基于云-邊結合的油田配電網電壓暫降治理裝置協同控制方法

劉 軍，董浩東，仉志華，鄒 兵

（1.中國石化集團勝利石油管理局有限公司，山東 東營 257000；2.中國石油大學（華東）新能源學院，山東 青島 266580；3.中國石化股份勝利油田分公司運行管理中心，山東 東營 257000）

0 引言

隨著油區敏感用電設備的逐漸增多，電壓暫降的影響越來越大［1-5］，相比于長時間供電中斷的事故而言，電壓暫降具有發生頻率高、事故危害大、事故原因不易察覺等特點，一旦發生電壓暫降現象，會引起諸如交流接觸器、繼電器的非正常脫扣或者低電壓保護動作跳閘、變頻控制器的非正常工作［6-9］，嚴重影響了油田穩定生產。

目前，現場采用的電壓暫降治理裝置主要有兩種類型：1）接觸器保持型［10-14］。在電壓暫降期間通過電容等儲能元件，為接觸器線圈提供電壓，保持接觸器的吸合，進而保證抽油機不停電。對于抽油機這類交變載荷，如果載荷在暫降期間增加，其電流也會增大，會在線路上引起更大的電壓降，擴大事故停井范圍；2）來電自啟動型［15-17］。在電壓暫降發生后，先斷開接觸器，待監測到系統電壓恢復后，啟動抽油機。但是當電壓恢復時，安裝此類裝置的抽油機同時啟動電流會很大，有可能擴展成為線路保護跳閘，導致整條線路停電。而造成上述問題的主要原因是裝置間缺乏系統性，各自獨立運行，沒有根據電壓暫降幅值、電網運行方式、故障類型等進行裝置之間的協同控制。

現階段，國內外針對電能質量治理裝置的協同控制已進行了多方面的研究，文獻［18］-文獻［20］根據治理裝置特性，結合敏感設備的耐受能力，對設備進行分級、分組治理。文獻［21］-文獻［23］通過設計治理裝置間的協同控制模塊使臺區內各電能質量治理裝置互相通信、協同控制。文獻［24］-文獻［26］提出一種由底層分布式新能源發電裝置與上層微電網中央控制器組成的二級協同控制方法，對網內電壓進行調控。文獻［27］-文獻［29］提出一種通過智能協調單元控制智能電容器和有源電力電子裝置協同工作的用戶側智能型電能質量綜合治理方法。文獻［30］-文獻［32］提出一種儲能裝置與新能源發電協同控制的方法，對電網電壓波動進行有效控制。油田電網與地方電網的區別主要在于用電負荷不同，抽油機運行慣性大，電動機作為驅動設備，對電壓暫降以及電壓恢復過程的影響很大，而現有方法都未考慮負荷運行特性，具有油田特色的治理裝置協同控制方法研究尚屬空白。

本文提出了一種基于云-邊結合的油田配電網負荷側電壓暫降治理裝置協同控制方法，考慮負荷運行特性，通過云平臺實現集中優化決策，利用治理終端實現分布執行，自適應形成不脫網與重啟的動作邊界條件，實現不同暫降類型和暫降深度下的負荷柔性調節；根據所在區域的油井產量差異，建立抽油機井群保供優先級別以及脫網負荷的自啟動批次，對于穩定油田生產具有重要意義。

1 基于云-邊結合的治理裝置協同控制方法

本文所提電壓暫降治理裝置協同控制系統設計示意圖如圖1 所示，云平臺與治理終端通過通信網絡傳遞信息。

圖1 電壓暫降治理裝置協同控制系統設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of collaborative control system design for voltage sag control device

1.1 自適應形成電動機脫網與不脫網動作邊界條件

1.1.1 基于云平臺的集中優化決策

1）以線路出口電流保護定值為約束條件

電壓暫降時，暫降越限終端上傳信息給主站，主站結合配電網拓撲結構，自動形成電壓暫降凹陷區域。結合線路出口保護定值、電動機自啟動系數和電壓暫降未越限終端負荷總電流，算出電壓暫降凹陷區域內負荷的最大保持數量：

式（1）中，Smax是負荷最大保持數量為第i條線路電流保護定值，mi為第i條出線上的電動機臺數；Iload.ij代表第i條出線第j臺電機負荷電流，kij為相應電機的電壓暫降越限信息，是0-1 的離散量，1 代表電壓暫降越限終端，0 代表未越限終端，KSS為電動機自啟動系數，IN為電動機額定電流。

2）以油井產量影響最低為目標函數

結合油田配電網各出線所帶電機數量有限以及計算機運算速度快、精確度高的特點，采用枚舉法確定脫網油井集合，根據負荷保持數量及其所在區域的油井產量差異，建立抽油機井群脫網優先集合。

式（2）中，Yij為系統第i條出線上的第j口油井的產油量，k'ij為相應油井的電機運行狀態信息，是0-1 離散量，1 代表脫網停機終端，0 代表保持并網終端；n為線路條數，f為脫網負荷產油量函數。

1.1.2 基于治理終端的分布自主執行

凹陷區域內收到脫網指令的負荷脫網停機，其余負荷繼續保持并網運行。

1.2 脫網負荷的分批自啟動

油田脫網負荷的分批自啟動流程如下：

1）基于云平臺的集中優化決策

①以線路出口電流保護定值為約束條件

式（3）中，S'max是最大重啟數量。

②以油井產量恢復最大為目標函數

根據最大啟動數量，將脫網油井按照日產油量等信息排序，優先啟動重要等級高的負荷。

2）基于治理終端的分布自主執行

結合實測電壓恢復情況，當所有并網負荷電壓都恢復到0.9UN之后，再執行主站下達的重啟指令。

2 算例分析

本文對圖2 所示油田某區域配電網進行算例分析，建立PSCAD仿真模型，各條出線數據信息如表1所示，線路5 發生三相短路，故障持續時間為0.5 s，過渡電阻0.1 Ω，以線路1 為仿真分析對象，其線路拓撲結構如圖3所示，表2表示所帶油井日產油量信息，仿真驗證所提方法的可行性。

圖2 油田區域配電網簡化分析模型Fig.2 Simplified analysis model of oil field regional distribution network

圖3 線路1拓撲結構圖Fig.3 Topological structure diagram of line 1

表1 各出線數據信息表Table 1 Data information sheet for each outgoing line

表2 線路1油井日產油量Table 2 Daily oil production of line 1 oil well

按照負荷機端電壓0.8 p.u.為邊界劃分電壓暫降凹陷區域，如圖3所示，暫降越限電機數量為45臺。

1.2.1 干預方法 兩組患者均維持常規抗精神藥物治療和常規生活護理、健康宣教和康復指導。干預組在常規護理基礎上給予團體社交技能訓練。

2.1 現有裝置安裝常規方法

油田電壓暫降治理裝置一般分為兩種：接觸器保持型和來電自啟動型，現在按照隨機分布的方法分配兩種類型的治理裝置，電壓暫降凹陷區域內會存在兩種情況：①接觸器保持型數量占優；②來電自啟動型數量占優，本文對這兩種情況進行仿真分析。

1）設置凹陷區域內接觸器保持型治理裝置30臺，來電自啟動型16臺，電壓暫降后仿真結果如圖4-圖5所示。

圖4 接觸器保持型負荷機端電壓Fig.4 Contactor holding type load terminal voltage

圖5 來電自啟動型負荷機端電壓Fig.5 Self-starting load terminal voltage of incoming call

由圖4-圖5 可得，該場景下凹陷區域內大多數電機在故障期間保持并網，小部分電機脫網。電壓恢復時，電流較大在線路上引起更大的電壓降，導致恢復失敗，電機處于低電壓運行狀態，對設備造成損壞。假設低電壓運行持續時間30 min，產油量按照正常運行時的80%計算，則影響產油量2.261 6 t（如表3）。

表3 線路1數據信息Table 3 Line 1 data information

2）設置凹陷區域內接觸器保持型治理裝置16臺，來電自啟動型30臺，電壓暫降后仿真結果如圖6-圖7所示。

圖6 接觸器保持型負荷機端電壓Fig.6 Contactor holding type load terminal voltage

由圖6-圖7 可得，該場景下凹陷區域內大多數電機在故障期間脫網停機，小部分電機保持并網；電壓恢復時，大批電機同時重啟，啟動電流很大引起電壓暫降恢復失敗，擴展成為線路保護跳閘，導致整條線路大量油井停電，嚴重影響油田生產。假設停機到恢復啟動需要30 min，則影響產油量2.827 t（如表4）。

圖7 來電自啟動型負荷機端電壓Fig.7 Self-starting load terminal voltage of incoming call

表4 線路1數據信息Table 4 Line 1 data information

2.2 協同控制治理方法仿真

考慮油田生產中電動機功率不一，本文選取平均功率45 kW 計算；正常運行時電動機功率按照額定功率的50%計算，設備相關參數如表5所示。

表5 設備相關參數表Table 5 Equipment related parameter table

1）電壓暫降后，根據公式（1）和表5參數計算出凹陷區域內負荷最大保持數量：16臺。

2）以油井產量影響最低為目標函數，根據式（2）確定電壓暫降凹陷區域內離網與并網負荷集合。

3）當所有保持并網的負荷機端電壓都恢復到0.9UN之后，重新計算線路剩余負荷電流為42.56 A，根據式（3）和表5 參數計算出停機負荷的分批最大重啟數量：15臺。

4）以油井產量恢復最大為目標函數，根據式（4）確定分批次重新啟動負荷集合。

電壓暫降凹陷區域內保持并網負荷與各批次啟動負荷集合如表6所示。

表6 并網負荷與各批次啟動負荷集合Table 6 Grid-connected load and batch start-up load collection

保持并網負荷以及各批次重啟負荷機端電壓有效值（p.u.）波形如圖8-圖10所示，相關參數信息如表7-表9所示。

圖8 保持并網負荷機端電壓Fig.8 Maintain terminal voltage of grid-connected load

圖9 脫網負荷一批自啟動機端電壓Fig.9 The first batch of off-grid load self-starting machine terminal voltage

圖10 脫網負荷二批自啟動機端電壓Fig.10 The second batch of off-grid load self-starting machine terminal voltage

表7 保持并網負荷Table 7 Maintain grid load

表8 第一批重啟負荷Table 8 The first batch of restart loads

表9 第二批重啟負荷Table 9 The second batch of restart load

考慮暫降持續時間和電機重啟時間以秒計算，影響的油井產量可以忽略不計，本文所提方法對減少油井產油量起到很好的效果。

綜上，仿真對比驗證了本文所提協同控制治理方法的可行性。

4 結論

本文提出一種基于云-邊結合的油田區域配電網電壓暫降治理裝置協同控制方法，通過算例分析證明了該方法能夠有效解決油區電壓暫降治理裝置缺乏系統性的問題，合理地實現裝置之間的協同控制，減少電壓暫降對油田生產的影響，具有重要的工程實際意義。