劉 軍，董浩東，仉志華，鄒 兵

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

0 引言

隨著油區(qū)敏感用電設備的逐漸增多，電壓暫降的影響越來越大［1-5］，相比于長時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，一旦發(fā)生電壓暫降現象，會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動作跳閘、變頻控制器的非正常工作［6-9］，嚴重影響了油田穩(wěn)定生產。

目前，現場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能元件，為接觸器線圈提供電壓，保持接觸器的吸合，進而保證抽油機不停電。對于抽油機這類交變載荷，如果載荷在暫降期間增加，其電流也會增大，會在線路上引起更大的電壓降，擴大事故停井范圍；2）來電自啟動型［15-17］。在電壓暫降發(fā)生后，先斷開接觸器，待監(jiān)測到系統(tǒng)電壓恢復后，啟動抽油機。但是當電壓恢復時，安裝此類裝置的抽油機同時啟動電流會很大，有可能擴展成為線路保護跳閘，導致整條線路停電。而造成上述問題的主要原因是裝置間缺乏系統(tǒng)性，各自獨立運行，沒有根據電壓暫降幅值、電網運行方式、故障類型等進行裝置之間的協(xié)同控制。

現階段，國內外針對電能質量治理裝置的協(xié)同控制已進行了多方面的研究，文獻［18］-文獻［20］根據治理裝置特性，結合敏感設備的耐受能力，對設備進行分級、分組治理。文獻［21］-文獻［23］通過設計治理裝置間的協(xié)同控制模塊使臺區(qū)內各電能質量治理裝置互相通信、協(xié)同控制。文獻［24］-文獻［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中央控制器組成的二級協(xié)同控制方法，對網內電壓進行調控。文獻［27］-文獻［29］提出一種通過智能協(xié)調單元控制智能電容器和有源電力電子裝置協(xié)同工作的用戶側智能型電能質量綜合治理方法。文獻［30］-文獻［32］提出一種儲能裝置與新能源發(fā)電協(xié)同控制的方法，對電網電壓波動進行有效控制。油田電網與地方電網的區(qū)別主要在于用電負荷不同，抽油機運行慣性大，電動機作為驅動設備，對電壓暫降以及電壓恢復過程的影響很大，而現有方法都未考慮負荷運行特性，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-邊結合的油田配電網負荷側電壓暫降治理裝置協(xié)同控制方法，考慮負荷運行特性，通過云平臺實現集中優(yōu)化決策，利用治理終端實現分布執(zhí)行，自適應形成不脫網與重啟的動作邊界條件，實現不同暫降類型和暫降深度下的負荷柔性調節(jié)；根據所在區(qū)域的油井產量差異，建立抽油機井群保供優(yōu)先級別以及脫網負荷的自啟動批次，對于穩(wěn)定油田生產具有重要意義。

1 基于云-邊結合的治理裝置協(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)設計示意圖如圖1 所示，云平臺與治理終端通過通信網絡傳遞信息。

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

1.1 自適應形成電動機脫網與不脫網動作邊界條件

1.1.1 基于云平臺的集中優(yōu)化決策

1）以線路出口電流保護定值為約束條件

電壓暫降時，暫降越限終端上傳信息給主站，主站結合配電網拓撲結構，自動形成電壓暫降凹陷區(qū)域。結合線路出口保護定值、電動機自啟動系數和電壓暫降未越限終端負荷總電流，算出電壓暫降凹陷區(qū)域內負荷的最大保持數量：

式（1）中，Smax是負荷最大保持數量為第i條線路電流保護定值，mi為第i條出線上的電動機臺數；Iload.ij代表第i條出線第j臺電機負荷電流，kij為相應電機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為電動機自啟動系數，IN為電動機額定電流。

2）以油井產量影響最低為目標函數

結合油田配電網各出線所帶電機數量有限以及計算機運算速度快、精確度高的特點，采用枚舉法確定脫網油井集合，根據負荷保持數量及其所在區(qū)域的油井產量差異，建立抽油機井群脫網優(yōu)先集合。

式（2）中，Yij為系統(tǒng)第i條出線上的第j口油井的產油量，k'ij為相應油井的電機運行狀態(tài)信息，是0-1 離散量，1 代表脫網停機終端，0 代表保持并網終端；n為線路條數，f為脫網負荷產油量函數。

1.1.2 基于治理終端的分布自主執(zhí)行

凹陷區(qū)域內收到脫網指令的負荷脫網停機，其余負荷繼續(xù)保持并網運行。

1.2 脫網負荷的分批自啟動

油田脫網負荷的分批自啟動流程如下：

1）基于云平臺的集中優(yōu)化決策

①以線路出口電流保護定值為約束條件

式（3）中，S'max是最大重啟數量。

②以油井產量恢復最大為目標函數

根據最大啟動數量，將脫網油井按照日產油量等信息排序，優(yōu)先啟動重要等級高的負荷。

2）基于治理終端的分布自主執(zhí)行

結合實測電壓恢復情況，當所有并網負荷電壓都恢復到0.9UN之后，再執(zhí)行主站下達的重啟指令。

2 算例分析

本文對圖2 所示油田某區(qū)域配電網進行算例分析，建立PSCAD仿真模型，各條出線數據信息如表1所示，線路5 發(fā)生三相短路，故障持續(xù)時間為0.5 s，過渡電阻0.1 Ω，以線路1 為仿真分析對象，其線路拓撲結構如圖3所示，表2表示所帶油井日產油量信息，仿真驗證所提方法的可行性。

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

圖3 線路1拓撲結構圖Fig.3 Topological structure diagram of line 1

表1 各出線數據信息表Table 1 Data information sheet for each outgoing line

表2 線路1油井日產油量Table 2 Daily oil production of line 1 oil well

按照負荷機端電壓0.8 p.u.為邊界劃分電壓暫降凹陷區(qū)域，如圖3所示，暫降越限電機數量為45臺。

1.2.1 干預方法 兩組患者均維持常規(guī)抗精神藥物治療和常規(guī)生活護理、健康宣教和康復指導。干預組在常規(guī)護理基礎上給予團體社交技能訓練。

2.1 現有裝置安裝常規(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型，現在按照隨機分布的方法分配兩種類型的治理裝置，電壓暫降凹陷區(qū)域內會存在兩種情況：①接觸器保持型數量占優(yōu)；②來電自啟動型數量占優(yōu)，本文對這兩種情況進行仿真分析。

1）設置凹陷區(qū)域內接觸器保持型治理裝置30臺，來電自啟動型16臺，電壓暫降后仿真結果如圖4-圖5所示。

圖4 接觸器保持型負荷機端電壓Fig.4 Contactor holding type load terminal voltage

圖5 來電自啟動型負荷機端電壓Fig.5 Self-starting load terminal voltage of incoming call

由圖4-圖5 可得，該場景下凹陷區(qū)域內大多數電機在故障期間保持并網，小部分電機脫網。電壓恢復時，電流較大在線路上引起更大的電壓降，導致恢復失敗，電機處于低電壓運行狀態(tài)，對設備造成損壞。假設低電壓運行持續(xù)時間30 min，產油量按照正常運行時的80%計算，則影響產油量2.261 6 t（如表3）。

表3 線路1數據信息Table 3 Line 1 data information

2）設置凹陷區(qū)域內接觸器保持型治理裝置16臺，來電自啟動型30臺，電壓暫降后仿真結果如圖6-圖7所示。

圖6 接觸器保持型負荷機端電壓Fig.6 Contactor holding type load terminal voltage

由圖6-圖7 可得，該場景下凹陷區(qū)域內大多數電機在故障期間脫網停機，小部分電機保持并網；電壓恢復時，大批電機同時重啟，啟動電流很大引起電壓暫降恢復失敗，擴展成為線路保護跳閘，導致整條線路大量油井停電，嚴重影響油田生產。假設停機到恢復啟動需要30 min，則影響產油量2.827 t（如表4）。

圖7 來電自啟動型負荷機端電壓Fig.7 Self-starting load terminal voltage of incoming call

表4 線路1數據信息Table 4 Line 1 data information

2.2 協(xié)同控制治理方法仿真

考慮油田生產中電動機功率不一，本文選取平均功率45 kW 計算；正常運行時電動機功率按照額定功率的50%計算，設備相關參數如表5所示。

表5 設備相關參數表Table 5 Equipment related parameter table

1）電壓暫降后，根據公式（1）和表5參數計算出凹陷區(qū)域內負荷最大保持數量：16臺。

2）以油井產量影響最低為目標函數，根據式（2）確定電壓暫降凹陷區(qū)域內離網與并網負荷集合。

3）當所有保持并網的負荷機端電壓都恢復到0.9UN之后，重新計算線路剩余負荷電流為42.56 A，根據式（3）和表5 參數計算出停機負荷的分批最大重啟數量：15臺。

4）以油井產量恢復最大為目標函數，根據式（4）確定分批次重新啟動負荷集合。

電壓暫降凹陷區(qū)域內保持并網負荷與各批次啟動負荷集合如表6所示。

表6 并網負荷與各批次啟動負荷集合Table 6 Grid-connected load and batch start-up load collection

保持并網負荷以及各批次重啟負荷機端電壓有效值（p.u.）波形如圖8-圖10所示，相關參數信息如表7-表9所示。

圖8 保持并網負荷機端電壓Fig.8 Maintain terminal voltage of grid-connected load

圖9 脫網負荷一批自啟動機端電壓Fig.9 The first batch of off-grid load self-starting machine terminal voltage

圖10 脫網負荷二批自啟動機端電壓Fig.10 The second batch of off-grid load self-starting machine terminal voltage

表7 保持并網負荷Table 7 Maintain grid load

表8 第一批重啟負荷Table 8 The first batch of restart loads

表9 第二批重啟負荷Table 9 The second batch of restart load

考慮暫降持續(xù)時間和電機重啟時間以秒計算，影響的油井產量可以忽略不計，本文所提方法對減少油井產油量起到很好的效果。

綜上，仿真對比驗證了本文所提協(xié)同控制治理方法的可行性。

4 結論

本文提出一種基于云-邊結合的油田區(qū)域配電網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，合理地實現裝置之間的協(xié)同控制，減少電壓暫降對油田生產的影響，具有重要的工程實際意義。