劉洋 （大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

據(jù)目前數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采油行業(yè)的電能用量在采油行業(yè)總能耗的占比達(dá)到53%[1]，電能使用成本在生產(chǎn)成本的占比達(dá)到45%。基于油田用電設(shè)備運行特性，因此經(jīng)常會造成油田電網(wǎng)負(fù)荷起伏不定、負(fù)荷功率低與功率損耗多等問題，電網(wǎng)無功補償技術(shù)可以將上述問題得到改善[2]，即在減少無功傳輸能耗的同時，增大有功傳輸容量，降低作業(yè)成本。而傳統(tǒng)的無功優(yōu)化補償方法具有一定局限性，實際補償經(jīng)濟效益不佳，因此對油田電網(wǎng)的無功補償優(yōu)化方法進行研究，以便同時強化無功補償?shù)娜萘颗c位置。

迄今為止，關(guān)于油田電網(wǎng)無功補償優(yōu)化研究已有諸多學(xué)者進行了研究，并取得有效成果。吳必章[3]在井口低壓一側(cè)放置電容器裝置，在降低線損與減少變壓器損失的同時，提高電網(wǎng)功率數(shù)，實現(xiàn)對油田電網(wǎng)的無功補償。張文超[4]在分析油田電網(wǎng)和存在問題的基礎(chǔ)上，探討了油田電網(wǎng)常見的無功補償措施。高璇[5]提出一種基于靜止無功發(fā)生器的動態(tài)無功補償方法，對多種運行形式下無功補償?shù)娜萘颗c位置進行研究，通過分析與計算，實現(xiàn)了對油田電網(wǎng)的無功補償。

但以上方法需要頻繁投切電容器，建設(shè)費用大且運行起來十分困難，另外，利用常規(guī)的無功優(yōu)化方法對以抽油機為主的油田電網(wǎng)進行線損分析，并不能將抽油機負(fù)荷的特性完全反映出來，所以優(yōu)化結(jié)果不夠理想?；诖?，提出對油田電網(wǎng)進行無功補償?shù)膭討B(tài)優(yōu)化算法。

1 油田電網(wǎng)運行負(fù)荷特性

1.1 運行現(xiàn)狀

詳細(xì)分析出抽油機負(fù)荷性質(zhì)可以加強對油田電網(wǎng)展開無功補償，同時在特性基礎(chǔ)上也能更詳細(xì)得出配電網(wǎng)的整體線損情況。假設(shè)油田電網(wǎng)供電方式采用110 kV 雙回路供電線路，其中包含1 座110 kV變電所和4 座35 kV 變電所，35 kV 配電線路為200 km，10 kV 配電線路為480 km，52 個節(jié)點（包含28 臺配電變壓器），總?cè)萘繛? 643 kVA，全年油氣生產(chǎn)作業(yè)用電量為7 680×104kWh，2018 年電費總額達(dá)到了7 769 萬元。

對油田電網(wǎng)節(jié)點進行編號，油田電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

在油田配電網(wǎng)中，抽油機負(fù)荷占油區(qū)總負(fù)荷的79%以上，并且功率因數(shù)不高，由于電網(wǎng)供電半徑長，導(dǎo)致其無功損耗巨大，因此對油田電網(wǎng)實行無功補償[6-7]，能起到降低損耗和保障電壓質(zhì)量的作用。通過對各種抽油機負(fù)荷特性的大量測試，抽油機電功率實測變化曲線見圖2。

圖2 抽油機電功率實測變化曲線Fig.2 Measured change curve of pumping electric power

1.2 抽油機負(fù)荷分析

基于以上論述分析抽油機分支導(dǎo)線線損，對于一條具有Z臺抽油機的支路，其有功與無功功率計算公式見式（1）：

式中：p為有功功率，kW；q為無功功率，kvar；t為時間，s；Pσ為平均有功功率，kW；Qσ為平均無功功率，kvar；σ為抽油機序數(shù)；ωσ為角頻率，rad/s。

在觀察期間，抽油機自身的沖程周期比觀察期τ短很多[8]，所以將觀察期認(rèn)作抽油機沖程周期的公倍數(shù)，則此條支路內(nèi)的有功線損電量ΔA1與變壓器的固定有功損耗電量ΔA0的計算公式見式（2）：

式中：U為支路電壓，V；UN為額定電壓，V；R為支路電阻，Ω；Sψ為損耗電量，kWh； ΔP0為空載損耗，W。

基于抽油機的負(fù)荷特性[9]，利用損耗電量修正系數(shù)γ調(diào)整導(dǎo)線線損與變壓器線損，以減少誤差，其計算公式分別為：

根據(jù)公式（2）和公式（3），計算出抽油機供電線路的總有功損耗電量ΔAT，公式表達(dá)為：

式中：γ為損耗電量修正系數(shù)； ΔAk(0)為變壓器的可變有功損耗電量，kW； ΔA1(0)為觀察期內(nèi)有功線損電量，kW。

為抽油機供電的線路還為注水泵和其他油田設(shè)施供電，默認(rèn)注水泵負(fù)荷近似不變，其他油田設(shè)施的供電負(fù)荷按平均負(fù)荷考慮，由此對抽油機負(fù)荷進行部分修正，其表達(dá)式為：

式中： ΔAk,1(0)為注水泵有功電損耗，kW； ΔA1,1(0)為其他油田設(shè)施有功電損量，kW； ΔAk,2(0)為變壓器的平均有功電損耗，kW； ΔA1,2(0)為線路的平均有功電損耗，kW。

2 線損計算

基于上述分析結(jié)果，根據(jù)公式（2）~（5）計算各節(jié)點上變壓器的有功電量與無功電量。各節(jié)點上變壓器的有功電量與無功電量見表1。

表1 各節(jié)點上變壓器的有功電量與無功電量Tab.1 Active and reactive energy and power of the transformer at each node

各節(jié)點所在線路的阻抗實測數(shù)值如表2 所示。

表2 線路阻抗數(shù)值Tab.2 Line impedance values

通過計算油田電網(wǎng)線損[10]，可以明確各節(jié)點變壓器損耗的具體狀況，確定需要補償?shù)淖儔浩骶唧w位置，結(jié)合利用潮流計算公式，即可實現(xiàn)無功補償。

3 無功補償優(yōu)化

基于容量確定原則，選擇有利于油田電網(wǎng)系統(tǒng)最小運作方式進行固定補償容量[11]；補償容量模型則是將油田電網(wǎng)運作形式、設(shè)立無功補償裝置的支出成本、油田電網(wǎng)的潮流約束方式、線路的電壓大小以及變壓器安裝位置等因素進行綜合考慮，為使計算的油田年總支出費用為最低，建立最小目標(biāo)函數(shù)。

1）最小目標(biāo)函數(shù)見公式（6）：

式中：Fmin為年支出總費用，元；Ta為補償裝置的維護費用率，%；Tb為補償容量投資，元；Tc為年利潤回收率，%；Tn為安裝補償設(shè)備支出，元；N為補償節(jié)點數(shù)量，個；α為有功電力價格，元/kWh；Kci為補償容量，F(xiàn)；λmax為電網(wǎng)最大電量損耗時間，s；RLi為支路的有功功率消耗，W；i為節(jié)點，m為電量損耗數(shù)量，個。

2）在采集的線路阻抗實測數(shù)值與變壓器的有功電量與無功電量計算結(jié)果基礎(chǔ)上，將油田電網(wǎng)經(jīng)濟性和安全性作為評價電網(wǎng)無功優(yōu)化的首要原則[12]。當(dāng)電壓值在0.8~1.2 約束附近時，電壓安全性較低，為防止電壓安全性變差，降低對電網(wǎng)的經(jīng)濟性考量；當(dāng)電壓值超出0.8~1.2 范圍且距離較遠(yuǎn)時，電壓安全性較高，可以將電網(wǎng)的經(jīng)濟性作為優(yōu)化考量。同時，將主變壓器的變壓比與補償電壓器的電壓比作為控制變量，實行實時無功優(yōu)化，進而獲得油田電網(wǎng)的無功優(yōu)化的控制策略。

無功補償優(yōu)化控制模型為：

式中： minf為目標(biāo)函數(shù)；KPloss為電壓的絕對偏差電網(wǎng)線損率，%；Ploss為電阻或電阻消耗的有功功率，kW；Vnormal為節(jié)點常規(guī)電壓值，V；V i為節(jié)點i的電壓值，V；KV為實際電壓與正常電壓的絕對偏差，V。

3）等式約束條件。油田電網(wǎng)的運作必須要符合潮流方程，以保持功率平衡，即節(jié)點有功功率與無功功率的動態(tài)潮流方程，也可以說是電網(wǎng)補償優(yōu)化模型中的等式約束，潮流方程為：

式中：Pi為節(jié)點注入有功功率，kW；n為節(jié)點數(shù)量，個；Vj為節(jié)點j的電壓值，V；Gij為節(jié)點i和節(jié)點j的電導(dǎo)數(shù)，G；Bij為節(jié)點i和節(jié)點j的電納數(shù)，B；δij為電壓相位差；Qi為節(jié)點注入無功功率，kvar。

在無功補償優(yōu)化模型中，存在兩種變量，一種是狀態(tài)變量，即節(jié)點電壓與進線功率；一種是控制變量，即固定補償容量與動態(tài)固定補償容量。在優(yōu)化過程中，這些變量均應(yīng)該與油田電網(wǎng)的安全運作指標(biāo)相符合，則優(yōu)化模型中不等式約束表達(dá)式為：

式中：Vmin為節(jié)點電壓幅值的最小限度值，V；Vmax為節(jié)點電壓幅值的最大限度值，V； cosφ為進線功率系數(shù)； cmin為功率系數(shù)的最小限度值；QicS為節(jié)點i的無功功率補償容量，kvar；QcSmax為固定補償容量的最大限度值，kvar；QcSmin為固定補償容量的最小限度值，kvar。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為了驗證油田電網(wǎng)無功補償?shù)膭討B(tài)優(yōu)化算法的整體有效性，現(xiàn)針對所提方法進行一系列相關(guān)計算。根據(jù)實驗結(jié)果詳細(xì)證明所提方法的油田電網(wǎng)補償優(yōu)化效果。

4.1 補償優(yōu)化實際應(yīng)用

在研究油田電網(wǎng)運行方式，電費支出等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，調(diào)整用電負(fù)荷運行方式，并結(jié)合更新過的用電設(shè)備，實現(xiàn)油田電網(wǎng)無功補償?shù)膭討B(tài)優(yōu)化。

對單井低壓實施就地補償后，油田110 kV 配電網(wǎng)絡(luò)無功功率波動起伏增加，并且面臨著補償不足的問題。所以在計算出整個油田電網(wǎng)的負(fù)荷后，在110 kV 配電網(wǎng)上選擇恰當(dāng)?shù)奈恢糜糜诎仓酶邏簾o功自動補償設(shè)備。該補償設(shè)備將搜集的油田配電網(wǎng)電流變化狀態(tài)，利用智能控制系統(tǒng)調(diào)整無功補償電容量，改善油田電網(wǎng)過補償和欠補償這一情況。

經(jīng)過就地補償后，油田配電網(wǎng)的功率因數(shù)已經(jīng)符合標(biāo)準(zhǔn)水平，除此之外，變電所一級也需要進行補償，否則將會產(chǎn)生高壓網(wǎng)損，同時，需要對電容和交流接觸器實行定期更換，防止因無功補償帶來的損壞。

結(jié)合油田電網(wǎng)中采油供電線路與負(fù)荷的具體實際情況，在線路的中間部分、末端部分添置高壓無功補償設(shè)備。該方式使油田線路的功率因數(shù)增加了20%，極大地降低了無功功率因數(shù)，并提高了油田電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

目前，油田使用的變壓器主要為高耗能變壓器，并且占比達(dá)到總變壓器的30%，對在用變壓器進行能耗檢測的結(jié)果顯示：相較于目前使用的S9、S10、S11 型變壓器能有效地將空載損耗、負(fù)載損耗降低至32%、25%。

現(xiàn)將120 臺高耗能變壓器改造成節(jié)能變壓器，對變壓器改造前后進行測試并比較，結(jié)果顯示為：更換變壓器后，油田的空載損耗由1.500 kvar降低至0.674 kvar，減少了55.07%；有功功率損耗由2.134 kvar 降低至1.324 kvar，減少了37.96%；運行效率從97.656%增加至97.875%。

通過合理分配變壓器容量與數(shù)量實現(xiàn)變壓器經(jīng)濟合理運作，將5 臺大容量變壓器的一對一供電模式更換成一對多供電方式，并對5 條110 kV 線路變壓器負(fù)荷率和空載率進行檢測，變壓器負(fù)荷率測試結(jié)果見表3、變壓器負(fù)載與空載檢測結(jié)果見表4。

表3 變壓器負(fù)荷率測試結(jié)果Tab.3 Test results of transformer load rate

表4 變壓器負(fù)載與空載檢測臺數(shù)對比Tab.4 Comparison of the number of transformer load and no-load detection units

根據(jù)表3 可知，油田負(fù)載變壓器負(fù)荷率平均約為23.2%?？紤]到變壓器容量選擇的多種因素，根據(jù)抽油機等設(shè)備負(fù)荷特點，通過配置與調(diào)換合適的變壓器，能夠達(dá)到改善變壓器負(fù)荷率的目的。

根據(jù)表4 可知，在測試的5 條油田高壓配電網(wǎng)中，調(diào)整變壓器容量210 臺，總?cè)萘繛?6 032 kVA。其中，負(fù)載變壓器有134 臺，占總數(shù)的63.8%，容量為10 894 kVA，占總?cè)萘康?7.9%；空載變壓器由76 臺，占總數(shù)的36.2%，容量為5 138 kVA，占總?cè)萘康?2.1%。

在不影響抽油機正常生產(chǎn)狀況下，將76 臺100 kVA 大容量變壓器調(diào)整為80 kVA，有效減少變壓器空載損耗。

4.2 無功補償優(yōu)化前后方案評估

將上述無功補償優(yōu)化前后的成本、有功功率損耗、電網(wǎng)線損率和電壓合格率作為評估指標(biāo)，直觀地評判出所提方法的能力。

已知應(yīng)用所提方法無功補償優(yōu)化后，裝置的使用壽命是15 a；最大損耗電量的時間長達(dá)6 800 h；1 a 內(nèi)維護無功補償裝置的系數(shù)是0.002；每臺容量為10 kV，電容器費用約為9 600 元，其投資造價是60 元/kvar；每臺低壓電容器的費用約為8 400 元，其投資造價是45 元/kvar。根據(jù)無功補償優(yōu)化結(jié)果，利用公式（6）對其進行計算，設(shè)備投資費用共需要25.350 萬元。總補償容量為1 125 kvar，則年總維護費用為2.366 萬元，將所有成本與優(yōu)化前的結(jié)果進行對比，優(yōu)化前后的無功補償成本費用見圖3。

圖3 優(yōu)化前后的無功補償成本費用Fig.3 Reactive power compensation cost before and after optimization

分別計算補償前后的有功功率損耗、電網(wǎng)線損率和電壓合格率，將所提方法的結(jié)果與優(yōu)化前結(jié)果進行對比，詳細(xì)評估出所提方法的真實有效性。無功補償優(yōu)化前后的對比見表5。

表5 無功補償優(yōu)化前后的對比Tab.5 Comparison of reactive power compensation before and after optimization

根據(jù)表5 可知，對該電網(wǎng)的線路進行補償后，有功功率損耗下降21.15%，電網(wǎng)線損率下降30.65%，電壓合格率為100%。優(yōu)化后的無功補償在降低運作費用以及提高安全性方面發(fā)揮著重要作用。

5 結(jié)論

1）通過分析抽油機的負(fù)荷特性，得知抽油機的有功功率變化明顯，無功功率幾乎沒有改變，因此可以按照負(fù)荷平均有功功率對無功電量展開計算，并采取固定電容器的方式進行無功補償，減少線路上的無功功率。同時，在計算51 臺變壓器節(jié)點的線損過程中，應(yīng)當(dāng)考慮抽油機負(fù)荷周期的波動性，否則會導(dǎo)致線路損耗分析結(jié)果低于實際值。

2）根據(jù)容量確定原則進行無功補償原則，是根據(jù)對具體的補償方式和方法進行優(yōu)化分析得出的，統(tǒng)計并更換需要淘汰的變壓器120 臺，減少支路中無功功率的輸送，同時運行效率從97.656%增加至97.875%，降低支路上所形成的無功損耗，有效減少了55.07%的無功損耗，從而提升油田電網(wǎng)系統(tǒng)的運行功能。

3）電網(wǎng)無功優(yōu)化的首要原則是油田電網(wǎng)經(jīng)濟性和安全性，通過調(diào)整油田電網(wǎng)的運作方式、安裝電容裝置、節(jié)點的補償容量、補償位置以及補償方式是實現(xiàn)油田電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化的最佳方法，同時，必須要結(jié)合配電系統(tǒng)的實際狀況，有利于調(diào)節(jié)和控制電力系統(tǒng)的電壓，使得經(jīng)濟利益達(dá)到最大化。