裝置能夠自適應(yīng)負(fù)載的變化，使單井功率因數(shù)保持在0.91 以上。

表6 節(jié)電裝置運(yùn)行情況

4）5921 供電線路高壓無(wú)功補(bǔ)償情況見表7。利用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端實(shí)時(shí)獲取油井電能數(shù)據(jù)。在不改變現(xiàn)有油井運(yùn)行方式的情況下，采用蟻群算法，結(jié)合遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化后，在確切的位置安裝合適容量的補(bǔ)償電容器可以將網(wǎng)損降低4 個(gè)百分點(diǎn)。

表7 5921 供電線路無(wú)功補(bǔ)償情況

綜上所述，可以采取兩個(gè)途徑降低電網(wǎng)損耗：通過單井可以進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，從而降低電能傳輸損耗；根據(jù)線路中各節(jié)點(diǎn)同步測(cè)試獲得的電能消耗數(shù)據(jù)，結(jié)合潮流計(jì)算選擇合理的高壓補(bǔ)償位置及容量來(lái)降低線損。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）通過工頻通信技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的電能消耗，可以及時(shí)獲得各油井的能耗狀況，為油井節(jié)能方法的選擇提供依據(jù)。

2）通過同步獲取供電線路各節(jié)點(diǎn)的能耗參數(shù)，能夠準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)線路損耗情況，為高壓無(wú)功補(bǔ)償配置等配電網(wǎng)優(yōu)化方案提供決策依據(jù)。

3）監(jiān)控終端如結(jié)合電容器組進(jìn)行本地補(bǔ)償，能夠提高功率因數(shù)，極大地降低無(wú)功電能消耗。

[1]盧文冰,TWACS 技術(shù)在油田電網(wǎng)的應(yīng)用研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29（2）:29-32.