1.3.2　關鍵技術及創新點

潿西南油田群電力組網是中海油首個成功實現海上分布式電站聯網的供電技術，經過長時間的技術攻關和現場實踐，共獲得5項國家發明專利、4項國家實用新型專利和9項關鍵技術。5項國家發明專利包括海上電網的能量管理系統、海上石油平臺電力組網用的海底電纜、一種動態無功補償器的控制系統及其控制方法、海上油田群電網的功率優化控制方法、海上石油平臺電網智能控制方法。4項國家實用新型專利包括海上石油平臺電力組網系統、海上平臺電網的快速動態無功自動補償裝置、海上平臺電網的快速限流熔斷器、用于在海洋平臺電網中濾除諧波電流的系統。9項關鍵技術包括：首次在海底電纜設計中使用鋼絲絞鋼管技術確保光纖完好，為電力組網提供安全的通信“通道”；國內首次海上平臺電網應用涌流抑制器技術，解決了勵磁涌流對電網的沖擊影響；國內首次海上應用電網快速動態無功裝置（SVG），解決了區域無功治理；在線諧波治理技術的應用，解決了區域諧波對電網的影響；國內首次海上應用智能MCC控制技術，提高了MCC智能化水平；選用35kV充氣式開關柜，大量節省空間；國內首次海上應用快速限流熔斷技術，保障電網的特殊運行條件；首創能量管理系統（EMS）對海上平臺電網運行進行監測和控制；通過調研及調試總結，建立了一套適合海上油田的電網調度及操作管理系統。

1.3.2.1　國內首創“能量管理系統（EMS）”保障海上電網安全運行

（1）背景

陸上電網由SCADA/EMS系統完成電網頻率及聯絡線功率交換的控制，由在線安全穩定控制系統完成故障情況下電網的穩定控制，由電站綜合自動化系統提升電站自動化水平以減少運行人員配置。這些系統對于油田群孤立小電網顯得龐大而復雜，不僅投資大，還需配備大量的運行維護人員。針對海上石油平臺電網與陸上電網的不同，特別是石油平臺生產的特殊性，海上油田群電網必須比陸上電網自動化程度要求更高、實時性更強、功能更高度集成、通道速率更高，信息傳輸實時性為毫秒級。為此，本設計創造性地提出能量管理系統（EMS）解決方案，很好地滿足了油田群電網安全穩定控制的需要。

（2）創新型的能量管理系統（EMS）設計

本設計創造性提出了適合海上電網的能量管理系統（EMS）獨特的網絡結構，形成了獨特的能量管理系統（EMS）通道組織，設計了能量管理系統（EMS）完善的控制策略，實現了海上電網監控、運行、安穩和控制的功能。其主要創新點如下：

① 獨特的通信網絡結構設計　EMS通信網絡包括信息層、站控層和間隔層，采用多種創新手段保證電網通信的安全性和實時性，圖1-10為電網EMS網絡架構示意圖。

② 獨特的創新設計保證數據通信安全性

a.EMS的信息層、控制層分別采用光纖雙網結構，每層采用4個100Mbit/s光纖通道，光纖芯由各平臺之間的海底光纖復合電纜提供。

b.硬件設施實現雙冗余設計，包括數據交換機、PLC處理器和服務器。

c.軟件冗余，包括服務器軟件冗余。

③ 電網負荷在線控制和調節　電網在線控制包括負荷預測、電網自動平衡和發電機組運行控制。其核心控制目標包括：維持系統頻率在（50±0.2）Hz范圍內；維持系統的時鐘誤差，保證調節實時性和準確性；維持各平臺的海底電纜的凈交換功率；按照潮流安全控制要求調整機組出力，滿足電網自動平衡。

電網的有功自動調節可以實現：等比率模式調節，實現大機組多帶負載，小機組少帶負載，優化機組帶載。調度模式調節，人為給定機組固定帶載數值。單平臺模式調節，適用于某個電站脫離電網單獨運行工況下的調節。

電網的無功自動調節可以實現：等比率模式調節，實現大機組多帶負載，小機組少帶負載，優化機組帶載。調度模式調節，人為給定機組固定帶載數值。單平臺模式調節，適用于某個電站脫離電網單獨運行工況下的調節。SVG調節模式，基于W111發電機組功率因數控制SVG輸出無功數值。

（3）運行效果及應用

新型能量管理系統（EMS）的實施，大大提高了潿西南油田群電力系統的安全可靠性，電網運行近七年來，已經成功避免了32次由于發電機組關停而造成整個油田關停的停產事故。項目的創新技術成果已經成功推廣應用到所有海上石油平臺電力組網項目，如綏中36-1電力聯網項目、錦州25-1電力聯網項目等。

1.3.2.2　國內首創“海上電網智能控制中心”保障海上電網安全運行

（1）背景

由于海上石油平臺聯網電力系統分布遼闊、對象眾多、信息量巨大、控制目標眾多等特點，利用人工處理電力系統運行中出現的問題達到最優控制的目的已不太現實。海上電網智能控制中心采用先進的計算機技術、通信技術和控制技術，通過全局分析電力系統的運行狀態，實行實時全局最優控制，可以實現電力系統安全、可靠、優質、經濟運行的最終目標。為實現電力系統運行的最終目標，控制中心需對系統進行建模、拓撲分析、狀態估計、潮流計算、最優潮流等一系列分析計算，實現基于準穩態數據的“監測-預警-優化-控制”一體化智能監控中心功能，包括以下幾方面：

① 將EMS測量與系統模型相結合，采用在線狀態估計，提升電網潮流監視的精確性。

② 實現對電網整體運行性能（網損、無功分區平衡性、電壓和頻率相關的電能質量等）的評估與分析。

③ 提供關鍵設備（機組、海纜）和電網整體功率裕度的預警功能。

④ 優化潮流分析，提供在線優化運行方式建議。

⑤ 優化機組功率控制，提供發電調度策略。

⑥ 優化無功-電壓控制。

⑦ 集成包括機組功率調度和電壓-無功調節的功率協調控制，實現電網的自趨優運行，降低網損和排放，提高電網安全穩定性和運行效率。

⑧ 研究基于準穩態功率平衡的緊急控制（優先脫扣）在線預決策方法，提高策略適應性和系統安全性，降低控制保守度。

⑨ 配合STATCOM的裝置級多目標控制策略和系統級協調控制策略的設計與分析。

（2）“海上電網智能控制中心”主要創新點

本設計創造性地提出了適合海上電網智能控制的獨特設計思路，設計了完善的控制策略，實現了海上電網智能控制的目標和功能。其主要創新點如下：

① 性能指標在線分析、監測與預警功能　從安全性和經濟性的角度，根據能量管理系統EMS實測或在線狀態估計結果，對電網運行性能進行定量指標化監測、分析與預警。其具體實施方案如下：

a.研究海上油田群電網運行的準穩態性能指標體系，其中安全性指標包括無功功率分區平衡度、電壓偏差度、熱備用裕度、冷備用裕度、各機組有功/無功功率裕度、海纜熱穩定裕度、電網機組間最大相角差；經濟性指標包括電網損耗、燃料消耗等。

b.研究各性能指標的計算方法。

c.各性能指標算法的分析與驗證。

d.設計各性能指標的門檻值。

e.各性能指標的在線監測與呈現方法。

f.各性能指標的預警分析。

② 海上油田群電網的潮流優化分析和控制功能　潮流優化的目標主要包括經濟型指標和運行質量類指標，具體包括發電燃料費用（發電成本）、系統有功網損、電壓殘差指標。這三個指標不同的線性組合可以得到不同的優化目標，系統的優化結果也將有所差別。用戶可以設置三個指標的權重，經過設計好的軟件程序計算出需要達到這個效果的電網運行情況，指導運行人員對電網進行調整。

針對潿西南油田群的實際需求，對電網進行了潮流優化分析。具體包括以下幾方面：

a.將系統的有功網損、發電燃料費用、系統電壓殘差作為可選的優化目標。

b.系統中的可控量包括發電機的出力、變壓器變比、電抗器、SVG無功功率等。

c.潮流優化的數學模型是典型的多約束非線性優化模型，采用原-對偶內點法作為求解算法。

d.針對可控變量中的離散變量，先將其視為連續變量，然后采用分步規整法，按照一定的順序分別對各變量進行就近規整，仿真結果表明，該方法可以有效處理離散變量。

e.在IntelliJ IDEA平臺上進行潮流優化程序的編寫，同時采用IPOPT的程序包進行原-對偶內點法的求解。

f.為增加程序的靈活性，加入用戶控制信息，將程序中的部分變量（如發電機的最大最小出力、變壓器變比最大最小值、電抗器是否可調等）作為用戶可調信息。

③ 潿西南油田群電網的研究態功能　所謂研究態是指在系統當前運行方式下，根據運行操作人員的假想操作，計算分析執行該假想操作后系統的運行狀態，并對該狀態（操作后的系統狀態）進行評估，同時給出與此操作相關的指導建議。由于此分析以運行操作人員的假想操作為背景，通過電力系統數學模型對其進行模擬，分析電力系統下一個時間斷面的運行情況，而并非真正實時的電力系統運行狀態，因此稱為研究態。結合電網實際情況從以下三個方面對研究態做相關分析：

a.特定大型電動機啟動分析　電網的小容量與單臺電動機的大容量是海上油田群電網的突出矛盾。海上石油平臺上的負荷相對固定，而且每條母線上所連的電動機負載也是確定的。同時，有時操作人員更關心系統是否允許某臺特定的電動機啟動。因此研究系統是否允許某臺特定的電動機在特定地點啟動，為操作人員提供明確的指導信息（即該電動機是否允許啟動：如允許啟動，則提示允許；如不允許啟動，則說明原因），可以更好地指導運行人員進行操作。

b.啟停機組或調整負荷后系統的潮流分布　在啟停機組或負荷后，系統將出現功率缺額，發電機的出力也將發生較大的變化。在傳統潮流計算中該部分功率缺額全部由V/θ節點（平衡節點或松弛節點）提供。但實際情況卻是一部分功率缺額由負荷的頻率特性來承擔，而大部分功率缺額將由發電機的調速系統的動作來平衡。因此正確地反映系統啟停機組或負荷后系統的潮流分布，可以全面提高運行人員對系統認識的準確性。

c.最優潮流在研究態下的單步/多步實施校驗　最優潮流分析功能可以保證潿西南油田群電網的安全、可靠、經濟、優質運行，但最優潮流給出的是系統所要執行的所有控制信息，并沒有時序之分。在具體操作中如何一步一步地實施，需要運行人員根據經驗完成。這不僅加重了運行人員的工作負擔，同時也為電網的安全運行埋下了隱患。因此，在研究態中單步/多步地仿真最優潮流的控制，不僅可以極大地改善運行人員的工作環境，同時也會提高系統運行的安全性。系統運行人員根據最優潮流的控制信息，輸入將要對系統實施的單步/多步操作，計算分析生成操作后系統的運行狀態，并校驗該狀態是否能夠滿足運行要求，給出相關信息指導運行人員進行操作。

④ 海上油田群電網的緊急控制策略研究　海上油田群電網發生事故擾動后通過相應的減負荷措施即可使系統恢復穩定。由于燃氣輪機組的快速調節特性，當系統負荷發生變化后，機組可以迅速調節出力，以滿足發電與負荷的平衡。因此對于目前海上油田群電網的緊急控制系統可以不單獨考慮暫態、電壓等動態穩定性，而將這些動態影響在一定程度上包括在穩定裕度中，主要考慮發生故障后系統的負荷與發電功率的平衡，對應的緊急控制系統的主要措施是切負荷，又稱為優先脫扣。因此，海上油田群電網緊急控制策略的核心可以轉化為包括潮流約束在內的多約束切負荷策略優化問題。

緊急控制的過程可以分為三部分：參數收集、策略表生成、執行控制。整體來說緊急控制的過程如下所示：

a.參數收集　參數收集即收集電網當前的運行參數，確定當前的運行方式、接線方式等，確定系統的整體結構。這是在線預決策的第一步，也是保證策略表正確的前提。參數收集是一個周期性的工作，在電網運行方式不發生突變的假設前提下，每隔一段時間（如5min）進行參數收集，更新數據。

b.策略表生成　策略表的生成是緊急控制的核心內容，即在收集到所需的數據后，首先分析出系統可能存在的故障類型，即N-1、N-2或多機切機以及不同的系統解列故障，然后對不同類型的故障進行掃描計算，尋找到對應的最優策略，生成當前運行參數對應的策略表。并判斷收集的參數是否有刷新，當檢測到數據刷新的信號后，重新生成策略表。

c.執行控制　執行控制是緊急控制的實現版塊，對當前電網的事故擾動進行判斷，然后根據當前電網的事故擾動類型，在策略表中搜索匹配的控制策略，指導系統的運行。執行控制是緊急控制有效實行的有力保證。

（3）運行效果及應用

海上油田群電網“監測-預警-優化-控制”一體化智能控制中心是現有油田群電網信息系統的提升，目標是實現電網“監測-預警-優化-控制”功能的一體化、模型化、在線化和智能化，從而保證電網的安全穩定和經濟高效運行。

1.3.2.3　創新型海底電纜設計和成功應用保障了電力組網的通信“通道”

（1）背景

傳統的復合型海纜設計通常為不銹鋼套管內帶光纖的方式，不銹鋼套管由軟填料固定在電纜與外鋼絲鎧裝間三角形區域內，在海底電纜成纜過程中，運輸、施工過程中極易損壞光纖，給后續的電力系統建設帶來不小的麻煩，如W12-1油田B平臺的海纜，在施工過程中將其10根光纖損壞7根，嚴重影響了W12-1A平臺和W12-1B平臺的生產管理系統和電力系統建設。本技術的海底電纜截面較大，為3×185mm²，電纜也長達32.5km，整根電纜質量達到1298t。同時，海纜敷設的潿洲海域為漁區，海纜敷設方式為挖溝0.7m進行敷設，這些都對光纖的保護提出更高的難度。而本技術中，光纖是整個電力組網項目的“神經”，不僅電網安全控制系統需要它，而且將來潿西南油田區域內的采油自動化建設、數字化油田的建設都必須依靠它，所以，海底電纜的光纖非常重要。為此，在原有海底電纜設計的基礎上，本技術創新性地進行了海底電纜的設計以滿足對光纖保護的要求。

（2）創新性的海底電纜設計

將24根光纖分兩股對稱分布在電纜的兩側，以使海纜在異常彎曲的情況下依然能夠保護好其中一側的那股光纖，復合海纜截面示意圖如圖1-11所示。

在光纖的不銹鋼松套管外面，創造性地設計了兩圈方向相反鎧裝的磷化鋼絲，大大加強了光纖不銹鋼松套管的硬度和抗扭能力，光纖截面示意圖如圖1-12所示。

在以往的海底電纜設計中，電纜、光纖不銹鋼松套管之間的填料通常為軟填料，常常導致海底電纜成纜過程中，將軟填料和光纖不銹鋼松套管擠進電纜間的情況，導致光纖損壞。本技術國內首創光纖不銹鋼松套管的“鳥巢”結構設計形式：將電纜、光纖不銹鋼松套管之間的軟填料設計成模式的硬填料，并根據不銹鋼松套管的實際大小在硬填料中設計合適的“鳥巢”，從而更好地保護光纖。

（3）應用效果

海底電纜制造完成后，經過取樣進行拉伸強度、彎曲等破壞性實驗，電纜允許使用最大張力達110kN；電纜允許最大側壓力達3000N/m；電纜彎曲剛度達0.15 kg/mm²；允許最小彎曲半徑：敷設中2720mm，運行中2040mm；張力彎曲后光纖殘余衰減≤0.02dB，遠遠優于通常復合型海纜設計的0.05dB。本技術施工完成后，經光纖檢測測試，24根光纖完好，光纜衰減量完全達標。

潿西南油田群電力組網項目的海底電纜設計中，國內首創海纜光纖結構形式設計，保障了電力組網的安全通信“通道”，在我國海上海底電纜的設計、加工、施工過程中，具有廣泛的推廣價值。