油氣田中分布式智能電網技術研究與應用

亢清波，魏志遠，黃文濤，侯云飛，仇佳鑫，李 妍

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

0 引 言

基于國家能源發展戰略部署，中國石油天然氣集團有限公司將構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革[1]。在油氣生產中，其主要用能為動能與熱能。由于用能在時間上存在不平衡性、季節性、負荷波動大以及機采設備功率因素低等特點，同時多能源使用缺乏統一管理性，無法交換調配多余能源，大大降低了新能源的經濟收益[2]。因此，要做好多源微型電網管控，確保能源有效應用[3]。

1 油田的分布式智能電網總體結構

1.1 多能互補系統

油田內部的油氣、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綜合能源系統，將成為油田構建清潔低碳供能體系的有效載體[4]。文章構建了“光伏+燃氣發電+余熱利用+固體氧化物燃料電池+混合儲能”為一體的多能互補柔性能源管控系統。該系統利用風、光、壓差等提供綠色電力；光熱、綠色電能替代電加熱，儲熱保障連續生產；利用微型天然氣發電機、燃料電池實現伴生氣熱電聯供；利用間開井、碳捕獲利用與封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技術、儲能制氫等參與電網調峰；建立智能管控，油田多能互補系統的示意如圖1所示。

圖1 油田多能互補系統

1.2 交—直互聯

打造交直流微型電網和孤立微型電網等不同形式的電力系統。在多油井井場建設交直流混合微網，可將站內供電由“光伏直流→逆變交流→升壓→上網→降壓→消納”簡化為“光伏直流直接消納后，經低壓交流側二次消納，余電上網”，實現綠色、高效控制。項目實施前后的一次架構如圖2所示。

圖2 項目實施前后的一次架構

1.3 分布式智能電網管控系統

構建分布式智能電網管控系統，對華北油田公司第四采油廠，包括所有分布式光伏、微型天然氣發電機、燃料電池等的“源”，包括交直流微網、6 kV配網和35 kV、110 kV供電網的“網”，包括抽油機、各類機泵、電加熱等的“荷”，還包括電池、超級電容、儲熱等的“儲”，進行“源網荷儲”的協調控制、潮流優化及全景可視化展示，提高區域電網整體運行效率，使得消納清潔能源最大化。分布式智能電網管控系統平臺架構如圖3所示。

圖3 分布式智能管控系統平臺架構

按電壓等級和影響范圍劃分成區域調度決策層、微網協調控制層、可控單元執行層3個層級，實現對整個的“源網荷儲”的優化調度和協調控制[5]。

1.4 有源配電網安全管控系統

大量分布式電源接入后潮流雙向流動，傳統繼電保護存在誤動和拒動風險，檢維修安全管控困難。針對新能源接入帶來的電網安全問題，完善電網保護，研制新型智能工器具，并將人工為主和紙質記錄的傳統運維方式進行智能化和信息化升級，全面支撐電網巡視運維、檢修作業、應急保障等業務。

1.4.1 繼電保護升級

形成離網型微電網二次保護典型配置方案，提升廊東分布式智能電網示范區配電網故障處置水平及分布式電源就地消納能力，實現區域微網自治趨優。當網側故障時，終端間采用就地級差保護（帶方向）快速隔離故障；故障排除后，管控平臺故障處理模塊基于全域源-荷平衡狀態逐級恢復失電區段供電[6]。具體方案如下：第一，配置無壓跳閘保護，變電站或上級故障導致失電時，保護控制終端完成最小故障區段隔離；第二，配置小電流單相接地保護，實現中性點不接地方式下單相接地故障就地判別與隔離；第三，配置方向過流保護，上下級保護延時級差ΔT設定為0.2 s；配置速斷保護，用于快速切除分支/用戶分界故障；第四，配置二次諧波制動保護；第五，配置重合閘、后加速保護；第六，配置故障解列保護，實現分布式電源就地脫網；第七，支持“開關狀態+含方向的保護動作/事件”信息基于IEC101/104規約上送管控平臺。

1.4.2 智能檢維修系統功能

建立基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）的電力線路系統，通過智能操作票、故障研判及定位等形式實現有源配電網檢維修操作的安全智能管控，及時計算各種設備的運行狀況、工作狀況以及維護狀況等實時數據。實時監控調度自動化、信息采集以及配網自動化系統，自行判斷發生問題的類型、范圍以及定點等。實現智能擬票和語音擬票，以及在線安全分析校核。開發智能檢維修App，方便檢維修現場操作管理。

2 油田分布式智能電網功能

分布式智能電網結合氣象信息，預測各時段新能源出力，實現新能源的全額消納和油田熱、電負荷的平衡。其運行機制能與生產調度統一協調，最終達到油田生產的低成本用能和低碳生產[7]。根據光伏歷史數據及天氣信息預測發電能力，獲得新能源出力預測曲線；計算總發電功率；預測局域電網總的負荷需求量；測算光伏、燃料電池等可否全額消納；依據電價和供需平衡信息等綜合信息確定局域電網的能源生產和用電方案。

2.1 “源網荷儲”協同

各種工況下，自動協調調度局域電網內各類可調資源，保障局域電網功率的實時平衡，實現電網的安全可靠運行。在光伏出力大于總負荷時，用光伏富余的電能進行充電；在光伏出力小于負荷時，將所充電能放出，從而降低常規電力負荷。當儲能不滿足需求時，啟動微燃機或電網購電進行補充。“源網荷儲”協同，調整間開井、注水、注氮等可調資源的運行模式，最大化消納新能源發電。

2.2 無功優化

面對有源配電網源荷不確定性和多樣性帶來的電壓問題及降損需求，充分挖掘包含分布式電源在內的各級調壓設備和無功補償設備的調節控制能力，將獨立的分散調控變為集中調控和分層配合，有效提高電壓質量，改善系統無功分布，降低系統損耗[8]。無功優化原理如圖4所示。

圖4 無功優化原理

2.3 故障隔離與恢復

對故障區域自動研判，隔離故障段，并指導供電恢復。故障隔離與恢復示例如圖5所示，當BC段發生故障時，由A斷路器跳閘，智能恢復A和C斷路器，隔離故障段，且D不受影響。

圖5 故障隔離與恢復示例

依據多電源線路故障產生等效模型，進行微擾相模變換，生產多元供電故障判據，其中主站側采用電網感知及防控平臺，終端側采用智能測控設備。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。故障恢復包括就地主動孤島和集中負荷轉供2種判據方式。

2.4 虛擬電廠

虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）是將分布式發電機組、可控負荷和分布式儲能設施有機結合，通過配套的調控技術、通信技術實現各類分布式能源的整合調控載體，作為一個整體參與電力市場和電網運行[9]。油田的虛擬電廠架構如圖6所示。

圖6 油田虛擬電廠架構

3 實施及效果

華北油田公司第四采油廠分布式智能電網項目將實現智能運維、雙向潮流保護、故障自動隔離改造、無功優化、多電源直柔配網以及虛擬電廠等系統的平臺搭建，其中智能電網系統終端建立包括3套區塊E390R微燃機、升壓撬及熱回收裝置、超級電容儲能+全釩液流儲能的混合儲能系統；智能電網管控平臺擴容包括分布式智能電網功能完善，華北油田公司第四采油廠新能源發電點、重要負荷能耗計量完善及接入，新建多能預測、有功與無功優化、新能源群調群控、饋線自動化等功能模塊；有源配網管控功能完善包括配網自動化完善及繼電保護升級，完善配網GIS系統智能操作票、故障自動研判及定位等智能檢維修系統，研制智能接地極、電子鎖和驗電棒等智能安全工器具等[10]。

4 結 論

分布式智能電網實現了新能源與油田生產的高度融合，建立了全環節的安全穩定供電、智能管控，并探索新能源市場經營模式。通過示范項目的建設解決了油田綠色轉型面臨的多電源接入管控難、綠電峰時消納難以及新能源直接并網效率低等難題，有利于推動油氣開發與新能源融合的高質量躍升發展。