基于神經網絡模型的尖峰客戶供電網絡規劃研究

成都雙流新產城建設發展有限公司 董文峰

由于我國能源供應安全的需要，頁巖氣開采項目被大力推進，其中對產能有重要影響的電動壓裂技術已經被成功的應用到頁巖氣開采項目中。由于其鮮明的優勢：效率高、綜合耗能少、噪聲污染少等特點，已被中石油和中石化列入重點推薦技術，批量應用到項目開發建設中。頁巖氣開采項目多位于農村鄉鎮區域、需電負荷位于農網區域，由于當地電網的客觀原因，農網網架較為薄弱、電源點較少，造成較多區域無電可用或需較大投資建設供電線路，這成為電動壓裂技術進一步應用的障礙，也成為了制約頁巖氣開采擴大產能的關鍵一環。破解難題，構建基于神經網絡模式下的智能網架，成為針對此類尖峰客戶供電網絡規劃研究的重點。

1 基于神經網絡的用電模型

尖峰用電客戶一般指因為用戶負荷隨生產安排在較短時間內呈負荷陡增、持續時間較為短暫后隨生產安排中止而陡降的情況，因負荷呈尖峰狀而得名尖峰用電，而頁巖氣開采供電和“飯峰負荷”都屬于典型的尖峰用電[1]。以某頁巖氣井區1#單井為例，平臺計劃于2021年3月開始鉆井施工，鉆井期間負荷約3150kW。鉆井完成后即開始壓裂施工，考慮單井全電動壓裂，負荷預計將達到25000kW。壓裂完成后即轉入生產，生產早期不考慮井增壓，用電負荷預計30kW；生產中后期增壓，預計用電負荷400kW，生產年限暫定8～10年。考慮井區以平臺“井工廠”方式開采后形成井區開采規模，依據區域規模，規劃井區區域內能夠實現超過30個平臺的開發規模。經過對單井鉆采、壓裂、增壓等多種生產模式用電需求的分析，得出圖1。

圖1 各模式下的負荷曲線圖

神經網絡模型是以神經元的數學模型為基礎來描述的，由網絡拓撲、節點特點和學習規則來表示。它可以采取并行分布處理、高度魯棒性和容錯能力、分布存儲及學習能力、能充分逼近復雜的非線性關系等而受到研究學者的喜愛。利用神經網絡的學習能力，使它在對不確定性系統的控制過程中自動學習系統的特性，從而自動適應系統隨時間的特性變異，以求達到對系統的最優控制，應用較多的典型的神經網絡模型包括BP神經網絡、Hopfield網絡、ART網絡和Kohonen網絡等。

根據澎湃等人的研究，基于Prophet-LSTM組合模型的短期負荷預測方法為尖峰用電需求預測提供了一種研究方法[2]，先由Prophet和LSTM模型分別對負荷進行預測，然后賦予權值給兩個模型，組合模型由兩者相加而得來。P(t)=a1P1(t)+a2P2(t)，a1+a2=1。a1、a2的值由最小二乘法來確定。由此解得的a1、a2為使得組合預測模型P(t)與真實值最近的值。組合模型基本流程如圖2。

圖2 Prophet和LSTM組合模型構架圖

2 智能控制技術的應用與供電網絡的構建

基于應用場景的使用，需要設計和建設的智能控制技術有三個層次，分別是智能決策系統、傳輸反饋系統、操作執行系統。

智能決策系統具有根據系統負荷需求，自動判別電源和負荷匹配模型，提供最優系統運行方式，保障系統電源安全、電壓穩定，又可在某節點故障時，自動識別和判斷故障點，切開故障節點，自動迭代計算穩定運行方式，幫助系統盡快實現平穩；傳輸反饋系統依靠有線或無線的傳輸方式，將智能決策系統的指令傳遞給操作執行系統，同時將操作執行系統各單元開關動作、位置、狀態信號傳遞給智能決策系統，起到“上傳下達”的作用。同時還可運用其自身特點，將傳輸路徑中的部分信號變化作為特點信息的判斷依據，從而判斷系統或運行狀態是否正常[3]；操作執行系統是接受智能決策系統的指令，將指令轉化為各元器開關的動作，實現電網系統的運行方式的改變。某些線路的停運、某些線路的重新運行，從而實現可操控的電網運行。由于智能設備的飛速發展，越來越多的智能化合并單元設備可實現就地安裝，從而給智能化運維帶來更多實現空間。

電網建設前期，基于用電需求的實際和工程建設的客觀性，建設輻射式網架、保障項目前期的需求，適用于初期階段，基于平臺數量較少、先解決“有無的問題”。供電線路采用“主干線路+分支線”的模式，可滿足鉆井平臺較分散、用電同時率不高的需電情形供電要求。隨著供電網架的建設，在條件具備的區域先實現電源點間的手拉手互通，實現供電能力的互轉。通過智能開關的應用實現網架的控制性開斷，初步實現具有遠程操控，靈活過渡適用性供電的網架模式（圖3）[4]。最終，隨著周邊電源供電能力的提升，不斷完善網架，同時為提高供電能力、提高供電可靠性，規劃區域供電網架（圖4）。

圖3 過渡適用性供電的網架模式

圖4 規劃區域供電網架

鉆井平臺井噴和后期開采穩定階段，基于平臺數量多且供電要求多維，解決可靠、穩定、安全供電的問題。供電線路采用“網狀+開關站+智能斷路器”的模式，可實現可靠靈活、智能運檢的電網結構，可滿足鉆探、開采、集輸、應急等全方位的供電要求。

3 碰撞檢查和分析

通過對負荷分析和供電網架模型的建立，分別對近中遠期網架供電能力、可靠性、穩定運行、重過載等進行分析，通過PSASP軟件計算電網潮流，對過載線路和節點進行繪制識別，得出分析結果。分析得知：

由于近前期網架建設的滯后，存在18.46%的用能不能得到有效供應、53.33%的線路存在過載的情況，需隨著網架的有序規劃和建設彌補不足和薄弱環節；中期隨著網架的持續建設，供電能力不足的問題得到一定的緩解，但負荷增長仍有較大空間，存在12.07%的用能不能得到有效供應、43.28%的線路存在過載的情況，需進一步擴大網架的規劃和建設，盡快補足短板；遠期隨著網架的持續建設，供電能力不足的問題得到極大緩解，僅存在3.38%的用能不能得到有效供應、13.21%的線路存在過載的情況。此時結合項目收益投資的合理性，合理安排項目規劃建設，將少部分產能需求合理延后和錯峰實施，就可達到負荷的平穩過渡，達到網架運行的合理調配。