摘要：煤層氣作為非常規(guī)清潔能源，近年來(lái)得到有效開(kāi)發(fā)。然而，煤層氣井場(chǎng)大多處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，位置分散，導(dǎo)致接入國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)的成本高。所以，煤層氣井場(chǎng)一般采用燃油或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電。但是，燃油或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)存在燃料供應(yīng)不便、故障率較高、需要定期維護(hù)保養(yǎng)等問(wèn)題，導(dǎo)致煤層氣井場(chǎng)停電停產(chǎn)。虛擬電廠可通過(guò)整合燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電、光伏發(fā)電、農(nóng)用電網(wǎng)、儲(chǔ)能設(shè)備等供電資源，形成多能互補(bǔ)的綜合供電網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、低碳的煤層氣井場(chǎng)供電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：煤層氣；虛擬電廠；供電系統(tǒng)；多能互補(bǔ)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE95；TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2023）02-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.02.007

Application of Virtual Power Plant in Oil and Gas Exploration and Development

——Taking coalbed methane well field as an example

YANG Lingyu， REN Tao， YI Jialing， ZHONG Danqing

（PetroChina Weinan Coalbed Methane Pipeline Co.， Ltd.， Xi'an 710000， China）

Abstract： As an unconventional clean energy， coalbed methane has been effectively developed in recent years. However， most of the coalbed methane well fields are located in remote mountainous areas with scattered locations， resulting in high cost of access to the national grid system. Therefore， coalbed methane well fields are generally powered by oil or gas generators. However， the oil or gas generator has problems such as inconvenient fuel supply， high failure rate， and the need for regular maintenance， resulting in power failure and shutdown of the coalbed methane well fields. The virtual power plant can integrate power supply resources such as gas generator power generation， photovoltaic power generation， agricultural power grid， energy storage equipment， etc. to form a comprehensive power supply network with multi-energy complementary， and build a stable， economic and low-carbon coalbed methane well field power supply system.

Keywords： coalbed methane; virtual power plant; power supply system; multi-energy complementary

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣需求量逐年攀升。煤層氣作為非常規(guī)清潔能源，近幾年得到有效開(kāi)發(fā)，在天然氣供應(yīng)方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。煤層氣的開(kāi)采依附于地下煤層，因此煤層氣井場(chǎng)大多處于地理位置較為偏遠(yuǎn)的山區(qū)，而且井場(chǎng)分布分散，導(dǎo)致井場(chǎng)接入國(guó)家電網(wǎng)的成本較高。目前，煤層氣井場(chǎng)大多采用燃油或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電，少部分交通便利的井場(chǎng)采用電網(wǎng)供電和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)備用的供電模式。但是，燃油或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)故障率高，燃料補(bǔ)給受交通、天氣等影響，需要定期停機(jī)維修，導(dǎo)致煤層氣井場(chǎng)停電停產(chǎn)。井場(chǎng)停電停產(chǎn)不僅影響煤層氣的產(chǎn)量，還破壞了煤層氣連續(xù)穩(wěn)定的排采，增加了煤層氣井的故障率。所以，急需建設(shè)一套穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的供電系統(tǒng)，保障煤層氣井的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。虛擬電廠可通過(guò)整合燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電、光伏發(fā)電、農(nóng)用電網(wǎng)、儲(chǔ)能設(shè)備等供電資源，根據(jù)各供電設(shè)備的出力情況和煤層氣井場(chǎng)用電負(fù)荷特點(diǎn)，科學(xué)調(diào)配，形成多能互補(bǔ)的綜合智慧供電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、低碳的煤層氣井場(chǎng)供電。

1 虛擬電廠的基本概念

1.1 虛擬電廠的定義

目前，行業(yè)內(nèi)并沒(méi)有對(duì)虛擬電廠進(jìn)行統(tǒng)一定義。根據(jù)功能及特點(diǎn)，虛擬電廠就是虛擬化的，不具備實(shí)際發(fā)電廠物理屬性，但具有實(shí)際發(fā)電廠功能的一種管理模式或一套管理系統(tǒng)。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對(duì)分散的風(fēng)光發(fā)電等分布式發(fā)電裝置、儲(chǔ)能設(shè)備和各種可調(diào)可控的終端負(fù)荷進(jìn)行整合，并通過(guò)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，將其集合為可控電源，參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)可以參與電力市場(chǎng)的交易，優(yōu)化資源利用，維護(hù)區(qū)域安全平穩(wěn)用電[1]。

1.2 虛擬電廠的組成

虛擬電廠是一種基于云技術(shù)的分散式電廠，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件構(gòu)架，利用互聯(lián)網(wǎng)通信、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式能源、可控負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)等各類(lèi)分布式設(shè)備的有限聚合，實(shí)現(xiàn)資源的交換共享及合理配置，對(duì)外表現(xiàn)出與電廠類(lèi)似的特性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供能。虛擬電廠平臺(tái)的主要模塊分為資源管理中心、遠(yuǎn)程控制中心、云計(jì)算中心和交易服務(wù)中心等。虛擬電廠智慧運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)基于上述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要功能涵蓋設(shè)備設(shè)施管理、資源利用管理、運(yùn)營(yíng)運(yùn)行管理、交易服務(wù)管理等。

1.3 虛擬電廠的分類(lèi)

根據(jù)功能不同，虛擬電廠可分為商業(yè)型和技術(shù)型兩類(lèi)[2]。商業(yè)型虛擬電廠是從追求商業(yè)效益的角度出發(fā)，對(duì)終端用戶的需求和電源發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)，將虛擬電廠的分布式電源接入電力市場(chǎng)，以優(yōu)化和合理調(diào)度終端用電負(fù)荷、分布式儲(chǔ)能和電源出力，通過(guò)聚合提供多樣性資源，在供電市場(chǎng)中獲得規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，可降低分布式電源在市場(chǎng)上單獨(dú)運(yùn)行所面臨的失衡風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)型虛擬電廠是從追求系統(tǒng)管理安全平穩(wěn)的角度出發(fā)，由分布式電源、分布式儲(chǔ)能、可控負(fù)荷共同組成，主要為電網(wǎng)管理提供實(shí)時(shí)、科學(xué)預(yù)測(cè)的可視化信息，優(yōu)化供電系統(tǒng)的整體運(yùn)行模式?？山档头植际诫娫床环€(wěn)定性帶來(lái)的影響，提供經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)的供電系統(tǒng)運(yùn)行方式。

1.4 虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)有實(shí)時(shí)快速的遠(yuǎn)程控制技術(shù)以及先進(jìn)的第五代移動(dòng)通信（5G）、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，達(dá)到分鐘級(jí)、秒級(jí)快速響應(yīng)是虛擬電廠的基本要求，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程控制。其主要分為智能計(jì)量技術(shù)、信息通信技術(shù)以及自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)等。智能計(jì)量技術(shù)主要是對(duì)分布式電源和終端負(fù)荷進(jìn)行檢測(cè)，提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的電源發(fā)力和負(fù)荷需求側(cè)信息。信息通信技術(shù)主要是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議服務(wù)和虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線通信技術(shù)接收各單元發(fā)出的信息數(shù)據(jù)，并向控制單元發(fā)送遠(yuǎn)程調(diào)度控制命令。自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)的主要目標(biāo)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電力供應(yīng)及需求情況，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)按需管控[3]。

1.5 虛擬電廠的控制方法

虛擬電廠的控制方法可分為集中式控制法、分散式控制法和完全分散式控制法[4]。

1.5.1 集中式控制法

集中式控制法只有一個(gè)控制中心，對(duì)發(fā)電和用電單元進(jìn)行統(tǒng)一控制，但其擴(kuò)展性和兼容性具有局限性。

1.5.2 分散式控制法

分散式控制法有若干層控制中心，下層控制中心負(fù)責(zé)調(diào)度管理所屬區(qū)域內(nèi)的發(fā)電和用電單元，并將相關(guān)信息反饋至上一層的控制中心。該控制方式可使虛擬電廠模塊化，一定程度上改善了擴(kuò)展性和兼容性。

1.5.3 完全分散式控制法

完全分散式控制法是由數(shù)據(jù)交換處理中心代替了控制中心，數(shù)據(jù)交換處理中心提供天氣預(yù)測(cè)、市場(chǎng)價(jià)格等信息。虛擬電廠作為相互獨(dú)立的智能自治子單元，根據(jù)接收自數(shù)據(jù)交換處理中心的信息，對(duì)自身的運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化。該控制方式具有較好的開(kāi)放性和擴(kuò)展性，更加適合參與電力交易市場(chǎng)。

2 虛擬電廠在煤層氣井場(chǎng)的應(yīng)用

2.1 煤層氣井場(chǎng)供配電現(xiàn)狀

煤層氣井場(chǎng)供電方式主要有燃油或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、電網(wǎng)、光伏發(fā)電等，用電設(shè)備主要有抽油機(jī)、采出水增壓泵、分離撬、伴熱帶以及遠(yuǎn)程終端單元（RTU）機(jī)柜等[5]。

一是采用電網(wǎng)供電。大多井場(chǎng)采用農(nóng)用電網(wǎng)供電，供電網(wǎng)絡(luò)可靠性較低，在用電高峰期或者極端天氣情況下停電頻繁。由于煤層氣井場(chǎng)分布分散，交通不便，人員不能及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)備用的燃油或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，導(dǎo)致煤層氣井長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某煤層氣開(kāi)采區(qū)共計(jì)約1 600井，2021年累計(jì)發(fā)生電網(wǎng)停電76次，平均停電時(shí)間約為4.5 h，累計(jì)停電時(shí)長(zhǎng)為342 h。

二是采用燃油或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電。煤層氣井建設(shè)期和排采初期用電負(fù)荷較大，因此配備較高發(fā)電功率的發(fā)電機(jī)，隨著煤層氣井進(jìn)入穩(wěn)定排采期，用電負(fù)荷隨著用電設(shè)備的減少和抽油機(jī)沖次等參數(shù)的調(diào)整而降低，導(dǎo)致目前大多煤層氣井場(chǎng)存在“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象，部分井場(chǎng)有效功率不足20%，造成較大的能源浪費(fèi)。同時(shí)，燃油或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)故障率高，運(yùn)維成本高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某煤層氣開(kāi)采區(qū)共計(jì)約350口井，2021年累計(jì)停機(jī)1 100次，運(yùn)維費(fèi)用累計(jì)約310萬(wàn)元。

三是采用光伏發(fā)電供電。光伏發(fā)電本身存在間歇性、波動(dòng)性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，無(wú)法向井場(chǎng)提供穩(wěn)定的電力供給。

2.2 虛擬電廠在煤層氣井場(chǎng)應(yīng)用中的控制模式

根據(jù)煤層氣井場(chǎng)的用電特點(diǎn)，其虛擬電廠可采用分散式控制法，設(shè)計(jì)為技術(shù)型虛擬電廠。虛擬電廠主要分為控制中心、網(wǎng)絡(luò)通信單元和數(shù)據(jù)采集單元。

2.3 虛擬電廠在煤層氣井場(chǎng)應(yīng)用中的功能及目標(biāo)

2.3.1 虛擬電廠的功能

虛擬電廠可以對(duì)多類(lèi)型供電設(shè)備進(jìn)行資源整合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井場(chǎng)用電設(shè)備負(fù)荷，統(tǒng)一開(kāi)展監(jiān)控調(diào)度，具有類(lèi)似傳統(tǒng)電廠穩(wěn)定供電的功能。同時(shí)，它具備自我管理和監(jiān)控的能力，可以實(shí)現(xiàn)煤層氣井場(chǎng)的電力資源管理、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、電力供需側(cè)智能調(diào)度等功能。

2.3.2 虛擬電廠應(yīng)用的目標(biāo)

虛擬電廠應(yīng)用在煤層氣井場(chǎng)中，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)目標(biāo)。

（1）綜合管理，統(tǒng)一調(diào)配。對(duì)煤層氣井場(chǎng)可利用的電力資源進(jìn)行整合，根據(jù)井場(chǎng)運(yùn)行的電力需求及特點(diǎn)，利用虛擬電廠的數(shù)據(jù)分析及自動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)電力資源綜合管理、統(tǒng)一調(diào)配的目標(biāo)。

（2）多能互補(bǔ)，平穩(wěn)供電。虛擬電廠可利用的資源包含電網(wǎng)、微型發(fā)電機(jī)、分布式風(fēng)電發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備等，虛擬電廠可根據(jù)供電特點(diǎn)對(duì)上述各類(lèi)電力資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，根據(jù)需求自動(dòng)切換用電方式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的供電。

（3）智慧管控，節(jié)約成本。根據(jù)用電負(fù)荷需求響應(yīng)和供電成本綜合分析，制定最經(jīng)濟(jì)的供電方案，并通過(guò)虛擬電廠自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)智慧管控、節(jié)約成本的目的。同時(shí)，合理規(guī)劃網(wǎng)電、風(fēng)光發(fā)電等電源側(cè)出力，有效減少燃油或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的使用，減少發(fā)電機(jī)運(yùn)維費(fèi)用，進(jìn)一步達(dá)到降本增效的目的。

（4）節(jié)能減排，綠色低碳。虛擬電廠最主要的功能就是將分布式能源規(guī)?；⑾到y(tǒng)化、智能化，虛擬電廠在煤層氣井場(chǎng)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用可加快分布式風(fēng)光發(fā)電等新能源的接入，降低化石能源的使用，達(dá)到節(jié)能減排、綠色低碳的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

煤層氣井場(chǎng)多分布于偏遠(yuǎn)山區(qū)，位置分散，負(fù)荷階段性變化大，導(dǎo)致供電能耗高、成本高、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。虛擬電廠具有聚合性、協(xié)調(diào)性、互補(bǔ)性和共享性，可以解決上述問(wèn)題。當(dāng)前，煤層氣井場(chǎng)可基于虛擬電廠，打造平穩(wěn)可靠、綠色低碳、多元共享、智慧經(jīng)濟(jì)的新型電力系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

1 鐘永潔，紀(jì) 陵，李靖霞，等.虛擬電廠基礎(chǔ)特征內(nèi)涵與發(fā)展現(xiàn)狀概述[J].綜合智慧能源，2022（6）：25-36.

2 齊 軍，楊帥帥，張紅光，等.基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的含儲(chǔ)能虛擬電廠調(diào)度模型[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2019（1）：70-76.

3 屠盛春，劉曉春，張 皓.上海市黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠典型應(yīng)用[J].電力需求側(cè)管理，2020（1）：52-57.

4 夏榆杭，劉俊勇.基于分布式發(fā)電的虛擬發(fā)電廠研究綜述[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2016（4）：100-106.

5 孟凡華，路興祿，張亞慶，等.煤層氣地面工程技術(shù)對(duì)標(biāo)及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].中國(guó)煤層氣，2019（6）：9-13.