王 浩，劉 軍，嚴(yán) 川，李 煒，石小滿，仉志華

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局有限公司，山東 東營(yíng) 257000；3.中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局有限公司經(jīng)營(yíng)管理部，山東 東營(yíng) 25700；4.中國(guó)石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營(yíng) 257000；5.中國(guó)石化股份勝利油田分公司孤東采油廠，山東 東營(yíng) 257237)

0 引言

電力是油田生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?lái)源，是穩(wěn)定原油生產(chǎn)的重要保障[1]。油田配電網(wǎng)系統(tǒng)大多呈輻射狀，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備種類繁多；井場(chǎng)采油設(shè)備普遍存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致正常運(yùn)行時(shí)多數(shù)線路處于輕載狀態(tài)。同時(shí)，配電網(wǎng)隨著油田區(qū)塊開(kāi)發(fā)滾動(dòng)發(fā)展，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、設(shè)備新舊不一，導(dǎo)致網(wǎng)損率較高。網(wǎng)損率是用電企業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低網(wǎng)損率已成為油田各部門(mén)普遍關(guān)注的問(wèn)題。

為了更好的解決問(wèn)題，跟進(jìn)配電網(wǎng)發(fā)展，許多學(xué)者在網(wǎng)損優(yōu)化方面開(kāi)展了大量研究。目前，常見(jiàn)的降低油田配電網(wǎng)有功損耗的措施[3]包括：變壓器優(yōu)化與科學(xué)定容；合理部署無(wú)功補(bǔ)償裝置[4]；適當(dāng)提高線路電壓運(yùn)行水平；合理規(guī)劃配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等。文獻(xiàn)[5]說(shuō)明了S9、S11和S13新舊三個(gè)系列變壓器之間的損耗差距以及其對(duì)配電網(wǎng)損耗的影響；文獻(xiàn)[6]基于勝利油田現(xiàn)狀，提出配電網(wǎng)升壓改造的必要性和重要性。文獻(xiàn)[7]提出遺傳粒子群算法，討論無(wú)功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)相結(jié)合下的網(wǎng)損優(yōu)化；文獻(xiàn)[8]提出一種基于人工蜂群算法(ABC)來(lái)確定分段開(kāi)關(guān)投入運(yùn)行的方法，改變配電網(wǎng)分段開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；文獻(xiàn)[9～10]討論基于“源網(wǎng)荷”互動(dòng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，綜合研究各調(diào)節(jié)主體之間的配合。基于分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)的隨機(jī)性，文獻(xiàn)[11]綜合考慮分布式電源隨機(jī)注入功率和場(chǎng)景變化，提出基于信息物理融合的多源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)潮流網(wǎng)損分析方法。文獻(xiàn)[12]考慮了諧波影響下的電網(wǎng)網(wǎng)損計(jì)算方法；文獻(xiàn)[13]提出基于網(wǎng)損靈敏度方差的配電網(wǎng)分布式儲(chǔ)能位置和容量?jī)?yōu)化配置方法，實(shí)現(xiàn)功率就地平衡，降低網(wǎng)損。以上研究多從理論層面分析總結(jié)配電網(wǎng)狀態(tài)，往往針對(duì)某一特定因素，研究其節(jié)能降耗效果，提出優(yōu)化措施，并進(jìn)一步根據(jù)IEEE算例驗(yàn)證方案的有效性和合理性。

本文針對(duì)油田配電網(wǎng)實(shí)例，結(jié)合具體油田配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與設(shè)備參數(shù)，并考慮油田負(fù)荷運(yùn)行特點(diǎn)，建立配電網(wǎng)分析模型；基于Matlab仿真平臺(tái)，定量分析具體情況下影響網(wǎng)損的主要因素，仿真分析對(duì)應(yīng)降損策略的節(jié)能空間與有效性。

1 油田配電網(wǎng)特點(diǎn)

配電系統(tǒng)網(wǎng)損率與多種因素有關(guān)[14-15]，系統(tǒng)的運(yùn)行方式、變電站與負(fù)荷的距離、變壓器損耗、線路損耗以及管理措施等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)損率產(chǎn)生影響，基于油田配電網(wǎng)的實(shí)際，高能耗老舊變壓器損耗、中壓線路損耗、變壓器低壓側(cè)出線損耗以及抽油機(jī)本身功率因數(shù)較低等原因，是導(dǎo)致油田配電網(wǎng)較一般公用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)損率更高的重要原因。

以某油田的南二線配電線路為實(shí)例，如圖1所示，按照油田配電網(wǎng)實(shí)際情況，討論其網(wǎng)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(jí)為6kV，線路全長(zhǎng)7.14 km，架空線采用LJ-120導(dǎo)線。由于交流線路本身的集膚效應(yīng)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(cè)，存在少量的低壓架空線路，會(huì)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損率產(chǎn)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(shù)量的S9型變壓器，舊型號(hào)變壓器因?yàn)殚L(zhǎng)期使用、設(shè)備維護(hù)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(jī)的負(fù)荷曲線較常規(guī)負(fù)荷有所不同，通過(guò)對(duì)抽油機(jī)負(fù)荷特性的大量測(cè)試表明，各種抽油機(jī)負(fù)荷功率變化曲線很相似。圖2為一個(gè)典型的抽油機(jī)負(fù)荷功率變化曲線圖[16]。

圖2 抽油機(jī)的功率變化曲線

由圖2可以看出，在一個(gè)上下沖程周期內(nèi), 抽油機(jī)有功功率的變化明顯，上下峰值差距較大，最低值出現(xiàn)在0以下，有倒發(fā)電的特性，而無(wú)功功率的變化相對(duì)平穩(wěn)，波動(dòng)程度較低。

在未采取無(wú)功補(bǔ)償措施的情況下，油田供電系統(tǒng)的平均功率因數(shù)比較低，一般在0.3～0.4，個(gè)別油井的功率因數(shù)在0.2以下。實(shí)際生產(chǎn)中，油田配電網(wǎng)的抽油機(jī)大部分已進(jìn)行就地補(bǔ)償，實(shí)際的功率因數(shù)較理論有提升。由于抽油機(jī)的有功功率在一個(gè)沖程周期內(nèi)變化很大，從瞬時(shí)有功功率考慮，有功功率從額定值到很小的數(shù)值都有可能出現(xiàn)，甚至?xí)霈F(xiàn)功率為負(fù)的情況，抽油機(jī)倒發(fā)電。又因?yàn)闊o(wú)功較為恒定，根據(jù)公式(1)[17]，抽油機(jī)的功率因數(shù)受有功功率波動(dòng)影響較大，導(dǎo)致抽油機(jī)電機(jī)的功率因數(shù)不固定，實(shí)際計(jì)算網(wǎng)損時(shí)要綜合考慮

(1)

在進(jìn)行網(wǎng)損分析時(shí)，應(yīng)直接按照實(shí)際情況考慮，認(rèn)為抽油機(jī)在一個(gè)較高的功率因數(shù)下運(yùn)行，同時(shí)考慮到瞬時(shí)有功功率的波動(dòng)性，取功率因數(shù)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(jī)的功率因數(shù)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(jì)算基礎(chǔ)的系統(tǒng)網(wǎng)損率，為8.598 9%，符合油田配電網(wǎng)的理論網(wǎng)損率。

2 基于油田配電網(wǎng)降損策略分析

現(xiàn)在典型情況基礎(chǔ)上，基于油田特點(diǎn)，討論不同降損策略對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損的影響，分析各策略的有效性。

2.1 負(fù)荷功率因數(shù)影響分析

油田抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)較低，一般會(huì)采用一定的無(wú)功補(bǔ)償措施，提高電機(jī)的功率因數(shù)，在南二線的典型情況中，將抽油機(jī)的功率因數(shù)設(shè)置為0.6。當(dāng)前油田配電網(wǎng)中主要采用中壓分散補(bǔ)償與抽油機(jī)側(cè)無(wú)功就地補(bǔ)償相結(jié)合的方式，盡可能實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率合理分配，盡量減少系統(tǒng)中的無(wú)功功率流動(dòng)引起的損耗?，F(xiàn)改變潮流計(jì)算模型中抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)，使之從0.4變化到0.95，共取8組數(shù)據(jù)，研究功率因數(shù)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損率的影響。負(fù)荷的功率因數(shù)由有功功率和無(wú)功功率兩方面決定，現(xiàn)分情況討論不同因素變化時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)損率的變化。

(1)改變負(fù)荷有功功率

當(dāng)負(fù)荷的有功功率改變而無(wú)功功率不變時(shí)，系統(tǒng)網(wǎng)損率隨功率因數(shù)變化的情況如圖3所示。

圖3 功率因數(shù)對(duì)網(wǎng)損率的影響(P改變)

由圖3可知，典型情況時(shí)，抽油機(jī)的功率因數(shù)為0.6，此時(shí)系統(tǒng)的網(wǎng)損率為8.598 9%，當(dāng)抽油機(jī)的功率因數(shù)降低時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損率隨抽油機(jī)功率因數(shù)的降低而升高，此時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損率為11.780 6%，較典型情況提高了3.181 7%(因抽油機(jī)本身的工作特性，以及現(xiàn)場(chǎng)本身存在一定的無(wú)功補(bǔ)償措施，故只分析到cosφ=0.4的情況，不再繼續(xù)降低功率因數(shù))。當(dāng)抽油機(jī)的功率因數(shù)提高時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損率隨功率因數(shù)的升高先減小后增大，在cosφ=0.8時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損率最低，為7.704 9%，較典型情況降低了0.894 0%。通過(guò)分析可得，抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)過(guò)高或過(guò)低都會(huì)提高系統(tǒng)的網(wǎng)損率，在cosφ=0.8時(shí)，系統(tǒng)網(wǎng)損率下降最明顯。

(2)改變負(fù)荷無(wú)功功率

當(dāng)負(fù)荷的無(wú)功功率改變而有功功率不變時(shí)，系統(tǒng)網(wǎng)損率隨功率因數(shù)變化的情況如圖4所示。

圖4 功率因數(shù)對(duì)網(wǎng)損率的影響(Q改變)

由圖4可知，典型情況時(shí)，抽油機(jī)的功率因數(shù)為0.6，此時(shí)系統(tǒng)的網(wǎng)損率為8.598 9%，當(dāng)抽油機(jī)的功率因數(shù)升高時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損率隨抽油機(jī)功率因數(shù)的升高而降低，當(dāng)cosφ=0.95時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損率為4.852 8%，較典型情況降低了3.746 1%。當(dāng)抽油機(jī)的功率因數(shù)降低時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損率隨功率因數(shù)的降低而增大，在cosφ=0.4時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損率為15.545 6%，較典型情況升高了6.947 6%。

通過(guò)對(duì)比可知，受抽油機(jī)類負(fù)荷運(yùn)行特點(diǎn)的影響，配電線路上的有功功率波動(dòng)較大而無(wú)功功率變化較小，但二者導(dǎo)致功率因數(shù)變化影響網(wǎng)損的結(jié)果不同，有功功率波動(dòng)引起功率因數(shù)及網(wǎng)損周期變化，但無(wú)法調(diào)控；無(wú)功功率相對(duì)穩(wěn)定，通過(guò)改變負(fù)荷無(wú)功來(lái)提高功率因數(shù)的方式對(duì)降低系統(tǒng)網(wǎng)損的效果明顯。

2.2 低壓側(cè)線路影響分析

在南二線的實(shí)際運(yùn)行中，變壓器負(fù)荷側(cè)存在少量的低壓架空線，低壓架空線的導(dǎo)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L(zhǎng)J-120，根據(jù)低壓線路的長(zhǎng)度及所連接負(fù)荷的功率等要求，可以計(jì)算典型的低壓架空線數(shù)據(jù)。

在南二線的典型情況中，已經(jīng)將低壓線路的情況考慮在內(nèi)。對(duì)于南二線而言，線路中總共有135個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，而變壓器低壓側(cè)線路要遠(yuǎn)少于這個(gè)數(shù)量，對(duì)比一般的油田配電網(wǎng)系統(tǒng)，南二線的低壓側(cè)線路相對(duì)較少?，F(xiàn)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(tǒng)的網(wǎng)損率為8.477 6%，較典型情況的網(wǎng)損率降低了0.121 3%，變化不大。

對(duì)比某油田中的其他配電線路，南二線上的低壓側(cè)線路數(shù)量要遠(yuǎn)少于其他配電線路。對(duì)于某油田的中二線，其配電系統(tǒng)的典型網(wǎng)損率為8.217 3%，共有123個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，其中變壓器側(cè)低壓線路有31條，相較于其他油田配電線路，數(shù)量較多，若去掉低壓線路，系統(tǒng)網(wǎng)損率降為5.315 3%，較典型情況降低了2.902%，網(wǎng)損率降低明顯。由此說(shuō)明，低壓側(cè)線路對(duì)油田配電網(wǎng)網(wǎng)損率有一定影響，但根據(jù)不同配電系統(tǒng)中低壓線路占比不同，影響程度也不同，需要根據(jù)實(shí)際情況合理討論。

2.3 變壓器型號(hào)影響分析

油田配電網(wǎng)中，變壓器損耗是系統(tǒng)損耗中非常重要的一個(gè)部分，由于變壓器更新?lián)Q代的經(jīng)濟(jì)成本等原因，大部分油田配電網(wǎng)的變壓器型號(hào)相對(duì)較老，損耗較新型變壓器高很多。南二線配電網(wǎng)系統(tǒng)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(hào)變壓器相比無(wú)變化，而空載損耗ΔP0及空載電流的百分值Is%會(huì)比新型變壓器的數(shù)值更高，由公式(2)可知[17]，舊型號(hào)變壓器較新型號(hào)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(tǒng)中的S9變壓器，現(xiàn)將所有的S9型變壓器全更換為新型的S11型變壓器，重新計(jì)算系統(tǒng)的網(wǎng)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(tǒng)的網(wǎng)損率變?yōu)?.053 3%，較典型情況降低了1.545 6%，網(wǎng)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(dǎo)線，其在20 ℃時(shí)的單位直流電阻為0.237 3 Ω/km，而實(shí)際使用中，由于集膚效應(yīng)等原因，交流電阻略大于直流電阻，同時(shí)，導(dǎo)線運(yùn)行溫度也不是時(shí)刻保持常溫，需要對(duì)電阻值進(jìn)行溫度修正，具體如公式(3)[17]，所以導(dǎo)致實(shí)際的線路電阻會(huì)大于計(jì)算得到的理論電阻值

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

(3)

式中rt、r20——導(dǎo)線溫度為t和20 ℃時(shí)的電阻；

a——電阻溫度系數(shù)/1·℃-1，取0.003 6。

同時(shí)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，腐蝕情況比較嚴(yán)重的線路，其架空線路單位電阻值能到達(dá)理論值的兩倍及以上。在典型情況中，模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，取架空線路的單位電阻值為0.56 Ω/km，現(xiàn)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(shù)據(jù)，分別計(jì)算不同線路阻抗下的系統(tǒng)網(wǎng)損率，研究線路阻抗因素對(duì)網(wǎng)損率的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，自然腐蝕等因素對(duì)架空線路的電抗值影響較小，此處進(jìn)行線路改造的研究時(shí)，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(tǒng)網(wǎng)損率隨架空線路單位電阻值的變化情況如圖5所示?？梢钥闯?，隨架空線路的單位電阻值減小，系統(tǒng)的網(wǎng)損率也隨之減小，當(dāng)達(dá)到理論計(jì)算值0.23 Ω/km(即單位電阻值最小的情況)時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損率最小，為5.568 3%，較典型情況的網(wǎng)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(duì)網(wǎng)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(tǒng)傳輸容量一定的前提下，適當(dāng)提高電壓可以有效減小電流，進(jìn)而減小電流在網(wǎng)絡(luò)等值電阻上的有功損耗，可以有效的降低系統(tǒng)網(wǎng)損率。由于線路用于潮流計(jì)算的數(shù)據(jù)庫(kù)按照參數(shù)的標(biāo)幺值計(jì)算，現(xiàn)將線路的電壓等級(jí)從6 kV升壓到10 kV，功率基準(zhǔn)值SB=1 MW不變，而UB變?yōu)?0.5 kV，由公式(4)可知[17]，由于UB變化，ZB隨之變化

(4)

而因?yàn)闃?biāo)幺值的原因，升壓主要是導(dǎo)致中壓架空線路的阻抗標(biāo)幺值發(fā)生變化。線路升壓為10 kV后，數(shù)學(xué)模型等效認(rèn)為線路的阻抗減小，系統(tǒng)的網(wǎng)損率變?yōu)?.229 0%，和典型情況相比，網(wǎng)損率降低了3.369 9%，降損效果顯著。

2.6 降損策略總結(jié)

總結(jié)上述南二線的五種降損策略與典型情況的對(duì)比，研究油田區(qū)域配電網(wǎng)優(yōu)化降損功能實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)已分析的油田配電網(wǎng)網(wǎng)損影響主控因素排序，形成不同措施的權(quán)重系數(shù)，如表1所示(在一種降損策略中有多組數(shù)據(jù)時(shí)，取網(wǎng)損率最低的數(shù)據(jù)作對(duì)比)。

由表1可知，南二線的五種降損策略中，通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功來(lái)提高功率因數(shù)的降損效果最明顯，網(wǎng)損率為4.852 8%，低于6%，較原網(wǎng)損率降低了3.746 1%，降損程度為43.564 9%，但上述數(shù)據(jù)是基于無(wú)功補(bǔ)償?shù)焦β室驍?shù)為0.95的情況，實(shí)際很難達(dá)到；而去掉低壓線路的降損效果最差，網(wǎng)損率為8.477 6%，較原網(wǎng)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(duì)系統(tǒng)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(duì)于南二線油田配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用無(wú)功補(bǔ)償提高功率因數(shù)、更新變壓器、中壓線路改造及提高電壓等級(jí)的降損策略都較為有效，而變壓器低壓側(cè)線路對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損率影響不大。

表1 不同降損策略對(duì)比分析

4 結(jié)論

以上，對(duì)某油田配電線路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，基于Matlab平臺(tái)建立仿真模型，綜合考慮了功率因數(shù)變化、去掉變壓器負(fù)荷側(cè)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(jí)等方向的優(yōu)化降損策略，對(duì)比分析了針對(duì)不同影響因素的降損措施節(jié)能空間，所有因素都對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損有一定影響，但程度不同。

以上降損措施在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮優(yōu)化成本問(wèn)題，本文只給出優(yōu)化后的降損程度，并不討論成本因素。優(yōu)化之后的網(wǎng)損率與實(shí)際的網(wǎng)損率相比，有較為明顯的下降，整體網(wǎng)損率降低至6%以內(nèi)。對(duì)于提高油田配電網(wǎng)運(yùn)行效率、增強(qiáng)供電能力、減少采油廠綜合用能成本，具有重要意義。