油氣和新能源融合發(fā)展下多能互補(bǔ)智慧管控 技術(shù)研究

王偉峰

摘要：國(guó)家提出“碳達(dá)峰、碳中和”的雙碳目標(biāo)。近年來(lái)，傳統(tǒng)油氣田企業(yè)為響應(yīng)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型號(hào)召，大力開(kāi)展風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)帷淠堋?chǔ)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(lái)了沖擊，從原來(lái)單純的負(fù)荷端管控，變成供能端和用能端同時(shí)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(jìn)行智慧能源管控，來(lái)完成減碳、低碳、零碳、負(fù)碳的目標(biāo)。

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

一、前言

2020年9月22日，中國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)向全世界承諾：二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)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(shí)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)帷⒐鉄帷淠艿刃履茉吹募尤耄o傳統(tǒng)油氣田的原有生產(chǎn)模式帶來(lái)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(wèn)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(dòng)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(dòng)化、智能化建設(shè)亟待解決。在油氣生產(chǎn)負(fù)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(tái)，在間抽運(yùn)行、變頻控制、自保聯(lián)鎖、油井故障診斷、時(shí)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(duì)新能源接入后的機(jī)采、集輸、注水等系統(tǒng)的優(yōu)化級(jí)、智能化管控的研究[1]。

二、研究?jī)?nèi)容

主要包括以下兩個(gè)方面，一是對(duì)新能源數(shù)智化管控體系進(jìn)行研究，圍繞綜合能源利用、生產(chǎn)運(yùn)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(shí)時(shí)在線、安全受控的以數(shù)字化、自動(dòng)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?xì)狻⑷加汀崮芾谩O2治理、井場(chǎng)、各類場(chǎng)站等生產(chǎn)活動(dòng)，以及經(jīng)營(yíng)管理、安全環(huán)保等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。二是對(duì)多智慧管控輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行研究，該系統(tǒng)對(duì)內(nèi)可實(shí)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(jì)運(yùn)行；對(duì)外則可以提升油田與上級(jí)電網(wǎng)的互動(dòng)能力，主動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)資源靈活性價(jià)值變現(xiàn)，參與地方電力服務(wù)市場(chǎng)，為碳市場(chǎng)運(yùn)作提供技術(shù)平臺(tái)支撐，預(yù)留接口實(shí)現(xiàn)油田內(nèi)部在用平臺(tái)的互聯(lián)互通。

三、研究目的

（一）助力管理升級(jí)

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

（二）源荷配置優(yōu)化

在預(yù)測(cè)新能源發(fā)電和負(fù)荷基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)油田內(nèi)部電、熱、氣等多種能源進(jìn)行耦合互補(bǔ)，對(duì)油田源荷側(cè)設(shè)備進(jìn)行多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度。

（三）促進(jìn)降本增效

隨著大規(guī)模可再生能源持續(xù)接入，為促進(jìn)新能源消納，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，通過(guò)電、熱、氣耦合多能互補(bǔ)，進(jìn)一步挖掘油田現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行潛力，促進(jìn)油田增效節(jié)能。

（四）推動(dòng)油田“雙碳”管理

油田管理人員通過(guò)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(shí)可輔助管理人員進(jìn)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(lái)碳市場(chǎng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)[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(tái)多能互補(bǔ)、智慧管控的準(zhǔn)確性，在對(duì)供、用能數(shù)據(jù)的管理上，嚴(yán)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(chǔ)”建設(shè)初期即建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)字典，在投產(chǎn)運(yùn)行后建立原始數(shù)據(jù)責(zé)任人機(jī)制，保證數(shù)據(jù)在產(chǎn)生、運(yùn)行、入庫(kù)的過(guò)程中不出錯(cuò)、不丟失。

（二）管控安全可靠原則

為保證多能互補(bǔ)、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(dòng)、自動(dòng)控制的過(guò)程中，為使供、用能端各類轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備和靜設(shè)備能夠在生產(chǎn)管理允許的范圍內(nèi)運(yùn)行，平臺(tái)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)工藝實(shí)際情況，具備科學(xué)合理控制機(jī)制和生產(chǎn)運(yùn)行自保聯(lián)鎖機(jī)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(guò)程中要具備人工和自動(dòng)執(zhí)行兩種模式。能夠進(jìn)行人工切換，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤的輸出動(dòng)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(dòng)作準(zhǔn)確。

（四）操作簡(jiǎn)單易維護(hù)的原則

為保證用戶在供、用能調(diào)控過(guò)程中，能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行界面切換和參數(shù)設(shè)置，平臺(tái)要具備友好的人機(jī)交互界面。為方便日后運(yùn)行維護(hù)，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(yùn)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(kāi)展“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化項(xiàng)目的整體布局，并采用“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施”的指導(dǎo)思想，以頂層設(shè)計(jì)為指導(dǎo)，以局部建設(shè)為試點(diǎn)，逐步完善的原則實(shí)施。

如圖1所示，在油田電力側(cè)通過(guò)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(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的管控范圍，并同步進(jìn)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(qiáng)化對(duì)負(fù)荷側(cè)用能區(qū)域及場(chǎng)間子單元、井間子單元的控制能力，通過(guò)負(fù)荷聚合、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、柔性控制等技術(shù)手段，不斷挖掘負(fù)荷側(cè)資源對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰的能力，豐富“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化調(diào)控手段。

如圖2所示，在系統(tǒng)功能開(kāi)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(lái)制定油田內(nèi)部綜合能源的多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度策略，實(shí)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(lái)參與電力市場(chǎng)、碳交易市場(chǎng)等提供能源數(shù)據(jù)增值服務(wù)，實(shí)現(xiàn)油田經(jīng)濟(jì)效益最大化。

如圖3所示，在安全、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)三大方面實(shí)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(jì)運(yùn)行。一是電網(wǎng)自動(dòng)控制技術(shù)，自動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油田內(nèi)電源和變電站的有功、無(wú)功自動(dòng)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(jì)算、靈敏度分析、靜態(tài)安全評(píng)估、短路電流計(jì)算、負(fù)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(guò)自動(dòng)控制及網(wǎng)絡(luò)分析功能可有效輔助管理人員對(duì)油田電網(wǎng)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)預(yù)判并保障油田電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。三是有源配電網(wǎng)可開(kāi)放容量評(píng)估功能，考慮了未來(lái)油田分布式光伏大量接入可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)分布式光伏及負(fù)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(shí)測(cè)算油田未來(lái)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(shí)現(xiàn)油田內(nèi)部“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”全方位多能數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控，為油田內(nèi)部多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。二是態(tài)勢(shì)感知，基于采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)態(tài)勢(shì)感知功能對(duì)油田內(nèi)各設(shè)備的量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和辨識(shí)，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(cè)，基于態(tài)勢(shì)感知的有效運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)源荷預(yù)測(cè)功能對(duì)油田內(nèi)新能源發(fā)電功率和負(fù)荷功率進(jìn)行多時(shí)間尺度預(yù)測(cè)。四是優(yōu)化調(diào)度算法，以源荷預(yù)測(cè)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(yùn)行，生產(chǎn)計(jì)劃、網(wǎng)絡(luò)平衡為約束條件，最終形成針對(duì)油田內(nèi)部最優(yōu)的供、用能策略[3]。

經(jīng)營(yíng)管控方面：一是需量評(píng)估可準(zhǔn)確計(jì)算出油田最大需量值，按照最大需量值作為對(duì)電業(yè)局的結(jié)算方式，幫助油田節(jié)省大量電費(fèi)成本。二是虛擬電廠在油田供、用電網(wǎng)絡(luò)自身優(yōu)化運(yùn)行的前提下，幫助油田參與國(guó)家電網(wǎng)輔助服務(wù)，支持與上級(jí)電網(wǎng)多種調(diào)度/市場(chǎng)服務(wù)模式，在支撐油田經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)上與上級(jí)電網(wǎng)交互獲得收益，實(shí)現(xiàn)雙贏。三是雙碳管理的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)油田“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”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(xì)化、個(gè)性化的電-碳模型，支撐對(duì)油田碳資產(chǎn)的精細(xì)化統(tǒng)一管理，指導(dǎo)油田對(duì)碳配額分配以及 CCER 交易的經(jīng)濟(jì)效益分析。四是交易支撐作為經(jīng)營(yíng)管控的支撐部分，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)油田對(duì)外和對(duì)內(nèi)的運(yùn)營(yíng)交易管理，通過(guò)對(duì)外參與電力市場(chǎng)、響應(yīng)電網(wǎng)服務(wù)，對(duì)內(nèi)組織多主體互動(dòng)交易，實(shí)現(xiàn)油田電力能源系統(tǒng)低碳、低成本運(yùn)行，維系油田能源系統(tǒng)的可持續(xù)性運(yùn)營(yíng)。

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(jìn)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(jìn)行綜合分析，以電功率平衡約束、熱功率平衡約束、儲(chǔ)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(gè)采油區(qū)塊局部?jī)?yōu)化調(diào)度模塊。局部?jī)?yōu)化調(diào)度包含如下內(nèi)容。

（一）優(yōu)化目標(biāo)

油田電負(fù)荷峰值盡可能不越限、購(gòu)電費(fèi)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(jì)劃調(diào)整優(yōu)化管理

根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)計(jì)劃進(jìn)行一定的人工或自動(dòng)干預(yù)，如個(gè)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(jì)劃調(diào)整功能子模塊支持計(jì)劃的人工或自動(dòng)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(fù)荷峰值盡可能不越限、油田運(yùn)行成本最小為主要目標(biāo)，對(duì)第二天24小時(shí)（96點(diǎn)）進(jìn)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(duì)未來(lái)四小時(shí)到當(dāng)天結(jié)束的時(shí)段進(jìn)行調(diào)度。當(dāng)預(yù)測(cè)油田關(guān)口功率會(huì)越限時(shí)，通過(guò)修改油田直控資源和油井間抽的運(yùn)行計(jì)劃，削減油田峰值負(fù)荷，盡量使油田關(guān)口功率不越限。三是實(shí)時(shí)調(diào)度，日內(nèi)每5分鐘執(zhí)行一次，以系統(tǒng)運(yùn)行安全、避免棄風(fēng)棄光為主要目標(biāo)，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻進(jìn)行調(diào)度。通過(guò)修改實(shí)時(shí)調(diào)度階段可控資源運(yùn)行計(jì)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(yǔ)

多能互補(bǔ)智慧管控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是要具有完善的電力調(diào)度體系，同時(shí)還要依托油田良好的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)、完整的負(fù)荷側(cè)設(shè)備計(jì)量體系、油井啟停控制技術(shù)、場(chǎng)站儀表自動(dòng)化技術(shù)等，利用頂層與局部?jī)?yōu)化調(diào)度功能，在實(shí)踐和應(yīng)用中摸索生產(chǎn)規(guī)律，不斷補(bǔ)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)生產(chǎn)。在不斷完善核心功能應(yīng)用的同時(shí)，還要注重各類輔助功能的開(kāi)發(fā)，如簡(jiǎn)單實(shí)用的個(gè)性化功能、友好方便的人機(jī)交互界面等[5]。

參考文獻(xiàn)

[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(wàn)克棟，桂文娟.對(duì)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(qiáng)，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(shí)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(guó)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(jìn)中國(guó)海洋油氣高質(zhì)量發(fā)展——專訪中國(guó)海油集團(tuán)能源經(jīng)濟(jì)研究院黨委書(shū)記，院長(zhǎng)王震[J].世界石油工業(yè)，2023，30（02）：5-11.

作者單位：中國(guó)石油吉林油田新能源事業(yè)部

責(zé)任編輯：張津平