利用工頻通信技術實現供電線路節能方法研究

姜天一（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

引言

油田配電網多采用多分支輻射式的單向供電接線方式。油田的采油設備、注水系統及油氣集輸系統多采用三相異步電動機作為動力，這種系統負荷分散性大，配電網供電半徑大、分支多，配電變壓器數量多、負荷率低；因此，運行時供電線路的線損大，功率因數低，末端壓降大。在此背景下，存在多種技術手段來降低電能消耗。根據油田電網的結構和采油設備的工作特點，主要通過配電網優化減小6 kV 線損和降低油井變壓器、電動機損耗這兩個途徑來降低電能消耗。

配電網優化主要包括配電網絡重構和無功補償。網絡重構是網絡結構上的優化，它通過改變分段開關、聯絡開關的開合狀態組合，強行控制網絡中的有功電流和無功電流，以達到減少網損、平衡負荷、提高電壓質量的目的；無功補償是配電網絡參數上的優化，它通過改變電容器的投切組數，改變網絡中的無功電流，實現降低網損的目的。

在單井降低電能方面，目前的節能手段主要有變壓器調壓調容、星角變換、高效節能電動機、變頻調速控制、低壓端無功補償、斷續供電等方式，這些節能手段的成本差異很大，而節能效果與油井的工況密切相關。

目前，由于大多數油井沒有單井電量計量和遠程監測，一方面導致單井節能設備的運行效果無法準確評估；另一方面在配電網優化上，根據抽油機的運行特性，完全在低壓進行就地補償不可行，必須在合適的位置加裝適當容量的高壓電容才能達到較好的效果。在沒有獲得供電線路的線損參數以及各能耗節點的有功、無功電量情況下，無法合理選擇無功補償設備、確定補償位置及補償容量，使無功補償難以達到預期的效果。采用電力線工頻通信技術[1]獲取各油井工況和運行參數。根據6 kV 線路的實際損耗情況，通過潮流分析，結合優化算法進行無功補償優化配置；同時，根據油井工況與實時運行參數，綜合動態無功補償等技術來降低油井變壓器和電動機的損耗；在較低成本的前提下，實現系統節能降耗和遠程監控，將為通過互聯網技術實現電動機群綜合控制提供基礎。

1 技術原理

根據負載電參數的變化，通過投切電容器組來選擇合理的容量進行動態無功補償，采用無沖擊投切技術提高設備壽命，并利用工頻通信技術進行遠程投切，將節能效果實時上傳，進行能效評估。

利用工頻通信的信道，同步采集各油井能耗參數，得出準確線損，通過線路的拓撲結構，推導出高壓側數據；采用遺傳算法對各節點補償方案進行優勝劣汰選擇，再通過蟻群算法進行全局檢驗，防止出現局部求解而得到次優配置結果，以保證得出的無功補償地點及容量效果最佳。

2 項目實施情況及應用效果分析

2011年10月研制了節能監控裝置，2011年12月根據5921 線路的拓撲結構，編制了網損統計與高壓無功優化軟件。2012年1月開始，結合杏南油田油井遠程監測系統項目，開始對單井能耗、無功補償與配電網優化降損等方面進行了測試與仿真，同時試驗了多路工頻通信數據并行傳輸的方法[1]。

2.1 項目實施情況

1）通過遠程監測獲得了5921 線路各油井的電能消耗參數。獲取該線路所轄的29 口油井的有功功率、無功功率后，利用測試儀器進行了現場比對，數據見表1。由表1 可知，遠程監測終端測量的電參數除了極個別誤差超過2%，絕大部分數據相對誤差均在2%以內，由此得出的結論是遠程監測終端可實現油井的電量計量。

表1 遠程監測數據與測試儀器比對

2）實現了5921 線路的網損實時獲取。本項目通過油井遠程系統獲得各油井的電能消耗數據，然后與5921 線路的關口表數據對比即可獲得網損統計數據（表2、表3）。根據3 天的數據表明該線路的網損接近17%。

3）給出了5921 線路的高壓補償的合理位置及容量。根據線損數據和各節點的電能參數，在X10-2-B323 油井處安設58 kvar 電容器，在X10-3-B33 油井處安設67 kvar 電容器，可以使5921 線路損耗降低4 個百分點，見圖1。

表2 5921 線路油井電能統計數據

表3 5921 供電線路網損統計數據

圖1 5921 供電線路優化運行方式

2.2 項目應用效果分析

1）電表與測試儀器比對見表4。

2）油井遠程終端與測試儀器比對見表5。在杏10 區2 隊隨機選取了6 口抽油機井，利用遠程監測終端進行了10 min 的電量計量。由表5 可知，除了單井日耗電在60 kWh 以下外，有功、無功電能消耗數據精確度都在2%以內，達到了設計指標，可實現油井的電量計量；由此得出5921 供電線路的網損數據是準確可靠的。

表4 電表與測試儀器比對數據

表5 遠程監測終端與測試儀器比對數據

3）單井無功補償情況見表6。通過不同負載的油井處進行測試的結果表明，由于采用電容器組進行組合投切，節能監控裝置能夠自適應負載的變化，使單井功率因數保持在0.91 以上。

表6 節電裝置運行情況

4）5921 供電線路高壓無功補償情況見表7。利用遠程監測終端實時獲取油井電能數據。在不改變現有油井運行方式的情況下，采用蟻群算法，結合遺傳算法進行優化后，在確切的位置安裝合適容量的補償電容器可以將網損降低4 個百分點。

表7 5921 供電線路無功補償情況

綜上所述，可以采取兩個途徑降低電網損耗：通過單井可以進行遠程遙控的動態無功補償，從而降低電能傳輸損耗；根據線路中各節點同步測試獲得的電能消耗數據，結合潮流計算選擇合理的高壓補償位置及容量來降低線損。

3 結論與認識

1）通過工頻通信技術的遠程監控系統，能夠準確地監測抽油機電動機的電能消耗，可以及時獲得各油井的能耗狀況，為油井節能方法的選擇提供依據。

2）通過同步獲取供電線路各節點的能耗參數，能夠準確統計線路損耗情況，為高壓無功補償配置等配電網優化方案提供決策依據。

3）監控終端如結合電容器組進行本地補償，能夠提高功率因數，極大地降低無功電能消耗。

[1]盧文冰,TWACS 技術在油田電網的應用研究[J].東北電力大學學報,2009,29（2）:29-32.