油田配電網損耗影響因素仿真分析

王 浩，劉 軍，嚴 川，李 煒，石小滿，仉志華

(1.中國石油大學(華東)新能源學院，山東 青島 266580；2.中國石化集團勝利石油管理局有限公司，山東 東營 257000；3.中國石化集團勝利石油管理局有限公司經營管理部，山東 東營 25700；4.中國石化股份勝利油田分公司技術檢測中心，山東 東營 257000；5.中國石化股份勝利油田分公司孤東采油廠，山東 東營 257237)

0 引言

電力是油田生產的主要動力來源，是穩定原油生產的重要保障[1]。油田配電網系統大多呈輻射狀，結構復雜、設備種類繁多；井場采油設備普遍存在“大馬拉小車”的現象[2]，導致正常運行時多數線路處于輕載狀態。同時，配電網隨著油田區塊開發滾動發展，拓撲結構日益復雜、設備新舊不一，導致網損率較高。網損率是用電企業的重要經濟指標，降低網損率已成為油田各部門普遍關注的問題。

為了更好的解決問題，跟進配電網發展，許多學者在網損優化方面開展了大量研究。目前，常見的降低油田配電網有功損耗的措施[3]包括：變壓器優化與科學定容；合理部署無功補償裝置[4]；適當提高線路電壓運行水平；合理規劃配電網絡重構等。文獻[5]說明了S9、S11和S13新舊三個系列變壓器之間的損耗差距以及其對配電網損耗的影響；文獻[6]基于勝利油田現狀，提出配電網升壓改造的必要性和重要性。文獻[7]提出遺傳粒子群算法，討論無功優化和網絡重構相結合下的網損優化；文獻[8]提出一種基于人工蜂群算法(ABC)來確定分段開關投入運行的方法，改變配電網分段開關的狀態實現配電系統中的網絡重構；文獻[9～10]討論基于“源網荷”互動的協調優化，綜合研究各調節主體之間的配合。基于分布式電源接入對配電網帶來的隨機性，文獻[11]綜合考慮分布式電源隨機注入功率和場景變化，提出基于信息物理融合的多源配電網動態潮流網損分析方法。文獻[12]考慮了諧波影響下的電網網損計算方法；文獻[13]提出基于網損靈敏度方差的配電網分布式儲能位置和容量優化配置方法，實現功率就地平衡，降低網損。以上研究多從理論層面分析總結配電網狀態，往往針對某一特定因素，研究其節能降耗效果，提出優化措施，并進一步根據IEEE算例驗證方案的有效性和合理性。

本文針對油田配電網實例，結合具體油田配電網拓撲結構與設備參數，并考慮油田負荷運行特點，建立配電網分析模型；基于Matlab仿真平臺，定量分析具體情況下影響網損的主要因素，仿真分析對應降損策略的節能空間與有效性。

1 油田配電網特點

配電系統網損率與多種因素有關[14-15]，系統的運行方式、變電站與負荷的距離、變壓器損耗、線路損耗以及管理措施等都會對系統的網損率產生影響，基于油田配電網的實際，高能耗老舊變壓器損耗、中壓線路損耗、變壓器低壓側出線損耗以及抽油機本身功率因數較低等原因，是導致油田配電網較一般公用網絡網損率更高的重要原因。

以某油田的南二線配電線路為實例，如圖1所示，按照油田配電網實際情況，討論其網損率較高的主要影響因素。

圖1 南二線配電線路圖

南二線的電壓等級為6kV，線路全長7.14 km，架空線采用LJ-120導線。由于交流線路本身的集膚效應及腐蝕等原因，線路的單位電阻較理想值偏大。在部分變壓器的低壓側，存在少量的低壓架空線路，會對系統網損率產生一定影響。配電線路中除新型的S11型變壓器外，仍保留一定數量的S9型變壓器，舊型號變壓器因為長期使用、設備維護等原因，其不變損耗部分要較新型變壓器高很多。

油井抽油機的負荷曲線較常規負荷有所不同，通過對抽油機負荷特性的大量測試表明，各種抽油機負荷功率變化曲線很相似。圖2為一個典型的抽油機負荷功率變化曲線圖[16]。

圖2 抽油機的功率變化曲線

由圖2可以看出，在一個上下沖程周期內, 抽油機有功功率的變化明顯，上下峰值差距較大，最低值出現在0以下，有倒發電的特性，而無功功率的變化相對平穩，波動程度較低。

在未采取無功補償措施的情況下，油田供電系統的平均功率因數比較低，一般在0.3～0.4，個別油井的功率因數在0.2以下。實際生產中，油田配電網的抽油機大部分已進行就地補償，實際的功率因數較理論有提升。由于抽油機的有功功率在一個沖程周期內變化很大，從瞬時有功功率考慮，有功功率從額定值到很小的數值都有可能出現，甚至會出現功率為負的情況，抽油機倒發電。又因為無功較為恒定，根據公式(1)[17]，抽油機的功率因數受有功功率波動影響較大，導致抽油機電機的功率因數不固定，實際計算網損時要綜合考慮

(1)

在進行網損分析時，應直接按照實際情況考慮，認為抽油機在一個較高的功率因數下運行，同時考慮到瞬時有功功率的波動性，取功率因數約為0.6左右。

綜上，將線路的單位阻抗值為0.56+j0.436 5(Ω/km)、抽油機的功率因數cosφ=0.6、線路存在低壓架空線并且保留一部分S9型變壓器為南二線的典型情況，計算基礎的系統網損率，為8.598 9%，符合油田配電網的理論網損率。

2 基于油田配電網降損策略分析

現在典型情況基礎上，基于油田特點，討論不同降損策略對系統網損的影響，分析各策略的有效性。

2.1 負荷功率因數影響分析

油田抽油機運行時功率因數較低，一般會采用一定的無功補償措施，提高電機的功率因數，在南二線的典型情況中，將抽油機的功率因數設置為0.6。當前油田配電網中主要采用中壓分散補償與抽油機側無功就地補償相結合的方式，盡可能實現無功功率合理分配，盡量減少系統中的無功功率流動引起的損耗。現改變潮流計算模型中抽油機運行時的功率因數，使之從0.4變化到0.95，共取8組數據，研究功率因數對系統網損率的影響。負荷的功率因數由有功功率和無功功率兩方面決定，現分情況討論不同因素變化時系統網損率的變化。

(1)改變負荷有功功率

當負荷的有功功率改變而無功功率不變時，系統網損率隨功率因數變化的情況如圖3所示。

圖3 功率因數對網損率的影響(P改變)

由圖3可知，典型情況時，抽油機的功率因數為0.6，此時系統的網損率為8.598 9%，當抽油機的功率因數降低時，系統的網損率隨抽油機功率因數的降低而升高，此時，系統的網損率為11.780 6%，較典型情況提高了3.181 7%(因抽油機本身的工作特性，以及現場本身存在一定的無功補償措施，故只分析到cosφ=0.4的情況，不再繼續降低功率因數)。當抽油機的功率因數提高時，系統的網損率隨功率因數的升高先減小后增大，在cosφ=0.8時，系統的網損率最低，為7.704 9%，較典型情況降低了0.894 0%。通過分析可得，抽油機運行時的功率因數過高或過低都會提高系統的網損率，在cosφ=0.8時，系統網損率下降最明顯。

(2)改變負荷無功功率

當負荷的無功功率改變而有功功率不變時，系統網損率隨功率因數變化的情況如圖4所示。

圖4 功率因數對網損率的影響(Q改變)

由圖4可知，典型情況時，抽油機的功率因數為0.6，此時系統的網損率為8.598 9%，當抽油機的功率因數升高時，系統的網損率隨抽油機功率因數的升高而降低，當cosφ=0.95時，系統的網損率為4.852 8%，較典型情況降低了3.746 1%。當抽油機的功率因數降低時，系統的網損率隨功率因數的降低而增大，在cosφ=0.4時，系統的網損率為15.545 6%，較典型情況升高了6.947 6%。

通過對比可知，受抽油機類負荷運行特點的影響，配電線路上的有功功率波動較大而無功功率變化較小，但二者導致功率因數變化影響網損的結果不同，有功功率波動引起功率因數及網損周期變化，但無法調控；無功功率相對穩定，通過改變負荷無功來提高功率因數的方式對降低系統網損的效果明顯。

2.2 低壓側線路影響分析

在南二線的實際運行中，變壓器負荷側存在少量的低壓架空線，低壓架空線的導線截面一般小于中壓架空線，南二線線路中使用的架空線為LJ-120，根據低壓線路的長度及所連接負荷的功率等要求，可以計算典型的低壓架空線數據。

在南二線的典型情況中，已經將低壓線路的情況考慮在內。對于南二線而言，線路中總共有135個負荷節點，而變壓器低壓側線路要遠少于這個數量，對比一般的油田配電網系統，南二線的低壓側線路相對較少。現將低壓架空線去掉，其余條件和典型情況相同，可得此情況下系統的網損率為8.477 6%，較典型情況的網損率降低了0.121 3%，變化不大。

對比某油田中的其他配電線路，南二線上的低壓側線路數量要遠少于其他配電線路。對于某油田的中二線，其配電系統的典型網損率為8.217 3%，共有123個負荷節點，其中變壓器側低壓線路有31條，相較于其他油田配電線路，數量較多，若去掉低壓線路，系統網損率降為5.315 3%，較典型情況降低了2.902%，網損率降低明顯。由此說明，低壓側線路對油田配電網網損率有一定影響，但根據不同配電系統中低壓線路占比不同，影響程度也不同，需要根據實際情況合理討論。

2.3 變壓器型號影響分析

油田配電網中，變壓器損耗是系統損耗中非常重要的一個部分，由于變壓器更新換代的經濟成本等原因，大部分油田配電網的變壓器型號相對較老，損耗較新型變壓器高很多。南二線配電網系統中大部分為S11型變壓器，仍存在一部分的老舊S9型變壓器，短路損耗ΔPs及短路電壓的百分值U，s%較新型號變壓器相比無變化，而空載損耗ΔP0及空載電流的百分值Is%會比新型變壓器的數值更高，由公式(2)可知[17]，舊型號變壓器較新型號變壓器的不變損耗更高

(2)

在南二線的典型情況中，保留了南二線配電系統中的S9變壓器，現將所有的S9型變壓器全更換為新型的S11型變壓器，重新計算系統的網損率為7.570 7%，較典型情況減少了1.028 2%。若將所有的S9型變壓器及S11型變壓器更新為更新型的S13型變壓器，則系統的網損率變為7.053 3%，較典型情況降低了1.545 6%，網損率下降明顯。

2.4 中壓線路電阻率影響分析

南二線配電線路中壓架空線使用LJ-120型導線，其在20 ℃時的單位直流電阻為0.237 3 Ω/km，而實際使用中，由于集膚效應等原因，交流電阻略大于直流電阻，同時，導線運行溫度也不是時刻保持常溫，需要對電阻值進行溫度修正，具體如公式(3)[17]，所以導致實際的線路電阻會大于計算得到的理論電阻值

rt=r20[1+a(t-20)]

(3)

式中rt、r20——導線溫度為t和20 ℃時的電阻；

a——電阻溫度系數/1·℃-1，取0.003 6。

同時，經現場測試，腐蝕情況比較嚴重的線路，其架空線路單位電阻值能到達理論值的兩倍及以上。在典型情況中，模擬現場情況，取架空線路的單位電阻值為0.56 Ω/km，現在其余條件不變的前提下，考慮線路改造后，單位電阻值下降的情況，單位電阻值從0.23～0.56 Ω/km取7組數據，分別計算不同線路阻抗下的系統網損率，研究線路阻抗因素對網損率的影響。在實際生產中，自然腐蝕等因素對架空線路的電抗值影響較小，此處進行線路改造的研究時，忽略線路電抗的變化，則只需要考慮架空線路在不同單位電阻值下的情況。

系統網損率隨架空線路單位電阻值的變化情況如圖5所示。可以看出，隨架空線路的單位電阻值減小，系統的網損率也隨之減小，當達到理論計算值0.23 Ω/km(即單位電阻值最小的情況)時，系統的網損率最小，為5.568 3%，較典型情況的網損率降低了3.030 6%，降損效果明顯。

圖5 架空線單位電阻值對網損率的影響

2.5 線路升壓影響分析

南二線為6kV配電線路，在系統傳輸容量一定的前提下，適當提高電壓可以有效減小電流，進而減小電流在網絡等值電阻上的有功損耗，可以有效的降低系統網損率。由于線路用于潮流計算的數據庫按照參數的標幺值計算，現將線路的電壓等級從6 kV升壓到10 kV，功率基準值SB=1 MW不變，而UB變為10.5 kV，由公式(4)可知[17]，由于UB變化，ZB隨之變化

(4)

而因為標幺值的原因，升壓主要是導致中壓架空線路的阻抗標幺值發生變化。線路升壓為10 kV后，數學模型等效認為線路的阻抗減小，系統的網損率變為5.229 0%，和典型情況相比，網損率降低了3.369 9%，降損效果顯著。

2.6 降損策略總結

總結上述南二線的五種降損策略與典型情況的對比，研究油田區域配電網優化降損功能實現方法，對已分析的油田配電網網損影響主控因素排序，形成不同措施的權重系數，如表1所示(在一種降損策略中有多組數據時，取網損率最低的數據作對比)。

由表1可知，南二線的五種降損策略中，通過補償無功來提高功率因數的降損效果最明顯，網損率為4.852 8%，低于6%，較原網損率降低了3.746 1%，降損程度為43.564 9%，但上述數據是基于無功補償到功率因數為0.95的情況，實際很難達到；而去掉低壓線路的降損效果最差，網損率為8.477 6%，較原網損率降低了0.121 3%，降損程度為1.410 6%。與某油田的其他油田配電線路相比，南二線的低壓架空線路只有5條，對系統影響較小，所以去掉低壓架空線路后，降損效果并不明顯。因此，對于南二線油田配電系統來說，采用無功補償提高功率因數、更新變壓器、中壓線路改造及提高電壓等級的降損策略都較為有效，而變壓器低壓側線路對系統網損率影響不大。

表1 不同降損策略對比分析

4 結論

以上，對某油田配電線路進行了詳細的分析，基于Matlab平臺建立仿真模型，綜合考慮了功率因數變化、去掉變壓器負荷側低壓架空線、更換新型變壓器、中壓線路改造以及提高電壓等級等方向的優化降損策略，對比分析了針對不同影響因素的降損措施節能空間，所有因素都對配電網網損有一定影響，但程度不同。

以上降損措施在實際應用中需要綜合考慮優化成本問題，本文只給出優化后的降損程度，并不討論成本因素。優化之后的網損率與實際的網損率相比，有較為明顯的下降，整體網損率降低至6%以內。對于提高油田配電網運行效率、增強供電能力、減少采油廠綜合用能成本，具有重要意義。