油氣和新能源融合發(fā)展下多能互補智慧管控 技術(shù)研究

王偉峰

摘要：國家提出“碳達峰、碳中和”的雙碳目標(biāo)。近年來，傳統(tǒng)油氣田企業(yè)為響應(yīng)國家能源轉(zhuǎn)型號召，大力開展風(fēng)能、太陽能、地?zé)帷淠?、儲能、CO2埋存等技術(shù)的研究和應(yīng)用。多種形式清潔能源的加入給傳統(tǒng)油氣田的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)管理帶來了沖擊，從原來單純的負荷端管控，變成供能端和用能端同時協(xié)同調(diào)控的新局面，需要充分利用數(shù)字化，智能化手段進行智慧能源管控，來完成減碳、低碳、零碳、負碳的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：多能互補；協(xié)同調(diào)控；源荷互動；物聯(lián)網(wǎng)；電力調(diào)度

一、前言

2020年9月22日，中國在第七十五屆聯(lián)合國大會向全世界承諾：二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。中石油各大油氣田企業(yè)將新能源列入融合發(fā)展業(yè)務(wù)，加快實施綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，按照“清潔替代、戰(zhàn)略接替、綠色轉(zhuǎn)型”三步走總體部署，隨著風(fēng)電、光電、地?zé)?、光熱、氫能等新能源的加入，給傳統(tǒng)油氣田的原有生產(chǎn)模式帶來了沖擊，如何提升管理手段，以適用新能源加入后復(fù)雜的生產(chǎn)工藝變化，是目前亟待解決的問題。

在油田原有傳統(tǒng)能源的基礎(chǔ)上，新能源逐步加入，以前的局部、單一的能源管控模式，已經(jīng)不能滿足要求。目前油氣田所轄變電站信息化、自動化建設(shè)水平較低，集控站監(jiān)控中心功能和電力調(diào)度中心統(tǒng)一指揮功能缺失。作為新能源接入的基礎(chǔ)支撐，電力系統(tǒng)的信息化、自動化、智能化建設(shè)亟待解決。在油氣生產(chǎn)負荷側(cè)信息化建設(shè)上，傳統(tǒng)調(diào)控已經(jīng)形成井間站一體化物聯(lián)網(wǎng)平臺，在間抽運行、變頻控制、自保聯(lián)鎖、油井故障診斷、時率分析等方面都有深入研究，但在能源管控上還有巨大潛力可以挖掘，特別是針對新能源接入后的機采、集輸、注水等系統(tǒng)的優(yōu)化級、智能化管控的研究[1]。

二、研究內(nèi)容

主要包括以下兩個方面，一是對新能源數(shù)智化管控體系進行研究，圍繞綜合能源利用、生產(chǎn)運行智能診斷、供能和用能端智能調(diào)度等業(yè)務(wù)需求，建成數(shù)據(jù)齊全、協(xié)同高效、智能感知、實時在線、安全受控的以數(shù)字化、自動化、協(xié)同化、智能化為標(biāo)志的新能源管控體系。覆蓋風(fēng)電、光電、電網(wǎng)、燃氣、燃油、熱能利用、CO2治理、井場、各類場站等生產(chǎn)活動，以及經(jīng)營管理、安全環(huán)保等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。二是對多智慧管控輔助決策系統(tǒng)進行研究，該系統(tǒng)對內(nèi)可實現(xiàn)油田多能協(xié)同及能源利用水平提升，增加電力供應(yīng)中清潔能源比例，并確保內(nèi)部能源系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟運行；對外則可以提升油田與上級電網(wǎng)的互動能力，主動參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)資源靈活性價值變現(xiàn)，參與地方電力服務(wù)市場，為碳市場運作提供技術(shù)平臺支撐，預(yù)留接口實現(xiàn)油田內(nèi)部在用平臺的互聯(lián)互通。

三、研究目的

（一）助力管理升級

通過“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同調(diào)控可以提高油田電調(diào)和負荷側(cè)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理水平，保障油田生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、高效運行。

（二）源荷配置優(yōu)化

在預(yù)測新能源發(fā)電和負荷基礎(chǔ)上，通過對油田內(nèi)部電、熱、氣等多種能源進行耦合互補，對油田源荷側(cè)設(shè)備進行多能互補優(yōu)化調(diào)度。

（三）促進降本增效

隨著大規(guī)?？稍偕茉闯掷m(xù)接入，為促進新能源消納，提升系統(tǒng)運行效率，通過電、熱、氣耦合多能互補，進一步挖掘油田現(xiàn)有設(shè)備運行潛力，促進油田增效節(jié)能。

（四）推動油田“雙碳”管理

油田管理人員通過數(shù)智化手段可直觀掌握油田內(nèi)生產(chǎn)用能和產(chǎn)生的碳排放情況，同時可輔助管理人員進行節(jié)能降碳決策，指導(dǎo)油田綠色低碳轉(zhuǎn)型，助力油田在未來碳市場中占據(jù)優(yōu)勢[2]。

四、研究原則

（一）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)一體化原則

為保證平臺多能互補、智慧管控的準(zhǔn)確性，在對供、用能數(shù)據(jù)的管理上，嚴格遵循一體化數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，在“源網(wǎng)荷儲”建設(shè)初期即建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)字典，在投產(chǎn)運行后建立原始數(shù)據(jù)責(zé)任人機制，保證數(shù)據(jù)在產(chǎn)生、運行、入庫的過程中不出錯、不丟失。

（二）管控安全可靠原則

為保證多能互補、智慧管控的安全性，在供、用能優(yōu)化調(diào)度的指令下發(fā)，執(zhí)行手動、自動控制的過程中，為使供、用能端各類轉(zhuǎn)動設(shè)備和靜設(shè)備能夠在生產(chǎn)管理允許的范圍內(nèi)運行，平臺要根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)工藝實際情況，具備科學(xué)合理控制機制和生產(chǎn)運行自保聯(lián)鎖機制，避免出現(xiàn)生產(chǎn)誤操作和安全責(zé)任事故。指令在執(zhí)行過程中要具備人工和自動執(zhí)行兩種模式。能夠進行人工切換，防止出現(xiàn)錯誤的輸出動作。

（三）功能全面完整的原則

在供、用能優(yōu)化調(diào)度算法的輸入條件和約束條件上要全面、準(zhǔn)確、合理。在生產(chǎn)工藝出現(xiàn)變化的情況下，用戶在權(quán)限允許的范圍內(nèi)，能夠自主操作，添加和更改各類輸入和約束條件，確保優(yōu)化調(diào)度輸出的執(zhí)行動作準(zhǔn)確。

（四）操作簡單易維護的原則

為保證用戶在供、用能調(diào)控過程中，能夠快速準(zhǔn)確地進行界面切換和參數(shù)設(shè)置，平臺要具備友好的人機交互界面。為方便日后運行維護，在能源管控整體架構(gòu)數(shù)據(jù)交互及硬件連接方式上要科學(xué)合理，使運維人員能夠快速準(zhǔn)確地處理故障。

五、技術(shù)路線

管控體系技術(shù)路線研究：結(jié)合油田的現(xiàn)狀，按照“一體兩翼”的技術(shù)路線，以智慧管控輔助決策系統(tǒng)為主體，智能電力調(diào)度、用能側(cè)物聯(lián)網(wǎng)為兩翼，開展“源網(wǎng)荷儲”一體化項目的整體布局，并采用“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施”的指導(dǎo)思想，以頂層設(shè)計為指導(dǎo)，以局部建設(shè)為試點，逐步完善的原則實施。

如圖1所示，在油田電力側(cè)通過建設(shè)變電站集中監(jiān)控系統(tǒng)、新能源集中監(jiān)控系統(tǒng)、局部微電網(wǎng)系統(tǒng)，不斷完善下級監(jiān)控系統(tǒng)的管控范圍，并同步進行智能電力調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)；在生產(chǎn)用能側(cè)，完善用能側(cè)物聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)功能，強化對負荷側(cè)用能區(qū)域及場間子單元、井間子單元的控制能力，通過負荷聚合、動態(tài)響應(yīng)、柔性控制等技術(shù)手段，不斷挖掘負荷側(cè)資源對電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰的能力，豐富“源網(wǎng)荷儲”一體化調(diào)控手段。

如圖2所示，在系統(tǒng)功能開發(fā)上，智慧管控輔助決策系統(tǒng)由協(xié)同調(diào)控和輔助決策兩部分組成。協(xié)同調(diào)控子系統(tǒng)用來制定油田內(nèi)部綜合能源的多能互補優(yōu)化調(diào)度策略，實現(xiàn)油田新能源消納最大化；輔助決策子系統(tǒng)為油田未來參與電力市場、碳交易市場等提供能源數(shù)據(jù)增值服務(wù)，實現(xiàn)油田經(jīng)濟效益最大化。

如圖3所示，在安全、生產(chǎn)、經(jīng)營三大方面實現(xiàn)如下功能。

安全管控方面：主要考慮保障油田內(nèi)部電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。一是電網(wǎng)自動控制技術(shù)，自動控制可以實現(xiàn)對油田內(nèi)電源和變電站的有功、無功自動控制。二是電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，主要包括電網(wǎng)潮流計算、靈敏度分析、靜態(tài)安全評估、短路電流計算、負荷轉(zhuǎn)供、拉限電輔助決策、單相接地拉路輔助決策等功能，通過自動控制及網(wǎng)絡(luò)分析功能可有效輔助管理人員對油田電網(wǎng)可能存在的風(fēng)險進行及時預(yù)判并保障油田電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。三是有源配電網(wǎng)可開放容量評估功能，考慮了未來油田分布式光伏大量接入可能存在的風(fēng)險，指導(dǎo)分布式光伏及負荷發(fā)展規(guī)劃和有序接入。四是系統(tǒng)規(guī)劃功能，在保證油田供電可靠性的前提下同時測算油田未來建設(shè)分布式電源的投資收益，指導(dǎo)下一步建設(shè)。

生產(chǎn)管控方面：一是監(jiān)視分析功能可以實現(xiàn)油田內(nèi)部“源網(wǎng)荷儲”全方位多能數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控，為油田內(nèi)部多能互補優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。二是態(tài)勢感知，基于采集的運行數(shù)據(jù)，通過態(tài)勢感知功能對油田內(nèi)各設(shè)備的量測數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和辨識，剔除壞數(shù)據(jù)，保證采集數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。三是源荷預(yù)測，基于態(tài)勢感知的有效運行數(shù)據(jù)，通過源荷預(yù)測功能對油田內(nèi)新能源發(fā)電功率和負荷功率進行多時間尺度預(yù)測。四是優(yōu)化調(diào)度算法，以源荷預(yù)測數(shù)據(jù)作為優(yōu)化調(diào)度算法的輸入部分，以成本最小化、新能源全消納為目標(biāo)，以設(shè)備運行，生產(chǎn)計劃、網(wǎng)絡(luò)平衡為約束條件，最終形成針對油田內(nèi)部最優(yōu)的供、用能策略[3]。

經(jīng)營管控方面：一是需量評估可準(zhǔn)確計算出油田最大需量值，按照最大需量值作為對電業(yè)局的結(jié)算方式，幫助油田節(jié)省大量電費成本。二是虛擬電廠在油田供、用電網(wǎng)絡(luò)自身優(yōu)化運行的前提下，幫助油田參與國家電網(wǎng)輔助服務(wù)，支持與上級電網(wǎng)多種調(diào)度/市場服務(wù)模式，在支撐油田經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)上與上級電網(wǎng)交互獲得收益，實現(xiàn)雙贏。三是雙碳管理的主要目標(biāo)是實現(xiàn)對油田“源網(wǎng)荷儲”全鏈條的碳流追蹤分析，并依據(jù)碳流分析結(jié)果，幫助油田構(gòu)建精細化、個性化的電-碳模型，支撐對油田碳資產(chǎn)的精細化統(tǒng)一管理，指導(dǎo)油田對碳配額分配以及 CCER 交易的經(jīng)濟效益分析。四是交易支撐作為經(jīng)營管控的支撐部分，主要目標(biāo)是實現(xiàn)油田對外和對內(nèi)的運營交易管理，通過對外參與電力市場、響應(yīng)電網(wǎng)服務(wù)，對內(nèi)組織多主體互動交易，實現(xiàn)油田電力能源系統(tǒng)低碳、低成本運行，維系油田能源系統(tǒng)的可持續(xù)性運營。

六、關(guān)鍵技術(shù)

如圖4所示，以優(yōu)化調(diào)度算法為核心關(guān)鍵技術(shù)，整體采用上下兩層結(jié)構(gòu)進行，頂層優(yōu)化調(diào)度采集各油區(qū)內(nèi)的局部能源數(shù)據(jù)，進行綜合分析，以電功率平衡約束、熱功率平衡約束、儲能充放電次數(shù)約束、關(guān)口功率上下限約束等為約束條件，將頂層調(diào)度指令下發(fā)至各個采油區(qū)塊局部優(yōu)化調(diào)度模塊。局部優(yōu)化調(diào)度包含如下內(nèi)容。

（一）優(yōu)化目標(biāo)

油田電負荷峰值盡可能不越限、購電費用最低、新能源消納最大化，以上目標(biāo)組合多目標(biāo)優(yōu)化。

（二）多能耦合約束條件

電熱功率平衡約束、熱電功率平衡約束、自供能率約束、關(guān)口電功率上下限約束、系統(tǒng)平衡約束、電網(wǎng)安全約束（斷面潮流約束、支路潮流約束）等各類約束條件。

（三）參數(shù)設(shè)置能功

目標(biāo)權(quán)重（最小化成本、最小化能耗、最小化碳排放）、是否啟用需求響應(yīng)、棄風(fēng)棄光成本、關(guān)口斷面名稱、是否允許關(guān)口斷面越限、關(guān)口越限成本、電類設(shè)備參數(shù)設(shè)置、熱設(shè)備參數(shù)設(shè)置、耦合設(shè)備參數(shù)設(shè)置。

（四）計劃調(diào)整優(yōu)化管理

根據(jù)實際需要，對計劃進行一定的人工或自動干預(yù)，如個別數(shù)據(jù)調(diào)整或者某些預(yù)定規(guī)則的批量調(diào)整或優(yōu)化。計劃調(diào)整功能子模塊支持計劃的人工或自動調(diào)整[4]。

（五）優(yōu)化調(diào)度分類

一是日前調(diào)度，日前執(zhí)行，以油田電負荷峰值盡可能不越限、油田運行成本最小為主要目標(biāo)，對第二天24小時（96點）進行優(yōu)化調(diào)度。二是日內(nèi)調(diào)度，日內(nèi)每15分鐘執(zhí)行一次，對未來四小時到當(dāng)天結(jié)束的時段進行調(diào)度。當(dāng)預(yù)測油田關(guān)口功率會越限時，通過修改油田直控資源和油井間抽的運行計劃，削減油田峰值負荷，盡量使油田關(guān)口功率不越限。三是實時調(diào)度，日內(nèi)每5分鐘執(zhí)行一次，以系統(tǒng)運行安全、避免棄風(fēng)棄光為主要目標(biāo)，對當(dāng)前時刻進行調(diào)度。通過修改實時調(diào)度階段可控資源運行計劃，優(yōu)化供用能，確保油田能源系統(tǒng)安全及新能源消納。

七、結(jié)語

多能互補智慧管控技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵是要具有完善的電力調(diào)度體系，同時還要依托油田良好的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)、完整的負荷側(cè)設(shè)備計量體系、油井啟?？刂萍夹g(shù)、場站儀表自動化技術(shù)等，利用頂層與局部優(yōu)化調(diào)度功能，在實踐和應(yīng)用中摸索生產(chǎn)規(guī)律，不斷補充和完善輸入條件、約束條件，使輸出結(jié)果向目標(biāo)結(jié)果不斷靠近，進而實現(xiàn)平穩(wěn)生產(chǎn)。在不斷完善核心功能應(yīng)用的同時，還要注重各類輔助功能的開發(fā)，如簡單實用的個性化功能、友好方便的人機交互界面等[5]。

參考文獻

[1]徐瑋，曹敬.探析多能協(xié)同下的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2019（03）：31-33.

[2]萬克棟，桂文娟.對油氣田新能源工程技術(shù)發(fā)展的思考[J].油氣田地面工程，2023，42（04）：1-7.

[3]裴哲義，孫驍強，王學(xué)斌，等.“雙碳”目標(biāo)下電網(wǎng)多能源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究與實踐[J].水電與抽水蓄能，2022，8（04）：1-12.

[4]叢丹."雙碳"目標(biāo)下中國油氣行業(yè)低碳發(fā)展措施與路徑探索[J].大眾商務(wù)，2023（07）：0151-0153.

[5]王震，王祖綱，孟瑩，等.能源轉(zhuǎn)型中持續(xù)推進中國海洋油氣高質(zhì)量發(fā)展——專訪中國海油集團能源經(jīng)濟研究院黨委書記，院長王震[J].世界石油工業(yè)，2023，30（02）：5-11.

作者單位：中國石油吉林油田新能源事業(yè)部

責(zé)任編輯：張津平