油氣田中分布式智能電網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用

亢清波，魏志遠(yuǎn)，黃文濤，侯云飛，仇佳鑫，李 妍

（1.華北油田公司新能源事業(yè)部，河北 任丘 062552；2.華北油田公司第四采油廠，河北 廊坊 065000；3.國(guó)電南瑞能源有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

基于國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略部署，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司將構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革[1]。在油氣生產(chǎn)中，其主要用能為動(dòng)能與熱能。由于用能在時(shí)間上存在不平衡性、季節(jié)性、負(fù)荷波動(dòng)大以及機(jī)采設(shè)備功率因素低等特點(diǎn)，同時(shí)多能源使用缺乏統(tǒng)一管理性，無(wú)法交換調(diào)配多余能源，大大降低了新能源的經(jīng)濟(jì)收益[2]。因此，要做好多源微型電網(wǎng)管控，確保能源有效應(yīng)用[3]。

1 油田的分布式智能電網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 多能互補(bǔ)系統(tǒng)

油田內(nèi)部的油氣、余熱和光能等資源豐富，以可再生能源充分利用為核心的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)，將成為油田構(gòu)建清潔低碳供能體系的有效載體[4]。文章構(gòu)建了“光伏+燃?xì)獍l(fā)電+余熱利用+固體氧化物燃料電池+混合儲(chǔ)能”為一體的多能互補(bǔ)柔性能源管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用風(fēng)、光、壓差等提供綠色電力；光熱、綠色電能替代電加熱，儲(chǔ)熱保障連續(xù)生產(chǎn)；利用微型天然氣發(fā)電機(jī)、燃料電池實(shí)現(xiàn)伴生氣熱電聯(lián)供；利用間開井、碳捕獲利用與封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技術(shù)、儲(chǔ)能制氫等參與電網(wǎng)調(diào)峰；建立智能管控，油田多能互補(bǔ)系統(tǒng)的示意如圖1所示。

圖1 油田多能互補(bǔ)系統(tǒng)

1.2 交—直互聯(lián)

打造交直流微型電網(wǎng)和孤立微型電網(wǎng)等不同形式的電力系統(tǒng)。在多油井井場(chǎng)建設(shè)交直流混合微網(wǎng)，可將站內(nèi)供電由“光伏直流→逆變交流→升壓→上網(wǎng)→降壓→消納”簡(jiǎn)化為“光伏直流直接消納后，經(jīng)低壓交流側(cè)二次消納，余電上網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)綠色、高效控制。項(xiàng)目實(shí)施前后的一次架構(gòu)如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目實(shí)施前后的一次架構(gòu)

1.3 分布式智能電網(wǎng)管控系統(tǒng)

構(gòu)建分布式智能電網(wǎng)管控系統(tǒng)，對(duì)華北油田公司第四采油廠，包括所有分布式光伏、微型天然氣發(fā)電機(jī)、燃料電池等的“源”，包括交直流微網(wǎng)、6 kV配網(wǎng)和35 kV、110 kV供電網(wǎng)的“網(wǎng)”，包括抽油機(jī)、各類機(jī)泵、電加熱等的“荷”，還包括電池、超級(jí)電容、儲(chǔ)熱等的“儲(chǔ)”，進(jìn)行“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的協(xié)調(diào)控制、潮流優(yōu)化及全景可視化展示，提高區(qū)域電網(wǎng)整體運(yùn)行效率，使得消納清潔能源最大化。分布式智能電網(wǎng)管控系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 分布式智能管控系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

按電壓等級(jí)和影響范圍劃分成區(qū)域調(diào)度決策層、微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制層、可控單元執(zhí)行層3個(gè)層級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的優(yōu)化調(diào)度和協(xié)調(diào)控制[5]。

1.4 有源配電網(wǎng)安全管控系統(tǒng)

大量分布式電源接入后潮流雙向流動(dòng)，傳統(tǒng)繼電保護(hù)存在誤動(dòng)和拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，檢維修安全管控困難。針對(duì)新能源接入帶來(lái)的電網(wǎng)安全問(wèn)題，完善電網(wǎng)保護(hù)，研制新型智能工器具，并將人工為主和紙質(zhì)記錄的傳統(tǒng)運(yùn)維方式進(jìn)行智能化和信息化升級(jí)，全面支撐電網(wǎng)巡視運(yùn)維、檢修作業(yè)、應(yīng)急保障等業(yè)務(wù)。

1.4.1 繼電保護(hù)升級(jí)

形成離網(wǎng)型微電網(wǎng)二次保護(hù)典型配置方案，提升廊東分布式智能電網(wǎng)示范區(qū)配電網(wǎng)故障處置水平及分布式電源就地消納能力，實(shí)現(xiàn)區(qū)域微網(wǎng)自治趨優(yōu)。當(dāng)網(wǎng)側(cè)故障時(shí)，終端間采用就地級(jí)差保護(hù)（帶方向）快速隔離故障；故障排除后，管控平臺(tái)故障處理模塊基于全域源-荷平衡狀態(tài)逐級(jí)恢復(fù)失電區(qū)段供電[6]。具體方案如下：第一，配置無(wú)壓跳閘保護(hù)，變電站或上級(jí)故障導(dǎo)致失電時(shí)，保護(hù)控制終端完成最小故障區(qū)段隔離；第二，配置小電流單相接地保護(hù)，實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)不接地方式下單相接地故障就地判別與隔離；第三，配置方向過(guò)流保護(hù)，上下級(jí)保護(hù)延時(shí)級(jí)差ΔT設(shè)定為0.2 s；配置速斷保護(hù)，用于快速切除分支/用戶分界故障；第四，配置二次諧波制動(dòng)保護(hù)；第五，配置重合閘、后加速保護(hù)；第六，配置故障解列保護(hù)，實(shí)現(xiàn)分布式電源就地脫網(wǎng)；第七，支持“開關(guān)狀態(tài)+含方向的保護(hù)動(dòng)作/事件”信息基于IEC101/104規(guī)約上送管控平臺(tái)。

1.4.2 智能檢維修系統(tǒng)功能

建立基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的電力線路系統(tǒng)，通過(guò)智能操作票、故障研判及定位等形式實(shí)現(xiàn)有源配電網(wǎng)檢維修操作的安全智能管控，及時(shí)計(jì)算各種設(shè)備的運(yùn)行狀況、工作狀況以及維護(hù)狀況等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)度自動(dòng)化、信息采集以及配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，自行判斷發(fā)生問(wèn)題的類型、范圍以及定點(diǎn)等。實(shí)現(xiàn)智能擬票和語(yǔ)音擬票，以及在線安全分析校核。開發(fā)智能檢維修App，方便檢維修現(xiàn)場(chǎng)操作管理。

2 油田分布式智能電網(wǎng)功能

分布式智能電網(wǎng)結(jié)合氣象信息，預(yù)測(cè)各時(shí)段新能源出力，實(shí)現(xiàn)新能源的全額消納和油田熱、電負(fù)荷的平衡。其運(yùn)行機(jī)制能與生產(chǎn)調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào)，最終達(dá)到油田生產(chǎn)的低成本用能和低碳生產(chǎn)[7]。根據(jù)光伏歷史數(shù)據(jù)及天氣信息預(yù)測(cè)發(fā)電能力，獲得新能源出力預(yù)測(cè)曲線；計(jì)算總發(fā)電功率；預(yù)測(cè)局域電網(wǎng)總的負(fù)荷需求量；測(cè)算光伏、燃料電池等可否全額消納；依據(jù)電價(jià)和供需平衡信息等綜合信息確定局域電網(wǎng)的能源生產(chǎn)和用電方案。

2.1 “源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同

各種工況下，自動(dòng)協(xié)調(diào)調(diào)度局域電網(wǎng)內(nèi)各類可調(diào)資源，保障局域電網(wǎng)功率的實(shí)時(shí)平衡，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。在光伏出力大于總負(fù)荷時(shí)，用光伏富余的電能進(jìn)行充電；在光伏出力小于負(fù)荷時(shí)，將所充電能放出，從而降低常規(guī)電力負(fù)荷。當(dāng)儲(chǔ)能不滿足需求時(shí)，啟動(dòng)微燃機(jī)或電網(wǎng)購(gòu)電進(jìn)行補(bǔ)充?！霸淳W(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同，調(diào)整間開井、注水、注氮等可調(diào)資源的運(yùn)行模式，最大化消納新能源發(fā)電。

2.2 無(wú)功優(yōu)化

面對(duì)有源配電網(wǎng)源荷不確定性和多樣性帶來(lái)的電壓?jiǎn)栴}及降損需求，充分挖掘包含分布式電源在內(nèi)的各級(jí)調(diào)壓設(shè)備和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的調(diào)節(jié)控制能力，將獨(dú)立的分散調(diào)控變?yōu)榧姓{(diào)控和分層配合，有效提高電壓質(zhì)量，改善系統(tǒng)無(wú)功分布，降低系統(tǒng)損耗[8]。無(wú)功優(yōu)化原理如圖4所示。

圖4 無(wú)功優(yōu)化原理

2.3 故障隔離與恢復(fù)

對(duì)故障區(qū)域自動(dòng)研判，隔離故障段，并指導(dǎo)供電恢復(fù)。故障隔離與恢復(fù)示例如圖5所示，當(dāng)BC段發(fā)生故障時(shí)，由A斷路器跳閘，智能恢復(fù)A和C斷路器，隔離故障段，且D不受影響。

圖5 故障隔離與恢復(fù)示例

依據(jù)多電源線路故障產(chǎn)生等效模型，進(jìn)行微擾相模變換，生產(chǎn)多元供電故障判據(jù)，其中主站側(cè)采用電網(wǎng)感知及防控平臺(tái)，終端側(cè)采用智能測(cè)控設(shè)備。分析故障類型，包括間隙性故障、自熄性故障、半永久故障以及永久性故障。故障恢復(fù)包括就地主動(dòng)孤島和集中負(fù)荷轉(zhuǎn)供2種判據(jù)方式。

2.4 虛擬電廠

虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）是將分布式發(fā)電機(jī)組、可控負(fù)荷和分布式儲(chǔ)能設(shè)施有機(jī)結(jié)合，通過(guò)配套的調(diào)控技術(shù)、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類分布式能源的整合調(diào)控載體，作為一個(gè)整體參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行[9]。油田的虛擬電廠架構(gòu)如圖6所示。

圖6 油田虛擬電廠架構(gòu)

3 實(shí)施及效果

華北油田公司第四采油廠分布式智能電網(wǎng)項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維、雙向潮流保護(hù)、故障自動(dòng)隔離改造、無(wú)功優(yōu)化、多電源直柔配網(wǎng)以及虛擬電廠等系統(tǒng)的平臺(tái)搭建，其中智能電網(wǎng)系統(tǒng)終端建立包括3套區(qū)塊E390R微燃機(jī)、升壓撬及熱回收裝置、超級(jí)電容儲(chǔ)能+全釩液流儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)；智能電網(wǎng)管控平臺(tái)擴(kuò)容包括分布式智能電網(wǎng)功能完善，華北油田公司第四采油廠新能源發(fā)電點(diǎn)、重要負(fù)荷能耗計(jì)量完善及接入，新建多能預(yù)測(cè)、有功與無(wú)功優(yōu)化、新能源群調(diào)群控、饋線自動(dòng)化等功能模塊；有源配網(wǎng)管控功能完善包括配網(wǎng)自動(dòng)化完善及繼電保護(hù)升級(jí)，完善配網(wǎng)GIS系統(tǒng)智能操作票、故障自動(dòng)研判及定位等智能檢維修系統(tǒng)，研制智能接地極、電子鎖和驗(yàn)電棒等智能安全工器具等[10]。

4 結(jié) 論

分布式智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了新能源與油田生產(chǎn)的高度融合，建立了全環(huán)節(jié)的安全穩(wěn)定供電、智能管控，并探索新能源市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式。通過(guò)示范項(xiàng)目的建設(shè)解決了油田綠色轉(zhuǎn)型面臨的多電源接入管控難、綠電峰時(shí)消納難以及新能源直接并網(wǎng)效率低等難題，有利于推動(dòng)油氣開發(fā)與新能源融合的高質(zhì)量躍升發(fā)展。