油气田中分布式智能电网技术研究与应用

亢清波，魏志远，黄文涛，侯云飞，仇佳鑫，李 妍

（1.华北油田公司新能源事业部，河北 任丘 062552；2.华北油田公司第四采油厂，河北 廊坊 065000；3.国电南瑞能源有限公司，江苏 南京 211106）

0 引 言

基于国家能源发展战略部署，中国石油天然气集团有限公司将构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革[1]。在油气生产中，其主要用能为动能与热能。由于用能在时间上存在不平衡性、季节性、负荷波动大以及机采设备功率因素低等特点，同时多能源使用缺乏统一管理性，无法交换调配多余能源，大大降低了新能源的经济收益[2]。因此，要做好多源微型电网管控，确保能源有效应用[3]。

1 油田的分布式智能电网总体结构

1.1 多能互补系统

油田内部的油气、余热和光能等资源丰富，以可再生能源充分利用为核心的多能互补综合能源系统，将成为油田构建清洁低碳供能体系的有效载体[4]。文章构建了“光伏+燃气发电+余热利用+固体氧化物燃料电池+混合储能”为一体的多能互补柔性能源管控系统。该系统利用风、光、压差等提供绿色电力；光热、绿色电能替代电加热，储热保障连续生产；利用微型天然气发电机、燃料电池实现伴生气热电联供；利用间开井、碳捕获利用与封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技术、储能制氢等参与电网调峰；建立智能管控，油田多能互补系统的示意如图1所示。

图1 油田多能互补系统

1.2 交—直互联

打造交直流微型电网和孤立微型电网等不同形式的电力系统。在多油井井场建设交直流混合微网，可将站内供电由“光伏直流→逆变交流→升压→上网→降压→消纳”简化为“光伏直流直接消纳后，经低压交流侧二次消纳，余电上网”，实现绿色、高效控制。项目实施前后的一次架构如图2所示。

图2 项目实施前后的一次架构

1.3 分布式智能电网管控系统

构建分布式智能电网管控系统，对华北油田公司第四采油厂，包括所有分布式光伏、微型天然气发电机、燃料电池等的“源”，包括交直流微网、6 kV配网和35 kV、110 kV供电网的“网”，包括抽油机、各类机泵、电加热等的“荷”，还包括电池、超级电容、储热等的“储”，进行“源网荷储”的协调控制、潮流优化及全景可视化展示，提高区域电网整体运行效率，使得消纳清洁能源最大化。分布式智能电网管控系统平台架构如图3所示。

图3 分布式智能管控系统平台架构

按电压等级和影响范围划分成区域调度决策层、微网协调控制层、可控单元执行层3个层级，实现对整个的“源网荷储”的优化调度和协调控制[5]。

1.4 有源配电网安全管控系统

大量分布式电源接入后潮流双向流动，传统继电保护存在误动和拒动风险，检维修安全管控困难。针对新能源接入带来的电网安全问题，完善电网保护，研制新型智能工器具，并将人工为主和纸质记录的传统运维方式进行智能化和信息化升级，全面支撑电网巡视运维、检修作业、应急保障等业务。

1.4.1 继电保护升级

形成离网型微电网二次保护典型配置方案，提升廊东分布式智能电网示范区配电网故障处置水平及分布式电源就地消纳能力，实现区域微网自治趋优。当网侧故障时，终端间采用就地级差保护（带方向）快速隔离故障；故障排除后，管控平台故障处理模块基于全域源-荷平衡状态逐级恢复失电区段供电[6]。具体方案如下：第一，配置无压跳闸保护，变电站或上级故障导致失电时，保护控制终端完成最小故障区段隔离；第二，配置小电流单相接地保护，实现中性点不接地方式下单相接地故障就地判别与隔离；第三，配置方向过流保护，上下级保护延时级差ΔT设定为0.2 s；配置速断保护，用于快速切除分支/用户分界故障；第四，配置二次谐波制动保护；第五，配置重合闸、后加速保护；第六，配置故障解列保护，实现分布式电源就地脱网；第七，支持“开关状态+含方向的保护动作/事件”信息基于IEC101/104规约上送管控平台。

1.4.2 智能检维修系统功能

建立基于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的电力线路系统，通过智能操作票、故障研判及定位等形式实现有源配电网检维修操作的安全智能管控，及时计算各种设备的运行状况、工作状况以及维护状况等实时数据。实时监控调度自动化、信息采集以及配网自动化系统，自行判断发生问题的类型、范围以及定点等。实现智能拟票和语音拟票，以及在线安全分析校核。开发智能检维修App，方便检维修现场操作管理。

2 油田分布式智能电网功能

分布式智能电网结合气象信息，预测各时段新能源出力，实现新能源的全额消纳和油田热、电负荷的平衡。其运行机制能与生产调度统一协调，最终达到油田生产的低成本用能和低碳生产[7]。根据光伏历史数据及天气信息预测发电能力，获得新能源出力预测曲线；计算总发电功率；预测局域电网总的负荷需求量；测算光伏、燃料电池等可否全额消纳；依据电价和供需平衡信息等综合信息确定局域电网的能源生产和用电方案。

2.1 “源网荷储”协同

各种工况下，自动协调调度局域电网内各类可调资源，保障局域电网功率的实时平衡，实现电网的安全可靠运行。在光伏出力大于总负荷时，用光伏富余的电能进行充电；在光伏出力小于负荷时，将所充电能放出，从而降低常规电力负荷。当储能不满足需求时，启动微燃机或电网购电进行补充。“源网荷储”协同，调整间开井、注水、注氮等可调资源的运行模式，最大化消纳新能源发电。

2.2 无功优化

面对有源配电网源荷不确定性和多样性带来的电压问题及降损需求，充分挖掘包含分布式电源在内的各级调压设备和无功补偿设备的调节控制能力，将独立的分散调控变为集中调控和分层配合，有效提高电压质量，改善系统无功分布，降低系统损耗[8]。无功优化原理如图4所示。

图4 无功优化原理

2.3 故障隔离与恢复

对故障区域自动研判，隔离故障段，并指导供电恢复。故障隔离与恢复示例如图5所示，当BC段发生故障时，由A断路器跳闸，智能恢复A和C断路器，隔离故障段，且D不受影响。

图5 故障隔离与恢复示例

依据多电源线路故障产生等效模型，进行微扰相模变换，生产多元供电故障判据，其中主站侧采用电网感知及防控平台，终端侧采用智能测控设备。分析故障类型，包括间隙性故障、自熄性故障、半永久故障以及永久性故障。故障恢复包括就地主动孤岛和集中负荷转供2种判据方式。

2.4 虚拟电厂

虚拟电厂（Virtual Power Plant，VPP）是将分布式发电机组、可控负荷和分布式储能设施有机结合，通过配套的调控技术、通信技术实现各类分布式能源的整合调控载体，作为一个整体参与电力市场和电网运行[9]。油田的虚拟电厂架构如图6所示。

图6 油田虚拟电厂架构

3 实施及效果

华北油田公司第四采油厂分布式智能电网项目将实现智能运维、双向潮流保护、故障自动隔离改造、无功优化、多电源直柔配网以及虚拟电厂等系统的平台搭建，其中智能电网系统终端建立包括3套区块E390R微燃机、升压撬及热回收装置、超级电容储能+全钒液流储能的混合储能系统；智能电网管控平台扩容包括分布式智能电网功能完善，华北油田公司第四采油厂新能源发电点、重要负荷能耗计量完善及接入，新建多能预测、有功与无功优化、新能源群调群控、馈线自动化等功能模块；有源配网管控功能完善包括配网自动化完善及继电保护升级，完善配网GIS系统智能操作票、故障自动研判及定位等智能检维修系统，研制智能接地极、电子锁和验电棒等智能安全工器具等[10]。

4 结 论

分布式智能电网实现了新能源与油田生产的高度融合，建立了全环节的安全稳定供电、智能管控，并探索新能源市场经营模式。通过示范项目的建设解决了油田绿色转型面临的多电源接入管控难、绿电峰时消纳难以及新能源直接并网效率低等难题，有利于推动油气开发与新能源融合的高质量跃升发展。