刘 军，董浩东，仉志华，邹 兵

（1.中国石化集团胜利石油管理局有限公司，山东 东营 257000；2.中国石油大学（华东）新能源学院，山东 青岛 266580；3.中国石化股份胜利油田分公司运行管理中心，山东 东营 257000）

0 引言

随着油区敏感用电设备的逐渐增多，电压暂降的影响越来越大［1-5］，相比于长时间供电中断的事故而言，电压暂降具有发生频率高、事故危害大、事故原因不易察觉等特点，一旦发生电压暂降现象，会引起诸如交流接触器、继电器的非正常脱扣或者低电压保护动作跳闸、变频控制器的非正常工作［6-9］，严重影响了油田稳定生产。

目前，现场采用的电压暂降治理装置主要有两种类型：1）接触器保持型［10-14］。在电压暂降期间通过电容等储能元件，为接触器线圈提供电压，保持接触器的吸合，进而保证抽油机不停电。对于抽油机这类交变载荷，如果载荷在暂降期间增加，其电流也会增大，会在线路上引起更大的电压降，扩大事故停井范围；2）来电自启动型［15-17］。在电压暂降发生后，先断开接触器，待监测到系统电压恢复后，启动抽油机。但是当电压恢复时，安装此类装置的抽油机同时启动电流会很大，有可能扩展成为线路保护跳闸，导致整条线路停电。而造成上述问题的主要原因是装置间缺乏系统性，各自独立运行，没有根据电压暂降幅值、电网运行方式、故障类型等进行装置之间的协同控制。

现阶段，国内外针对电能质量治理装置的协同控制已进行了多方面的研究，文献［18］-文献［20］根据治理装置特性，结合敏感设备的耐受能力，对设备进行分级、分组治理。文献［21］-文献［23］通过设计治理装置间的协同控制模块使台区内各电能质量治理装置互相通信、协同控制。文献［24］-文献［26］提出一种由底层分布式新能源发电装置与上层微电网中央控制器组成的二级协同控制方法，对网内电压进行调控。文献［27］-文献［29］提出一种通过智能协调单元控制智能电容器和有源电力电子装置协同工作的用户侧智能型电能质量综合治理方法。文献［30］-文献［32］提出一种储能装置与新能源发电协同控制的方法，对电网电压波动进行有效控制。油田电网与地方电网的区别主要在于用电负荷不同，抽油机运行惯性大，电动机作为驱动设备，对电压暂降以及电压恢复过程的影响很大，而现有方法都未考虑负荷运行特性，具有油田特色的治理装置协同控制方法研究尚属空白。

本文提出了一种基于云-边结合的油田配电网负荷侧电压暂降治理装置协同控制方法，考虑负荷运行特性，通过云平台实现集中优化决策，利用治理终端实现分布执行，自适应形成不脱网与重启的动作边界条件，实现不同暂降类型和暂降深度下的负荷柔性调节；根据所在区域的油井产量差异，建立抽油机井群保供优先级别以及脱网负荷的自启动批次，对于稳定油田生产具有重要意义。

1 基于云-边结合的治理装置协同控制方法

本文所提电压暂降治理装置协同控制系统设计示意图如图1 所示，云平台与治理终端通过通信网络传递信息。

图1 电压暂降治理装置协同控制系统设计示意图Fig.1 Schematic diagram of collaborative control system design for voltage sag control device

1.1 自适应形成电动机脱网与不脱网动作边界条件

1.1.1 基于云平台的集中优化决策

1）以线路出口电流保护定值为约束条件

电压暂降时，暂降越限终端上传信息给主站，主站结合配电网拓扑结构，自动形成电压暂降凹陷区域。结合线路出口保护定值、电动机自启动系数和电压暂降未越限终端负荷总电流，算出电压暂降凹陷区域内负荷的最大保持数量：

式（1）中，Smax是负荷最大保持数量为第i条线路电流保护定值，mi为第i条出线上的电动机台数；Iload.ij代表第i条出线第j台电机负荷电流，kij为相应电机的电压暂降越限信息，是0-1 的离散量，1 代表电压暂降越限终端，0 代表未越限终端，KSS为电动机自启动系数，IN为电动机额定电流。

2）以油井产量影响最低为目标函数

结合油田配电网各出线所带电机数量有限以及计算机运算速度快、精确度高的特点，采用枚举法确定脱网油井集合，根据负荷保持数量及其所在区域的油井产量差异，建立抽油机井群脱网优先集合。

式（2）中，Yij为系统第i条出线上的第j口油井的产油量，k'ij为相应油井的电机运行状态信息，是0-1 离散量，1 代表脱网停机终端，0 代表保持并网终端；n为线路条数，f为脱网负荷产油量函数。

1.1.2 基于治理终端的分布自主执行

凹陷区域内收到脱网指令的负荷脱网停机，其余负荷继续保持并网运行。

1.2 脱网负荷的分批自启动

油田脱网负荷的分批自启动流程如下：

1）基于云平台的集中优化决策

①以线路出口电流保护定值为约束条件

式（3）中，S'max是最大重启数量。

②以油井产量恢复最大为目标函数

根据最大启动数量，将脱网油井按照日产油量等信息排序，优先启动重要等级高的负荷。

2）基于治理终端的分布自主执行

结合实测电压恢复情况，当所有并网负荷电压都恢复到0.9UN之后，再执行主站下达的重启指令。

2 算例分析

本文对图2 所示油田某区域配电网进行算例分析，建立PSCAD仿真模型，各条出线数据信息如表1所示，线路5 发生三相短路，故障持续时间为0.5 s，过渡电阻0.1 Ω，以线路1 为仿真分析对象，其线路拓扑结构如图3所示，表2表示所带油井日产油量信息，仿真验证所提方法的可行性。

图2 油田区域配电网简化分析模型Fig.2 Simplified analysis model of oil field regional distribution network

图3 线路1拓扑结构图Fig.3 Topological structure diagram of line 1

表1 各出线数据信息表Table 1 Data information sheet for each outgoing line

表2 线路1油井日产油量Table 2 Daily oil production of line 1 oil well

按照负荷机端电压0.8 p.u.为边界划分电压暂降凹陷区域，如图3所示，暂降越限电机数量为45台。

1.2.1 干预方法 两组患者均维持常规抗精神药物治疗和常规生活护理、健康宣教和康复指导。干预组在常规护理基础上给予团体社交技能训练。

2.1 现有装置安装常规方法

油田电压暂降治理装置一般分为两种：接触器保持型和来电自启动型，现在按照随机分布的方法分配两种类型的治理装置，电压暂降凹陷区域内会存在两种情况：①接触器保持型数量占优；②来电自启动型数量占优，本文对这两种情况进行仿真分析。

1）设置凹陷区域内接触器保持型治理装置30台，来电自启动型16台，电压暂降后仿真结果如图4-图5所示。

图4 接触器保持型负荷机端电压Fig.4 Contactor holding type load terminal voltage

图5 来电自启动型负荷机端电压Fig.5 Self-starting load terminal voltage of incoming call

由图4-图5 可得，该场景下凹陷区域内大多数电机在故障期间保持并网，小部分电机脱网。电压恢复时，电流较大在线路上引起更大的电压降，导致恢复失败，电机处于低电压运行状态，对设备造成损坏。假设低电压运行持续时间30 min，产油量按照正常运行时的80%计算，则影响产油量2.261 6 t（如表3）。

表3 线路1数据信息Table 3 Line 1 data information

2）设置凹陷区域内接触器保持型治理装置16台，来电自启动型30台，电压暂降后仿真结果如图6-图7所示。

图6 接触器保持型负荷机端电压Fig.6 Contactor holding type load terminal voltage

由图6-图7 可得，该场景下凹陷区域内大多数电机在故障期间脱网停机，小部分电机保持并网；电压恢复时，大批电机同时重启，启动电流很大引起电压暂降恢复失败，扩展成为线路保护跳闸，导致整条线路大量油井停电，严重影响油田生产。假设停机到恢复启动需要30 min，则影响产油量2.827 t（如表4）。

图7 来电自启动型负荷机端电压Fig.7 Self-starting load terminal voltage of incoming call

表4 线路1数据信息Table 4 Line 1 data information

2.2 协同控制治理方法仿真

考虑油田生产中电动机功率不一，本文选取平均功率45 kW 计算；正常运行时电动机功率按照额定功率的50%计算，设备相关参数如表5所示。

表5 设备相关参数表Table 5 Equipment related parameter table

1）电压暂降后，根据公式（1）和表5参数计算出凹陷区域内负荷最大保持数量：16台。

2）以油井产量影响最低为目标函数，根据式（2）确定电压暂降凹陷区域内离网与并网负荷集合。

3）当所有保持并网的负荷机端电压都恢复到0.9UN之后，重新计算线路剩余负荷电流为42.56 A，根据式（3）和表5 参数计算出停机负荷的分批最大重启数量：15台。

4）以油井产量恢复最大为目标函数，根据式（4）确定分批次重新启动负荷集合。

电压暂降凹陷区域内保持并网负荷与各批次启动负荷集合如表6所示。

表6 并网负荷与各批次启动负荷集合Table 6 Grid-connected load and batch start-up load collection

保持并网负荷以及各批次重启负荷机端电压有效值（p.u.）波形如图8-图10所示，相关参数信息如表7-表9所示。

图8 保持并网负荷机端电压Fig.8 Maintain terminal voltage of grid-connected load

图9 脱网负荷一批自启动机端电压Fig.9 The first batch of off-grid load self-starting machine terminal voltage

图10 脱网负荷二批自启动机端电压Fig.10 The second batch of off-grid load self-starting machine terminal voltage

表7 保持并网负荷Table 7 Maintain grid load

表8 第一批重启负荷Table 8 The first batch of restart loads

表9 第二批重启负荷Table 9 The second batch of restart load

考虑暂降持续时间和电机重启时间以秒计算，影响的油井产量可以忽略不计，本文所提方法对减少油井产油量起到很好的效果。

综上，仿真对比验证了本文所提协同控制治理方法的可行性。

4 结论

本文提出一种基于云-边结合的油田区域配电网电压暂降治理装置协同控制方法，通过算例分析证明了该方法能够有效解决油区电压暂降治理装置缺乏系统性的问题，合理地实现装置之间的协同控制，减少电压暂降对油田生产的影响，具有重要的工程实际意义。