基于序列預測法的海上平臺中長期電力負荷規(guī)劃

封園 （中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院）

海上平臺中長期電力負荷規(guī)劃是保障海上平臺正常運行和提高能源利用效率的重要任務[1-4]。隨著全球能源需求的不斷增長，海上平臺作為重要的能源開發(fā)和生產設施，其電力負荷的規(guī)模和復雜性也在不斷增加。因此，科學地預測和規(guī)劃海上平臺的電力負荷，對于確保海上平臺的穩(wěn)定運行、降低能源成本以及減少環(huán)境污染具有重要意義[5-7]。

傳統(tǒng)的海上平臺電力負荷規(guī)劃方法主要基于歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗規(guī)則進行預測和分析，然而，由于海上平臺的工作環(huán)境復雜多變，受到天氣、季節(jié)、海浪等多種因素的影響，傳統(tǒng)方法往往無法準確地捕捉到負荷的變化趨勢和周期性特征。因此，研究一種能夠更準確地預測和規(guī)劃海上平臺中長期電力負荷的方法具有重要的理論和實踐價值。序列預測法通過建立數(shù)學模型來描述時間序列數(shù)據(jù)的演變規(guī)律，并利用歷史數(shù)據(jù)對未來負荷進行預測。與傳統(tǒng)方法相比，序列預測法能夠更好地捕捉到負荷的非線性關系，從而提高了預測的準確性和可靠性。

1 海上平臺負荷特點

海上平臺的用電負荷主要包括生產設備、輔助設備、生活設施和應急設備等。其中，生產設備是海上平臺用電負荷的主要組成部分，包括鉆井設備、采油設備、油氣處理設備等。這些設備的運行需要大量的電力支持，且具有較大的波動性和不確定性。輔助設備主要包括泵站、風機、壓縮機等，其用電負荷相對較小，但對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定影響。生活設施和應急設備的用電負荷較小，但對人員的生活和安全至關重要。

1）波動性大。海上平臺的用電負荷受氣候條件、生產任務等多種因素影響，具有較大的波動性。在鉆井過程中，由于需要使用泥漿循環(huán)、鉆機升降等設備，用電負荷會出現(xiàn)較大的波動。此外，海上平臺的風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源接入也會對用電負荷產生影響。因此，海上平臺的電力系統(tǒng)需要具備較強的調峰能力，以適應用電負荷的波動變化。

2）不確定性高。海上平臺的用電負荷受生產任務、設備故障等多種不確定因素影響，具有較高的不確定性。在生產過程中，由于設備故障、生產事故等原因，可能導致用電負荷的突然增加。此外，海上平臺的電力系統(tǒng)還需要應對惡劣氣候條件帶來的影響，如臺風、暴雨等極端天氣可能導致電力系統(tǒng)的短路、跳閘等故障。因此，海上平臺的電力系統(tǒng)需要具備較強的抗干擾能力和故障恢復能力。

3）分布不均。海上平臺的用電負荷分布在不同的區(qū)域和設備上，具有明顯的不均衡性。生產設備是用電負荷的主要來源，其分布較為集中。而輔助設備、生活設施和應急設備的用電負荷分布較為分散。此外，由于海上平臺的地理環(huán)境限制，電力線路的敷設和維護具有一定的困難。因此，海上平臺的電力系統(tǒng)需要采取合理的分區(qū)供電策略，以提高電力系統(tǒng)的運行效率。

4）安全性要求高。海上平臺的用電負荷直接關系到生產安全和人員生命安全。一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能導致生產設備的停機、火災等嚴重事故。因此，海上平臺的電力系統(tǒng)需要具備較高的安全性和可靠性。這要求在電力系統(tǒng)設計中充分考慮各種可能的風險因素，采用先進的保護裝置和自動化控制技術，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

綜上所述，海上平臺用電負荷具有波動性、不確定性、分布不均和安全性要求高等特點。因此，科學合理地規(guī)劃電力系統(tǒng)的結構和布局，確保電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性至關重要。

2 優(yōu)化系數(shù)法

海上平臺電力負荷計算時，需將用電設備在各種工況下運行時的數(shù)量和耗電功率進行分類、匯總、計算和分析。根據(jù)負荷計算結果，進而確定主發(fā)電機組、應急發(fā)電機組的裝機容量、數(shù)量、供配電方式、電壓等級、接地方式等。負荷計算時需要考慮如下系數(shù)：需要系數(shù)、同時使用系數(shù)、負載系數(shù)。通常根據(jù)項目實際運行工況，取0.2~1 的系數(shù)。

海上平臺根據(jù)用電設備負荷的大小，對電動機效率及其功率因數(shù)進行了分類，負荷系數(shù)取值見表1。在常規(guī)負荷計算的基礎上，通過實際調研，合理地優(yōu)化了新建平臺生產用電設備的運行工況、需要系數(shù)、同時使用系數(shù)及負荷系數(shù)，使得負荷估算更加貼近生產實際，避免了因負荷估算過高造成的電站選取偏大的問題。

表1 負荷系數(shù)取值Tab.1 Load factor value

3 序列預測法

序列預測法通過利用時間序列數(shù)據(jù)之間的依賴關系，將預測問題轉化為一個序列生成的問題。它的基本原理是利用已有的歷史數(shù)據(jù)來學習一個序列生成模型，然后利用該模型對未來的數(shù)據(jù)進行預測，具有以下優(yōu)勢：

1）無需復雜的特征工程。序列預測法可以直接處理原始的時間序列數(shù)據(jù)，無需進行復雜的特征提取和轉換。這使得序列預測法在處理大規(guī)模和高維度的時間序列數(shù)據(jù)時更加高效和靈活。

2） 能夠處理非線性和非平穩(wěn)的時間序列數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^模型來捕捉時間序列數(shù)據(jù)中的非線性和長程依賴關系，在處理非線性和非平穩(wěn)的時間序列數(shù)據(jù)時具有更好的性能。

3）能夠處理缺失值和異常值。在實際的時間序列數(shù)據(jù)中，常常存在缺失值和異常值的情況。可根據(jù)專家判斷法對缺失值進行插補或刪除，從而提高預測的準確性。

綜合利用海上平臺的多種數(shù)據(jù)源，包括氣象數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)等，構建全面的大數(shù)據(jù)集。通過對這些數(shù)據(jù)進行分析和建模，提取出負荷的關鍵特征和影響因素，進而建立準確的預測模型。同時結合優(yōu)化算法對電力系統(tǒng)進行調度和優(yōu)化，實現(xiàn)對電力資源的合理配置和管理。

預測模型的抽象表達式為：

式中：X為m種相關因素組成的向量，記為X=[X1，X2，...，Xm]T；t為實際序號；y為待預測量；S為該預測模型的參數(shù)向量，設總共有k個參數(shù)，S=[s1，s2，...，sk]T。例如，對于不考慮相關因素的線性預測模型y=a+bt，有S=[a，b]T。

設已知在歷史時段t(1 ≤t≤n)，相關因素的取值為X=[X1t，X2t，...，Xmt]，待預測量的取值為yt。需要根據(jù)其歷史發(fā)展規(guī)律，對未來時段n+1 ≤t≤N做預測。由于進行相關預測，不僅需要知道m(xù)種相關因素在歷史時段1 ≤t≤n的取值，而且也要知道其在未來時段n+1 ≤t≤N的取值。那么預測的重點是，根據(jù)所有歷史時段的Xt和yt，通過某種途徑對模型的參數(shù)向量S進行估計，序列預測方法如圖1 所示[8-10]。

圖1 序列預測方法Fig.1 Sequential forecasting models

4 項目案例分析

海上某A 油田新建一座中心平臺A1，電力與相鄰的B 油田進行組網(wǎng)。工程方案見圖2。

圖2 工程方案Fig.2 Engineering schemes

B 油田現(xiàn)有3 個平臺，B1 平臺、B2 平臺、B3 平臺。其中，B1 平臺設有3 臺電站，B2、B3 平臺不設電站。

4.1 新建A1 平臺優(yōu)化系數(shù)

按照常規(guī)負荷計算方法，新建A1 平臺應急負荷為1 195.6 kW，因此選用了一臺1 500 kW，400 V的柴油發(fā)電機作為應急發(fā)電機。為進一步優(yōu)化用電負荷，工藝專業(yè)優(yōu)化了1 臺應急置換泵，將1 臺原油外輸泵兼做應急置換，優(yōu)化應急負荷200 kW，同時電氣專業(yè)通過調整運行工況、需用系數(shù)、同時使用系數(shù)，優(yōu)化工藝設備負荷146.2 kW，將應急負荷降低至849.4 kW，應急電站規(guī)模由1 500 kW 降低至1 000 kW，節(jié)約直接經(jīng)濟投資100 萬元。采用優(yōu)化系數(shù)法后，A1 平臺逐年負荷如表2 所示。

表2 A1 平臺逐年用電負荷Tab.2 Annual load of A1 platform

4.2 B 油田負荷序列預測

B 油田經(jīng)過多年油氣開發(fā)，油藏儲量下降，用電規(guī)模降低。根據(jù)作業(yè)公司提供的負荷數(shù)據(jù)，熱采情況下B 油田夏季負荷約4 900 kW，冬季負荷約6 100 kW。 與設計資料中的高峰用電負荷12 786 kW 相差甚遠。為精確預測未來年用電負荷，根據(jù)B 油田最新的油藏配產，對油田注水量與原電力設計負荷進行了綜合分析，繪制出注水量與設計負荷曲線（圖3），發(fā)現(xiàn)B 油田的注水量與設計負荷的變化趨勢基本一致，適合采用序列預測法對老區(qū)油田的負荷進行預測。

圖3 注水量與設計負荷曲線Fig.3 Curve of water injection volume and design load

因此，根據(jù)油藏最新配產數(shù)據(jù)，同時結合B 油田近年的實際用電負荷，采用序列預測法，對B 油田年用電負荷進行預測，用電負荷及預測結果見表3。

表3 B 油田年用電負荷及預測Tab.3 Annual electricity load and forecast of B oilfield

經(jīng)統(tǒng)計近7 a 的B 油田逐年實際高峰負荷，并與預測負荷進行對比分析，可知采用序列預測法最大負荷誤差為7.13%，平均負荷誤差為6.62%，遠低于常規(guī)對中長期負荷預測誤差10%的要求，極大地提高了海上電網(wǎng)負荷估算的精確度，不僅降低了平臺發(fā)電及運行成本，還提高了油田建設的經(jīng)濟效益，負荷預測誤差分析見表4。

表4 負荷預測誤差分析Tab.4 Analysis of load prediction error

5 結語

以某海上平臺為例，在采用常規(guī)優(yōu)化系數(shù)方法的基礎上，通過分析油田注水量與設計負荷之間的關系，采用序列預測法對平臺中長期用電負荷進行了規(guī)劃，得到如下結論：

1）采用優(yōu)化系數(shù)法對新建A1 平臺的用電負荷進行優(yōu)化，對生產設備的運行工況、需要系數(shù)、同時使用系數(shù)及負荷系數(shù)進行調整，調整后負荷降低346.2 kW，為其他同類平臺負荷優(yōu)化提供借鑒。

2）通過對老區(qū)B 油田的注水量與設計負荷的分析，得出采用序列預測法最大負荷誤差為7.13%，平均負荷誤差為6.62%，滿足誤差要求。