淺談海上油田孤島電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的必要性

趙希寶

摘? 要：隨著海上油田孤島電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況愈加復(fù)雜，對(duì)海上油田孤島電力系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，利用量測(cè)系統(tǒng)的冗余度，提高量測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度，有利于捕獲電力系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)值，精準(zhǔn)掌控電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而提高海上油田孤島電力系統(tǒng)的供電可靠性。本文就海上油田孤島電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的必要性以及狀態(tài)估計(jì)的實(shí)現(xiàn)做了綜合性的闡述和分析。

關(guān)鍵詞：海上孤島電網(wǎng)? 狀態(tài)估計(jì)? 必要性? 量測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（b）-0041-03

Abstract： The topology and operation of offshore island grids in offshore oilfields are becoming more complex. Using the redundancy of the measurement system to estimate the state of the offshore oilfield island power system is conducive to improving the data accuracy of the measurement system and capturing the optimal state estimate of the power system， as well as controlling the real-time operating state of the power grid accurately， thereby improving offshore reliability of power supply in isolated island power system of oil field. This paper makes a comprehensive elaboration and analysis on the necessity of the state estimation of the offshore island power system and the realization of the state estimation.

Key Words： Offshore island grid;? State estimation; Necessity;? Measurement system

隨著海上油田電網(wǎng)逐步從單平臺(tái)供電模式向多平臺(tái)互聯(lián)供電模式的轉(zhuǎn)變，海油電網(wǎng)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c運(yùn)行情況的復(fù)雜性以及調(diào)度管控工作難度也隨之增加。與此同時(shí)，隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的迅速發(fā)展，為了保證海上油田孤島電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，油田群電網(wǎng)為了實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度的自動(dòng)化控制，近年來(lái)開(kāi)始逐步加裝能量管理系統(tǒng)（Energy Management System， EMS）。作為EMS啟用應(yīng)用功能的前提，狀態(tài)估計(jì)顯得至關(guān)重要[1-3]。

1? 海油孤島電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的必要性

海上油田孤島電網(wǎng)相較于陸地電網(wǎng)，量測(cè)數(shù)據(jù)少、精度低;海上電網(wǎng)互聯(lián)模式下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)電機(jī)機(jī)型各異、運(yùn)行方式多變，因此提升海上電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性具有重要意義。目前EMS與電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）已逐漸被廣泛應(yīng)用在海上油田電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)上。狀態(tài)估計(jì)作為EMS一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是海上電網(wǎng)在線應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)。狀態(tài)估計(jì)首先從SCADA中獲取量測(cè)數(shù)據(jù)，作為算法輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后確定電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各個(gè)元件之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系，再對(duì)誤差數(shù)據(jù)的檢測(cè)、辨識(shí)與修正，經(jīng)過(guò)不斷迭代計(jì)算，獲得最優(yōu)方案。

由于油田電網(wǎng)具有以上特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)的必要性在于：

（1）EMS的功能需要可靠精確的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，而SCADA系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可能存在數(shù)據(jù)殘缺、不精確、受干擾時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤等缺點(diǎn)。

（2）油田電網(wǎng)中量測(cè)數(shù)量少，精度低，而測(cè)量表征電力系統(tǒng)特性所有狀態(tài)量是不經(jīng)濟(jì)的、難以實(shí)現(xiàn)的，需要通過(guò)狀態(tài)估計(jì)由已知測(cè)量數(shù)據(jù)推算其他電氣量。

（3）油田電網(wǎng)相對(duì)傳統(tǒng)陸地大電網(wǎng)規(guī)模小，受到擾動(dòng)后系統(tǒng)狀態(tài)變化快，從而需要實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)是絕大部分軟件在線應(yīng)用的基礎(chǔ)，假設(shè)不進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)或估計(jì)結(jié)果有誤，后續(xù)任意高級(jí)功能的分析計(jì)算結(jié)果將不準(zhǔn)確。

2? 狀態(tài)估計(jì)的作用及意義

孤島電力系統(tǒng)應(yīng)用狀態(tài)估計(jì)的作用主要包括：

（1）提高量測(cè)數(shù)據(jù)的精確度。

利用量測(cè)系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)，對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不良數(shù)據(jù)的檢測(cè)與辨識(shí)、修正后，能夠進(jìn)一步提高量測(cè)數(shù)據(jù)的精確度。

（2）降低投資成本。

能夠計(jì)算出未測(cè)量的電氣量，少裝量測(cè)點(diǎn)，減少量測(cè)系統(tǒng)的投資。

（3）實(shí)時(shí)反映電網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。可得到最能反映電網(wǎng)系統(tǒng)真實(shí)狀態(tài)的狀態(tài)估計(jì)值。

（4）保障了軟件的應(yīng)用。

為EMS提供可靠而完整的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息，豐富了各種應(yīng)用軟件所需的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，為后續(xù)其他高級(jí)分析功能在線應(yīng)用以及海上電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度管理奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（5）提高系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。

調(diào)度中心能快速、確切地掌控海上電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)運(yùn)行中可能發(fā)生的任意事件提出應(yīng)對(duì)決策，從而提高了系統(tǒng)的安穩(wěn)運(yùn)行水平。

3? 海上油田電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的實(shí)現(xiàn)

電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)[4]即在量測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差的情況下，利用實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)的冗余度，自動(dòng)排除誤差數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到可靠的系統(tǒng)狀態(tài)變量值，估計(jì)出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

海上電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程[5-7]如圖1所示，具體包括以下步驟：

（1）前置濾波。作為不良數(shù)據(jù)的檢測(cè)和辨識(shí)的第一步前提，在狀態(tài)估計(jì)之前，利用簡(jiǎn)單的規(guī)則進(jìn)行初檢測(cè)，排除明顯不合理的量測(cè)。

（2）可觀測(cè)性分析確定估計(jì)網(wǎng)絡(luò)。在已知電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r下，根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)的類型和位置，確定連通網(wǎng)中哪些部分的運(yùn)行狀態(tài)是可以計(jì)算出來(lái)的。確定電網(wǎng)的可觀測(cè)區(qū)后，在可觀測(cè)區(qū)上進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)計(jì)算。

（3）假定模型。基于SCADA采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)智能化網(wǎng)絡(luò)建模工具建立電力網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)庫(kù);根據(jù)遙信數(shù)據(jù)中開(kāi)關(guān)的開(kāi)合狀態(tài)實(shí)時(shí)確定當(dāng)前電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成電網(wǎng)假定模型。

（4）狀態(tài)估計(jì)最優(yōu)計(jì)算。設(shè)置目標(biāo)準(zhǔn)則，然后對(duì)經(jīng)過(guò)初篩選后的量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲取最接近電力系統(tǒng)真實(shí)狀態(tài)的估計(jì)值。

（5）不良數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)誤差的檢測(cè)。對(duì)狀態(tài)估計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否存在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)誤差以及不良數(shù)據(jù)，若皆不存在，則狀態(tài)估計(jì)完成，輸出最終結(jié)果;若發(fā)現(xiàn)了不良數(shù)據(jù)則跳轉(zhuǎn)步驟六。

（6）不良數(shù)據(jù)的辨識(shí)。根據(jù)估計(jì)出來(lái)的量測(cè)誤差的大小確定不良數(shù)據(jù)的具體測(cè)點(diǎn)位置。

（7）測(cè)量值修正、結(jié)構(gòu)修正，經(jīng)過(guò)不良數(shù)據(jù)辨識(shí)后對(duì)其進(jìn)行剔除得以修正，同時(shí)對(duì)檢測(cè)到存在結(jié)構(gòu)誤差的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行修正，然后返回步驟三重新計(jì)算。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文首先針對(duì)海上油田孤島電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的必要性進(jìn)行了分析，然后介紹了狀態(tài)估計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)有利于提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，提高量測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)還能降低量測(cè)系統(tǒng)的投入成本;此外調(diào)度中心能快速、確切地掌控海上油田孤島電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，為海上油田孤島電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度管理奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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