基于云-邊結(jié)合的油田配電網(wǎng)電壓暫降治理裝置協(xié)同控制方法

劉 軍，董浩東，仉志華，鄒 兵

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

0 引言

隨著油區(qū)敏感用電設(shè)備的逐漸增多，電壓暫降的影響越來越大［1-5］，相比于長時(shí)間供電中斷的事故而言，電壓暫降具有發(fā)生頻率高、事故危害大、事故原因不易察覺等特點(diǎn)，一旦發(fā)生電壓暫降現(xiàn)象，會(huì)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(hù)動(dòng)作跳閘、變頻控制器的非正常工作［6-9］，嚴(yán)重影響了油田穩(wěn)定生產(chǎn)。

目前，現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)能元件，為接觸器線圈提供電壓，保持接觸器的吸合，進(jìn)而保證抽油機(jī)不停電。對(duì)于抽油機(jī)這類交變載荷，如果載荷在暫降期間增加，其電流也會(huì)增大，會(huì)在線路上引起更大的電壓降，擴(kuò)大事故停井范圍；2）來電自啟動(dòng)型［15-17］。在電壓暫降發(fā)生后，先斷開接觸器，待監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)電壓恢復(fù)后，啟動(dòng)抽油機(jī)。但是當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)，安裝此類裝置的抽油機(jī)同時(shí)啟動(dòng)電流會(huì)很大，有可能擴(kuò)展成為線路保護(hù)跳閘，導(dǎo)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(tǒng)性，各自獨(dú)立運(yùn)行，沒有根據(jù)電壓暫降幅值、電網(wǎng)運(yùn)行方式、故障類型等進(jìn)行裝置之間的協(xié)同控制。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外針對(duì)電能質(zhì)量治理裝置的協(xié)同控制已進(jìn)行了多方面的研究，文獻(xiàn)［18］-文獻(xiàn)［20］根據(jù)治理裝置特性，結(jié)合敏感設(shè)備的耐受能力，對(duì)設(shè)備進(jìn)行分級(jí)、分組治理。文獻(xiàn)［21］-文獻(xiàn)［23］通過設(shè)計(jì)治理裝置間的協(xié)同控制模塊使臺(tái)區(qū)內(nèi)各電能質(zhì)量治理裝置互相通信、協(xié)同控制。文獻(xiàn)［24］-文獻(xiàn)［26］提出一種由底層分布式新能源發(fā)電裝置與上層微電網(wǎng)中央控制器組成的二級(jí)協(xié)同控制方法，對(duì)網(wǎng)內(nèi)電壓進(jìn)行調(diào)控。文獻(xiàn)［27］-文獻(xiàn)［29］提出一種通過智能協(xié)調(diào)單元控制智能電容器和有源電力電子裝置協(xié)同工作的用戶側(cè)智能型電能質(zhì)量綜合治理方法。文獻(xiàn)［30］-文獻(xiàn)［32］提出一種儲(chǔ)能裝置與新能源發(fā)電協(xié)同控制的方法，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)進(jìn)行有效控制。油田電網(wǎng)與地方電網(wǎng)的區(qū)別主要在于用電負(fù)荷不同，抽油機(jī)運(yùn)行慣性大，電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，對(duì)電壓暫降以及電壓恢復(fù)過程的影響很大，而現(xiàn)有方法都未考慮負(fù)荷運(yùn)行特性，具有油田特色的治理裝置協(xié)同控制方法研究尚屬空白。

本文提出了一種基于云-邊結(jié)合的油田配電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)電壓暫降治理裝置協(xié)同控制方法，考慮負(fù)荷運(yùn)行特性，通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中優(yōu)化決策，利用治理終端實(shí)現(xiàn)分布執(zhí)行，自適應(yīng)形成不脫網(wǎng)與重啟的動(dòng)作邊界條件，實(shí)現(xiàn)不同暫降類型和暫降深度下的負(fù)荷柔性調(diào)節(jié)；根據(jù)所在區(qū)域的油井產(chǎn)量差異，建立抽油機(jī)井群保供優(yōu)先級(jí)別以及脫網(wǎng)負(fù)荷的自啟動(dòng)批次，對(duì)于穩(wěn)定油田生產(chǎn)具有重要意義。

1 基于云-邊結(jié)合的治理裝置協(xié)同控制方法

本文所提電壓暫降治理裝置協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1 所示，云平臺(tái)與治理終端通過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞信息。

圖1 電壓暫降治理裝置協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of collaborative control system design for voltage sag control device

1.1 自適應(yīng)形成電動(dòng)機(jī)脫網(wǎng)與不脫網(wǎng)動(dòng)作邊界條件

1.1.1 基于云平臺(tái)的集中優(yōu)化決策

1）以線路出口電流保護(hù)定值為約束條件

電壓暫降時(shí)，暫降越限終端上傳信息給主站，主站結(jié)合配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自動(dòng)形成電壓暫降凹陷區(qū)域。結(jié)合線路出口保護(hù)定值、電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)系數(shù)和電壓暫降未越限終端負(fù)荷總電流，算出電壓暫降凹陷區(qū)域內(nèi)負(fù)荷的最大保持?jǐn)?shù)量：

式（1）中，Smax是負(fù)荷最大保持?jǐn)?shù)量為第i條線路電流保護(hù)定值，mi為第i條出線上的電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)；Iload.ij代表第i條出線第j臺(tái)電機(jī)負(fù)荷電流，kij為相應(yīng)電機(jī)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(dòng)機(jī)自啟動(dòng)系數(shù)，IN為電動(dòng)機(jī)額定電流。

2）以油井產(chǎn)量影響最低為目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合油田配電網(wǎng)各出線所帶電機(jī)數(shù)量有限以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、精確度高的特點(diǎn)，采用枚舉法確定脫網(wǎng)油井集合，根據(jù)負(fù)荷保持?jǐn)?shù)量及其所在區(qū)域的油井產(chǎn)量差異，建立抽油機(jī)井群脫網(wǎng)優(yōu)先集合。

式（2）中，Yij為系統(tǒng)第i條出線上的第j口油井的產(chǎn)油量，k'ij為相應(yīng)油井的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，是0-1 離散量，1 代表脫網(wǎng)停機(jī)終端，0 代表保持并網(wǎng)終端；n為線路條數(shù)，f為脫網(wǎng)負(fù)荷產(chǎn)油量函數(shù)。

1.1.2 基于治理終端的分布自主執(zhí)行

凹陷區(qū)域內(nèi)收到脫網(wǎng)指令的負(fù)荷脫網(wǎng)停機(jī)，其余負(fù)荷繼續(xù)保持并網(wǎng)運(yùn)行。

1.2 脫網(wǎng)負(fù)荷的分批自啟動(dòng)

油田脫網(wǎng)負(fù)荷的分批自啟動(dòng)流程如下：

1）基于云平臺(tái)的集中優(yōu)化決策

①以線路出口電流保護(hù)定值為約束條件

式（3）中，S'max是最大重啟數(shù)量。

②以油井產(chǎn)量恢復(fù)最大為目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)最大啟動(dòng)數(shù)量，將脫網(wǎng)油井按照日產(chǎn)油量等信息排序，優(yōu)先啟動(dòng)重要等級(jí)高的負(fù)荷。

2）基于治理終端的分布自主執(zhí)行

結(jié)合實(shí)測(cè)電壓恢復(fù)情況，當(dāng)所有并網(wǎng)負(fù)荷電壓都恢復(fù)到0.9UN之后，再執(zhí)行主站下達(dá)的重啟指令。

2 算例分析

本文對(duì)圖2 所示油田某區(qū)域配電網(wǎng)進(jìn)行算例分析，建立PSCAD仿真模型，各條出線數(shù)據(jù)信息如表1所示，線路5 發(fā)生三相短路，故障持續(xù)時(shí)間為0.5 s，過渡電阻0.1 Ω，以線路1 為仿真分析對(duì)象，其線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，表2表示所帶油井日產(chǎn)油量信息，仿真驗(yàn)證所提方法的可行性。

圖2 油田區(qū)域配電網(wǎng)簡化分析模型Fig.2 Simplified analysis model of oil field regional distribution network

圖3 線路1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topological structure diagram of line 1

表1 各出線數(shù)據(jù)信息表Table 1 Data information sheet for each outgoing line

表2 線路1油井日產(chǎn)油量Table 2 Daily oil production of line 1 oil well

按照負(fù)荷機(jī)端電壓0.8 p.u.為邊界劃分電壓暫降凹陷區(qū)域，如圖3所示，暫降越限電機(jī)數(shù)量為45臺(tái)。

1.2.1 干預(yù)方法 兩組患者均維持常規(guī)抗精神藥物治療和常規(guī)生活護(hù)理、健康宣教和康復(fù)指導(dǎo)。干預(yù)組在常規(guī)護(hù)理基礎(chǔ)上給予團(tuán)體社交技能訓(xùn)練。

2.1 現(xiàn)有裝置安裝常規(guī)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(dòng)型，現(xiàn)在按照隨機(jī)分布的方法分配兩種類型的治理裝置，電壓暫降凹陷區(qū)域內(nèi)會(huì)存在兩種情況：①接觸器保持型數(shù)量占優(yōu)；②來電自啟動(dòng)型數(shù)量占優(yōu)，本文對(duì)這兩種情況進(jìn)行仿真分析。

1）設(shè)置凹陷區(qū)域內(nèi)接觸器保持型治理裝置30臺(tái)，來電自啟動(dòng)型16臺(tái)，電壓暫降后仿真結(jié)果如圖4-圖5所示。

圖4 接觸器保持型負(fù)荷機(jī)端電壓Fig.4 Contactor holding type load terminal voltage

圖5 來電自啟動(dòng)型負(fù)荷機(jī)端電壓Fig.5 Self-starting load terminal voltage of incoming call

由圖4-圖5 可得，該場(chǎng)景下凹陷區(qū)域內(nèi)大多數(shù)電機(jī)在故障期間保持并網(wǎng)，小部分電機(jī)脫網(wǎng)。電壓恢復(fù)時(shí)，電流較大在線路上引起更大的電壓降，導(dǎo)致恢復(fù)失敗，電機(jī)處于低電壓運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備造成損壞。假設(shè)低電壓運(yùn)行持續(xù)時(shí)間30 min，產(chǎn)油量按照正常運(yùn)行時(shí)的80%計(jì)算，則影響產(chǎn)油量2.261 6 t（如表3）。

表3 線路1數(shù)據(jù)信息Table 3 Line 1 data information

2）設(shè)置凹陷區(qū)域內(nèi)接觸器保持型治理裝置16臺(tái)，來電自啟動(dòng)型30臺(tái)，電壓暫降后仿真結(jié)果如圖6-圖7所示。

圖6 接觸器保持型負(fù)荷機(jī)端電壓Fig.6 Contactor holding type load terminal voltage

由圖6-圖7 可得，該場(chǎng)景下凹陷區(qū)域內(nèi)大多數(shù)電機(jī)在故障期間脫網(wǎng)停機(jī)，小部分電機(jī)保持并網(wǎng)；電壓恢復(fù)時(shí)，大批電機(jī)同時(shí)重啟，啟動(dòng)電流很大引起電壓暫降恢復(fù)失敗，擴(kuò)展成為線路保護(hù)跳閘，導(dǎo)致整條線路大量油井停電，嚴(yán)重影響油田生產(chǎn)。假設(shè)停機(jī)到恢復(fù)啟動(dòng)需要30 min，則影響產(chǎn)油量2.827 t（如表4）。

圖7 來電自啟動(dòng)型負(fù)荷機(jī)端電壓Fig.7 Self-starting load terminal voltage of incoming call

表4 線路1數(shù)據(jù)信息Table 4 Line 1 data information

2.2 協(xié)同控制治理方法仿真

考慮油田生產(chǎn)中電動(dòng)機(jī)功率不一，本文選取平均功率45 kW 計(jì)算；正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)功率按照額定功率的50%計(jì)算，設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 設(shè)備相關(guān)參數(shù)表Table 5 Equipment related parameter table

1）電壓暫降后，根據(jù)公式（1）和表5參數(shù)計(jì)算出凹陷區(qū)域內(nèi)負(fù)荷最大保持?jǐn)?shù)量：16臺(tái)。

2）以油井產(chǎn)量影響最低為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)式（2）確定電壓暫降凹陷區(qū)域內(nèi)離網(wǎng)與并網(wǎng)負(fù)荷集合。

3）當(dāng)所有保持并網(wǎng)的負(fù)荷機(jī)端電壓都恢復(fù)到0.9UN之后，重新計(jì)算線路剩余負(fù)荷電流為42.56 A，根據(jù)式（3）和表5 參數(shù)計(jì)算出停機(jī)負(fù)荷的分批最大重啟數(shù)量：15臺(tái)。

4）以油井產(chǎn)量恢復(fù)最大為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)式（4）確定分批次重新啟動(dòng)負(fù)荷集合。

電壓暫降凹陷區(qū)域內(nèi)保持并網(wǎng)負(fù)荷與各批次啟動(dòng)負(fù)荷集合如表6所示。

表6 并網(wǎng)負(fù)荷與各批次啟動(dòng)負(fù)荷集合Table 6 Grid-connected load and batch start-up load collection

保持并網(wǎng)負(fù)荷以及各批次重啟負(fù)荷機(jī)端電壓有效值（p.u.）波形如圖8-圖10所示，相關(guān)參數(shù)信息如表7-表9所示。

圖8 保持并網(wǎng)負(fù)荷機(jī)端電壓Fig.8 Maintain terminal voltage of grid-connected load

圖9 脫網(wǎng)負(fù)荷一批自啟動(dòng)機(jī)端電壓Fig.9 The first batch of off-grid load self-starting machine terminal voltage

圖10 脫網(wǎng)負(fù)荷二批自啟動(dòng)機(jī)端電壓Fig.10 The second batch of off-grid load self-starting machine terminal voltage

表7 保持并網(wǎng)負(fù)荷Table 7 Maintain grid load

表8 第一批重啟負(fù)荷Table 8 The first batch of restart loads

表9 第二批重啟負(fù)荷Table 9 The second batch of restart load

考慮暫降持續(xù)時(shí)間和電機(jī)重啟時(shí)間以秒計(jì)算，影響的油井產(chǎn)量可以忽略不計(jì)，本文所提方法對(duì)減少油井產(chǎn)油量起到很好的效果。

綜上，仿真對(duì)比驗(yàn)證了本文所提協(xié)同控制治理方法的可行性。

4 結(jié)論

本文提出一種基于云-邊結(jié)合的油田區(qū)域配電網(wǎng)電壓暫降治理裝置協(xié)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(qū)電壓暫降治理裝置缺乏系統(tǒng)性的問題，合理地實(shí)現(xiàn)裝置之間的協(xié)同控制，減少電壓暫降對(duì)油田生產(chǎn)的影響，具有重要的工程實(shí)際意義。