油田配電網(wǎng)損耗影響因素仿真分析

王 浩，劉 軍，嚴 川，李 煒，石小滿，仉志華

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

0 引言

電力是油田生產(chǎn)的主要動力來源，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)復雜、設(shè)備種類繁多；井場采油設(shè)備普遍存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象[2]，導致正常運行時多數(shù)線路處于輕載狀態(tài)。同時，配電網(wǎng)隨著油田區(qū)塊開發(fā)滾動發(fā)展，拓撲結(jié)構(gòu)日益復雜、設(shè)備新舊不一，導致網(wǎng)損率較高。網(wǎng)損率是用電企業(yè)的重要經(jīng)濟指標，降低網(wǎng)損率已成為油田各部門普遍關(guān)注的問題。

為了更好的解決問題，跟進配電網(wǎng)發(fā)展，許多學者在網(wǎng)損優(yōu)化方面開展了大量研究。目前，常見的降低油田配電網(wǎng)有功損耗的措施[3]包括：變壓器優(yōu)化與科學定容；合理部署無功補償裝置[4]；適當提高線路電壓運行水平；合理規(guī)劃配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等。文獻[5]說明了S9、S11和S13新舊三個系列變壓器之間的損耗差距以及其對配電網(wǎng)損耗的影響；文獻[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[7]提出遺傳粒子群算法，討論無功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)相結(jié)合下的網(wǎng)損優(yōu)化；文獻[8]提出一種基于人工蜂群算法(ABC)來確定分段開關(guān)投入運行的方法，改變配電網(wǎng)分段開關(guān)的狀態(tài)實現(xiàn)配電系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；文獻[9～10]討論基于“源網(wǎng)荷”互動的協(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配電網(wǎng)帶來的隨機性，文獻[11]綜合考慮分布式電源隨機注入功率和場景變化，提出基于信息物理融合的多源配電網(wǎng)動態(tài)潮流網(wǎng)損分析方法。文獻[12]考慮了諧波影響下的電網(wǎng)網(wǎng)損計算方法；文獻[13]提出基于網(wǎng)損靈敏度方差的配電網(wǎng)分布式儲能位置和容量優(yōu)化配置方法，實現(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，并進一步根據(jù)IEEE算例驗證方案的有效性和合理性。

本文針對油田配電網(wǎng)實例，結(jié)合具體油田配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)與設(shè)備參數(shù)，并考慮油田負荷運行特點，建立配電網(wǎng)分析模型；基于Matlab仿真平臺，定量分析具體情況下影響網(wǎng)損的主要因素，仿真分析對應(yīng)降損策略的節(jié)能空間與有效性。

1 油田配電網(wǎng)特點

配電系統(tǒng)網(wǎng)損率與多種因素有關(guān)[14-15]，系統(tǒng)的運行方式、變電站與負荷的距離、變壓器損耗、線路損耗以及管理措施等都會對系統(tǒng)的網(wǎng)損率產(chǎn)生影響，基于油田配電網(wǎng)的實際，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本身功率因數(shù)較低等原因，是導致油田配電網(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例，如圖1所示，按照油田配電網(wǎng)實際情況，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

南二線的電壓等級為6kV，線路全長7.14 km，架空線采用LJ-120導線。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，會對系統(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，舊型號變壓器因為長期使用、設(shè)備維護等原因，其不變損耗部分要較新型變壓器高很多。

油井抽油機的負荷曲線較常規(guī)負荷有所不同，通過對抽油機負荷特性的大量測試表明，各種抽油機負荷功率變化曲線很相似。圖2為一個典型的抽油機負荷功率變化曲線圖[16]。

圖2 抽油機的功率變化曲線

由圖2可以看出，在一個上下沖程周期內(nèi), 抽油機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，而無功功率的變化相對平穩(wěn)，波動程度較低。

在未采取無功補償措施的情況下，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，個別油井的功率因數(shù)在0.2以下。實際生產(chǎn)中，油田配電網(wǎng)的抽油機大部分已進行就地補償，實際的功率因數(shù)較理論有提升。由于抽油機的有功功率在一個沖程周期內(nèi)變化很大，從瞬時有功功率考慮，有功功率從額定值到很小的數(shù)值都有可能出現(xiàn)，甚至會出現(xiàn)功率為負的情況，抽油機倒發(fā)電。又因為無功較為恒定，根據(jù)公式(1)[17]，抽油機的功率因數(shù)受有功功率波動影響較大，導致抽油機電機的功率因數(shù)不固定，實際計算網(wǎng)損時要綜合考慮

(1)

在進行網(wǎng)損分析時，應(yīng)直接按照實際情況考慮，認為抽油機在一個較高的功率因數(shù)下運行，同時考慮到瞬時有功功率的波動性，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，討論不同降損策略對系統(tǒng)網(wǎng)損的影響，分析各策略的有效性。

2.1 負荷功率因數(shù)影響分析

油田抽油機運行時功率因數(shù)較低，一般會采用一定的無功補償措施，提高電機的功率因數(shù)，在南二線的典型情況中，將抽油機的功率因數(shù)設(shè)置為0.6。當前油田配電網(wǎng)中主要采用中壓分散補償與抽油機側(cè)無功就地補償相結(jié)合的方式，盡可能實現(xiàn)無功功率合理分配，盡量減少系統(tǒng)中的無功功率流動引起的損耗?，F(xiàn)改變潮流計算模型中抽油機運行時的功率因數(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)對系統(tǒng)網(wǎng)損率的影響。負荷的功率因數(shù)由有功功率和無功功率兩方面決定，現(xiàn)分情況討論不同因素變化時系統(tǒng)網(wǎng)損率的變化。

(1)改變負荷有功功率

當負荷的有功功率改變而無功功率不變時，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)對網(wǎng)損率的影響(P改變)

由圖3可知，典型情況時，抽油機的功率因數(shù)為0.6，此時系統(tǒng)的網(wǎng)損率為8.598 9%，當抽油機的功率因數(shù)降低時，系統(tǒng)的網(wǎng)損率隨抽油機功率因數(shù)的降低而升高，此時，系統(tǒng)的網(wǎng)損率為11.780 6%，較典型情況提高了3.181 7%(因抽油機本身的工作特性，以及現(xiàn)場本身存在一定的無功補償措施，故只分析到cosφ=0.4的情況，不再繼續(xù)降低功率因數(shù))。當抽油機的功率因數(shù)提高時，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，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%。通過分析可得，抽油機運行時的功率因數(shù)過高或過低都會提高系統(tǒng)的網(wǎng)損率，在cosφ=0.8時，系統(tǒng)網(wǎng)損率下降最明顯。

(2)改變負荷無功功率

當負荷的無功功率改變而有功功率不變時，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)對網(wǎng)損率的影響(Q改變)

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

通過對比可知，受抽油機類負荷運行特點的影響，配電線路上的有功功率波動較大而無功功率變化較小，但二者導致功率因數(shù)變化影響網(wǎng)損的結(jié)果不同，有功功率波動引起功率因數(shù)及網(wǎng)損周期變化，但無法調(diào)控；無功功率相對穩(wěn)定，通過改變負荷無功來提高功率因數(shù)的方式對降低系統(tǒng)網(wǎng)損的效果明顯。

2.2 低壓側(cè)線路影響分析

在南二線的實際運行中，變壓器負荷側(cè)存在少量的低壓架空線，低壓架空線的導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LJ-120，根據(jù)低壓線路的長度及所連接負荷的功率等要求，可以計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)。對于南二線而言，線路中總共有135個負荷節(jié)點，而變壓器低壓側(cè)線路要遠少于這個數(shù)量，對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)量要遠少于其他配電線路。對于某油田的中二線，其配電系統(tǒng)的典型網(wǎng)損率為8.217 3%，共有123個負荷節(jié)點，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。由此說明，低壓側(cè)線路對油田配電網(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)實際情況合理討論。

2.3 變壓器型號影響分析

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部分，由于變壓器更新?lián)Q代的經(jīng)濟成本等原因，大部分油田配電網(wǎng)的變壓器型號相對較老，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%較新型號變壓器相比無變化，而空載損耗ΔP0及空載電流的百分值Is%會比新型變壓器的數(shù)值更高，由公式(2)可知[17]，舊型號變壓器較新型號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型導線，其在20 ℃時的單位直流電阻為0.237 3 Ω/km，而實際使用中，由于集膚效應(yīng)等原因，交流電阻略大于直流電阻，同時，導線運行溫度也不是時刻保持常溫，需要對電阻值進行溫度修正，具體如公式(3)[17]，所以導致實際的線路電阻會大于計算得到的理論電阻值

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

(3)

式中rt、r20——導線溫度為t和20 ℃時的電阻；

a——電阻溫度系數(shù)/1·℃-1，取0.003 6。

同時，經(jīng)現(xiàn)場測試，腐蝕情況比較嚴重的線路，其架空線路單位電阻值能到達理論值的兩倍及以上。在典型情況中，模擬現(xiàn)場情況，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網(wǎng)損率的影響。在實際生產(chǎn)中，自然腐蝕等因素對架空線路的電抗值影響較小，此處進行線路改造的研究時，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?？梢钥闯觯S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，當達到理論計算值0.23 Ω/km(即單位電阻值最小的情況)時，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，適當提高電壓可以有效減小電流，進而減小電流在網(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算的數(shù)據(jù)庫按照參數(shù)的標幺值計算，現(xiàn)將線路的電壓等級從6 kV升壓到10 kV，功率基準值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)

而因為標幺值的原因，升壓主要是導致中壓架空線路的阻抗標幺值發(fā)生變化。線路升壓為10 kV后，數(shù)學模型等效認為線路的阻抗減小，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比，研究油田區(qū)域配電網(wǎng)優(yōu)化降損功能實現(xiàn)方法，對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，取網(wǎng)損率最低的數(shù)據(jù)作對比)。

由表1可知，南二線的五種降損策略中，通過補償無功來提高功率因數(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)是基于無功補償?shù)焦β室驍?shù)為0.95的情況，實際很難達到；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，對于南二線油田配電系統(tǒng)來說，采用無功補償提高功率因數(shù)、更新變壓器、中壓線路改造及提高電壓等級的降損策略都較為有效，而變壓器低壓側(cè)線路對系統(tǒng)網(wǎng)損率影響不大。

表1 不同降損策略對比分析

4 結(jié)論

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

以上降損措施在實際應(yīng)用中需要綜合考慮優(yōu)化成本問題，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)。對于提高油田配電網(wǎng)運行效率、增強供電能力、減少采油廠綜合用能成本，具有重要意義。