油氣和新能源融合發展下多能互補智慧管控 技術研究

王偉峰

摘要：國家提出“碳達峰、碳中和”的雙碳目標。近年來，傳統油氣田企業為響應國家能源轉型號召，大力開展風能、太陽能、地熱、氫能、儲能、CO2埋存等技術的研究和應用。多種形式清潔能源的加入給傳統油氣田的生產工藝、生產管理帶來了沖擊，從原來單純的負荷端管控，變成供能端和用能端同時協同調控的新局面，需要充分利用數字化，智能化手段進行智慧能源管控，來完成減碳、低碳、零碳、負碳的目標。

關鍵詞：多能互補；協同調控；源荷互動；物聯網；電力調度

一、前言

2020年9月22日，中國在第七十五屆聯合國大會向全世界承諾：二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和。中石油各大油氣田企業將新能源列入融合發展業務，加快實施綠色低碳發展戰略，按照“清潔替代、戰略接替、綠色轉型”三步走總體部署，隨著風電、光電、地熱、光熱、氫能等新能源的加入，給傳統油氣田的原有生產模式帶來了沖擊，如何提升管理手段，以適用新能源加入后復雜的生產工藝變化，是目前亟待解決的問題。

在油田原有傳統能源的基礎上，新能源逐步加入，以前的局部、單一的能源管控模式，已經不能滿足要求。目前油氣田所轄變電站信息化、自動化建設水平較低，集控站監控中心功能和電力調度中心統一指揮功能缺失。作為新能源接入的基礎支撐，電力系統的信息化、自動化、智能化建設亟待解決。在油氣生產負荷側信息化建設上，傳統調控已經形成井間站一體化物聯網平臺，在間抽運行、變頻控制、自保聯鎖、油井故障診斷、時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，特別是針對新能源接入后的機采、集輸、注水等系統的優化級、智能化管控的研究[1]。

二、研究內容

主要包括以下兩個方面，一是對新能源數智化管控體系進行研究，圍繞綜合能源利用、生產運行智能診斷、供能和用能端智能調度等業務需求，建成數據齊全、協同高效、智能感知、實時在線、安全受控的以數字化、自動化、協同化、智能化為標志的新能源管控體系。覆蓋風電、光電、電網、燃氣、燃油、熱能利用、CO2治理、井場、各類場站等生產活動，以及經營管理、安全環保等業務領域。二是對多智慧管控輔助決策系統進行研究，該系統對內可實現油田多能協同及能源利用水平提升，增加電力供應中清潔能源比例，并確保內部能源系統的安全與經濟運行；對外則可以提升油田與上級電網的互動能力，主動參與電網調節，實現資源靈活性價值變現，參與地方電力服務市場，為碳市場運作提供技術平臺支撐，預留接口實現油田內部在用平臺的互聯互通。

三、研究目的

（一）助力管理升級

通過“源網荷儲”協同調控可以提高油田電調和負荷側物聯網自動化管理水平，保障油田生產安全、穩定、高效運行。

（二）源荷配置優化

在預測新能源發電和負荷基礎上，通過對油田內部電、熱、氣等多種能源進行耦合互補，對油田源荷側設備進行多能互補優化調度。

（三）促進降本增效

隨著大規模可再生能源持續接入，為促進新能源消納，提升系統運行效率，通過電、熱、氣耦合多能互補，進一步挖掘油田現有設備運行潛力，促進油田增效節能。

（四）推動油田“雙碳”管理

油田管理人員通過數智化手段可直觀掌握油田內生產用能和產生的碳排放情況，同時可輔助管理人員進行節能降碳決策，指導油田綠色低碳轉型，助力油田在未來碳市場中占據優勢[2]。

四、研究原則

（一）數據標準一體化原則

為保證平臺多能互補、智慧管控的準確性，在對供、用能數據的管理上，嚴格遵循一體化數據中心的標準體系架構，在“源網荷儲”建設初期即建立標準的數據字典，在投產運行后建立原始數據責任人機制，保證數據在產生、運行、入庫的過程中不出錯、不丟失。

（二）管控安全可靠原則

為保證多能互補、智慧管控的安全性，在供、用能優化調度的指令下發，執行手動、自動控制的過程中，為使供、用能端各類轉動設備和靜設備能夠在生產管理允許的范圍內運行，平臺要根據現場的生產工藝實際情況，具備科學合理控制機制和生產運行自保聯鎖機制，避免出現生產誤操作和安全責任事故。指令在執行過程中要具備人工和自動執行兩種模式。能夠進行人工切換，防止出現錯誤的輸出動作。

（三）功能全面完整的原則

在供、用能優化調度算法的輸入條件和約束條件上要全面、準確、合理。在生產工藝出現變化的情況下，用戶在權限允許的范圍內，能夠自主操作，添加和更改各類輸入和約束條件，確保優化調度輸出的執行動作準確。

（四）操作簡單易維護的原則

為保證用戶在供、用能調控過程中，能夠快速準確地進行界面切換和參數設置，平臺要具備友好的人機交互界面。為方便日后運行維護，在能源管控整體架構數據交互及硬件連接方式上要科學合理，使運維人員能夠快速準確地處理故障。

五、技術路線

管控體系技術路線研究：結合油田的現狀，按照“一體兩翼”的技術路線，以智慧管控輔助決策系統為主體，智能電力調度、用能側物聯網為兩翼，開展“源網荷儲”一體化項目的整體布局，并采用“統一規劃、分步實施”的指導思想，以頂層設計為指導，以局部建設為試點，逐步完善的原則實施。

如圖1所示，在油田電力側通過建設變電站集中監控系統、新能源集中監控系統、局部微電網系統，不斷完善下級監控系統的管控范圍，并同步進行智能電力調度系統的建設；在生產用能側，完善用能側物聯網管控系統功能，強化對負荷側用能區域及場間子單元、井間子單元的控制能力，通過負荷聚合、動態響應、柔性控制等技術手段，不斷挖掘負荷側資源對電力系統調頻、調峰的能力，豐富“源網荷儲”一體化調控手段。

如圖2所示，在系統功能開發上，智慧管控輔助決策系統由協同調控和輔助決策兩部分組成。協同調控子系統用來制定油田內部綜合能源的多能互補優化調度策略，實現油田新能源消納最大化；輔助決策子系統為油田未來參與電力市場、碳交易市場等提供能源數據增值服務，實現油田經濟效益最大化。

如圖3所示，在安全、生產、經營三大方面實現如下功能。

安全管控方面：主要考慮保障油田內部電網安全、穩定、經濟運行。一是電網自動控制技術，自動控制可以實現對油田內電源和變電站的有功、無功自動控制。二是電網網絡分析技術，主要包括電網潮流計算、靈敏度分析、靜態安全評估、短路電流計算、負荷轉供、拉限電輔助決策、單相接地拉路輔助決策等功能，通過自動控制及網絡分析功能可有效輔助管理人員對油田電網可能存在的風險進行及時預判并保障油田電網的安全穩定運行。三是有源配電網可開放容量評估功能，考慮了未來油田分布式光伏大量接入可能存在的風險，指導分布式光伏及負荷發展規劃和有序接入。四是系統規劃功能，在保證油田供電可靠性的前提下同時測算油田未來建設分布式電源的投資收益，指導下一步建設。

生產管控方面：一是監視分析功能可以實現油田內部“源網荷儲”全方位多能數據采集、實時監控，為油田內部多能互補優化調度提供基礎數據支撐。二是態勢感知，基于采集的運行數據，通過態勢感知功能對油田內各設備的量測數據進行監測和辨識，剔除壞數據，保證采集數據的有效性和準確性。三是源荷預測，基于態勢感知的有效運行數據，通過源荷預測功能對油田內新能源發電功率和負荷功率進行多時間尺度預測。四是優化調度算法，以源荷預測數據作為優化調度算法的輸入部分，以成本最小化、新能源全消納為目標，以設備運行，生產計劃、網絡平衡為約束條件，最終形成針對油田內部最優的供、用能策略[3]。

經營管控方面：一是需量評估可準確計算出油田最大需量值，按照最大需量值作為對電業局的結算方式，幫助油田節省大量電費成本。二是虛擬電廠在油田供、用電網絡自身優化運行的前提下，幫助油田參與國家電網輔助服務，支持與上級電網多種調度/市場服務模式，在支撐油田經濟運行的基礎上與上級電網交互獲得收益，實現雙贏。三是雙碳管理的主要目標是實現對油田“源網荷儲”全鏈條的碳流追蹤分析，并依據碳流分析結果，幫助油田構建精細化、個性化的電-碳模型，支撐對油田碳資產的精細化統一管理，指導油田對碳配額分配以及 CCER 交易的經濟效益分析。四是交易支撐作為經營管控的支撐部分，主要目標是實現油田對外和對內的運營交易管理，通過對外參與電力市場、響應電網服務，對內組織多主體互動交易，實現油田電力能源系統低碳、低成本運行，維系油田能源系統的可持續性運營。

六、關鍵技術

如圖4所示，以優化調度算法為核心關鍵技術，整體采用上下兩層結構進行，頂層優化調度采集各油區內的局部能源數據，進行綜合分析，以電功率平衡約束、熱功率平衡約束、儲能充放電次數約束、關口功率上下限約束等為約束條件，將頂層調度指令下發至各個采油區塊局部優化調度模塊。局部優化調度包含如下內容。

（一）優化目標

油田電負荷峰值盡可能不越限、購電費用最低、新能源消納最大化，以上目標組合多目標優化。

（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、關口電功率上下限約束、系統平衡約束、電網安全約束（斷面潮流約束、支路潮流約束）等各類約束條件。

（三）參數設置能功

目標權重（最小化成本、最小化能耗、最小化碳排放）、是否啟用需求響應、棄風棄光成本、關口斷面名稱、是否允許關口斷面越限、關口越限成本、電類設備參數設置、熱設備參數設置、耦合設備參數設置。

（四）計劃調整優化管理

根據實際需要，對計劃進行一定的人工或自動干預，如個別數據調整或者某些預定規則的批量調整或優化。計劃調整功能子模塊支持計劃的人工或自動調整[4]。

（五）優化調度分類

一是日前調度，日前執行，以油田電負荷峰值盡可能不越限、油田運行成本最小為主要目標，對第二天24小時（96點）進行優化調度。二是日內調度，日內每15分鐘執行一次，對未來四小時到當天結束的時段進行調度。當預測油田關口功率會越限時，通過修改油田直控資源和油井間抽的運行計劃，削減油田峰值負荷，盡量使油田關口功率不越限。三是實時調度，日內每5分鐘執行一次，以系統運行安全、避免棄風棄光為主要目標，對當前時刻進行調度。通過修改實時調度階段可控資源運行計劃，優化供用能，確保油田能源系統安全及新能源消納。

七、結語

多能互補智慧管控技術實現的關鍵是要具有完善的電力調度體系，同時還要依托油田良好的物聯網基礎、完整的負荷側設備計量體系、油井啟停控制技術、場站儀表自動化技術等，利用頂層與局部優化調度功能，在實踐和應用中摸索生產規律，不斷補充和完善輸入條件、約束條件，使輸出結果向目標結果不斷靠近，進而實現平穩生產。在不斷完善核心功能應用的同時，還要注重各類輔助功能的開發，如簡單實用的個性化功能、友好方便的人機交互界面等[5]。

參考文獻

[1]徐瑋，曹敬.探析多能協同下的綜合能源系統協調調度策略[J].應用能源技術，2019（03）：31-33.

[2]萬克棟，桂文娟.對油氣田新能源工程技術發展的思考[J].油氣田地面工程，2023，42（04）：1-7.

[3]裴哲義，孫驍強，王學斌，等.“雙碳”目標下電網多能源聯合優化調度研究與實踐[J].水電與抽水蓄能，2022，8（04）：1-12.

[4]叢丹."雙碳"目標下中國油氣行業低碳發展措施與路徑探索[J].大眾商務，2023（07）：0151-0153.

[5]王震，王祖綱，孟瑩，等.能源轉型中持續推進中國海洋油氣高質量發展——專訪中國海油集團能源經濟研究院黨委書記，院長王震[J].世界石油工業，2023，30（02）：5-11.

作者單位：中國石油吉林油田新能源事業部

責任編輯：張津平