油气和新能源融合发展下多能互补智慧管控 技术研究

王伟峰

摘要：国家提出“碳达峰、碳中和”的双碳目标。近年来，传统油气田企业为响应国家能源转型号召，大力开展风能、太阳能、地热、氢能、储能、CO2埋存等技术的研究和应用。多种形式清洁能源的加入给传统油气田的生产工艺、生产管理带来了冲击，从原来单纯的负荷端管控，变成供能端和用能端同时协同调控的新局面，需要充分利用数字化，智能化手段进行智慧能源管控，来完成减碳、低碳、零碳、负碳的目标。

关键词：多能互补；协同调控；源荷互动；物联网；电力调度

一、前言

2020年9月22日，中国在第七十五届联合国大会向全世界承诺：二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和。中石油各大油气田企业将新能源列入融合发展业务，加快实施绿色低碳发展战略，按照“清洁替代、战略接替、绿色转型”三步走总体部署，随着风电、光电、地热、光热、氢能等新能源的加入，给传统油气田的原有生产模式带来了冲击，如何提升管理手段，以适用新能源加入后复杂的生产工艺变化，是目前亟待解决的问题。

在油田原有传统能源的基础上，新能源逐步加入，以前的局部、单一的能源管控模式，已经不能满足要求。目前油气田所辖变电站信息化、自动化建设水平较低，集控站监控中心功能和电力调度中心统一指挥功能缺失。作为新能源接入的基础支撑，电力系统的信息化、自动化、智能化建设亟待解决。在油气生产负荷侧信息化建设上，传统调控已经形成井间站一体化物联网平台，在间抽运行、变频控制、自保联锁、油井故障诊断、时率分析等方面都有深入研究，但在能源管控上还有巨大潜力可以挖掘，特别是针对新能源接入后的机采、集输、注水等系统的优化级、智能化管控的研究[1]。

二、研究内容

主要包括以下两个方面，一是对新能源数智化管控体系进行研究，围绕综合能源利用、生产运行智能诊断、供能和用能端智能调度等业务需求，建成数据齐全、协同高效、智能感知、实时在线、安全受控的以数字化、自动化、协同化、智能化为标志的新能源管控体系。覆盖风电、光电、电网、燃气、燃油、热能利用、CO2治理、井场、各类场站等生产活动，以及经营管理、安全环保等业务领域。二是对多智慧管控辅助决策系统进行研究，该系统对内可实现油田多能协同及能源利用水平提升，增加电力供应中清洁能源比例，并确保内部能源系统的安全与经济运行；对外则可以提升油田与上级电网的互动能力，主动参与电网调节，实现资源灵活性价值变现，参与地方电力服务市场，为碳市场运作提供技术平台支撑，预留接口实现油田内部在用平台的互联互通。

三、研究目的

（一）助力管理升级

通过“源网荷储”协同调控可以提高油田电调和负荷侧物联网自动化管理水平，保障油田生产安全、稳定、高效运行。

（二）源荷配置优化

在预测新能源发电和负荷基础上，通过对油田内部电、热、气等多种能源进行耦合互补，对油田源荷侧设备进行多能互补优化调度。

（三）促进降本增效

随着大规模可再生能源持续接入，为促进新能源消纳，提升系统运行效率，通过电、热、气耦合多能互补，进一步挖掘油田现有设备运行潜力，促进油田增效节能。

（四）推动油田“双碳”管理

油田管理人员通过数智化手段可直观掌握油田内生产用能和产生的碳排放情况，同时可辅助管理人员进行节能降碳决策，指导油田绿色低碳转型，助力油田在未来碳市场中占据优势[2]。

四、研究原则

（一）数据标准一体化原则

为保证平台多能互补、智慧管控的准确性，在对供、用能数据的管理上，严格遵循一体化数据中心的标准体系架构，在“源网荷储”建设初期即建立标准的数据字典，在投产运行后建立原始数据责任人机制，保证数据在产生、运行、入库的过程中不出错、不丢失。

（二）管控安全可靠原则

为保证多能互补、智慧管控的安全性，在供、用能优化调度的指令下发，执行手动、自动控制的过程中，为使供、用能端各类转动设备和静设备能够在生产管理允许的范围内运行，平台要根据现场的生产工艺实际情况，具备科学合理控制机制和生产运行自保联锁机制，避免出现生产误操作和安全责任事故。指令在执行过程中要具备人工和自动执行两种模式。能够进行人工切换，防止出现错误的输出动作。

（三）功能全面完整的原则

在供、用能优化调度算法的输入条件和约束条件上要全面、准确、合理。在生产工艺出现变化的情况下，用户在权限允许的范围内，能够自主操作，添加和更改各类输入和约束条件，确保优化调度输出的执行动作准确。

（四）操作简单易维护的原则

为保证用户在供、用能调控过程中，能够快速准确地进行界面切换和参数设置，平台要具备友好的人机交互界面。为方便日后运行维护，在能源管控整体架构数据交互及硬件连接方式上要科学合理，使运维人员能够快速准确地处理故障。

五、技术路线

管控体系技术路线研究：结合油田的现状，按照“一体两翼”的技术路线，以智慧管控辅助决策系统为主体，智能电力调度、用能侧物联网为两翼，开展“源网荷储”一体化项目的整体布局，并采用“统一规划、分步实施”的指导思想，以顶层设计为指导，以局部建设为试点，逐步完善的原则实施。

如图1所示，在油田电力侧通过建设变电站集中监控系统、新能源集中监控系统、局部微电网系统，不断完善下级监控系统的管控范围，并同步进行智能电力调度系统的建设；在生产用能侧，完善用能侧物联网管控系统功能，强化对负荷侧用能区域及场间子单元、井间子单元的控制能力，通过负荷聚合、动态响应、柔性控制等技术手段，不断挖掘负荷侧资源对电力系统调频、调峰的能力，丰富“源网荷储”一体化调控手段。

如图2所示，在系统功能开发上，智慧管控辅助决策系统由协同调控和辅助决策两部分组成。协同调控子系统用来制定油田内部综合能源的多能互补优化调度策略，实现油田新能源消纳最大化；辅助决策子系统为油田未来参与电力市场、碳交易市场等提供能源数据增值服务，实现油田经济效益最大化。

如图3所示，在安全、生产、经营三大方面实现如下功能。

安全管控方面：主要考虑保障油田内部电网安全、稳定、经济运行。一是电网自动控制技术，自动控制可以实现对油田内电源和变电站的有功、无功自动控制。二是电网网络分析技术，主要包括电网潮流计算、灵敏度分析、静态安全评估、短路电流计算、负荷转供、拉限电辅助决策、单相接地拉路辅助决策等功能，通过自动控制及网络分析功能可有效辅助管理人员对油田电网可能存在的风险进行及时预判并保障油田电网的安全稳定运行。三是有源配电网可开放容量评估功能，考虑了未来油田分布式光伏大量接入可能存在的风险，指导分布式光伏及负荷发展规划和有序接入。四是系统规划功能，在保证油田供电可靠性的前提下同时测算油田未来建设分布式电源的投资收益，指导下一步建设。

生产管控方面：一是监视分析功能可以实现油田内部“源网荷储”全方位多能数据采集、实时监控，为油田内部多能互补优化调度提供基础数据支撑。二是态势感知，基于采集的运行数据，通过态势感知功能对油田内各设备的量测数据进行监测和辨识，剔除坏数据，保证采集数据的有效性和准确性。三是源荷预测，基于态势感知的有效运行数据，通过源荷预测功能对油田内新能源发电功率和负荷功率进行多时间尺度预测。四是优化调度算法，以源荷预测数据作为优化调度算法的输入部分，以成本最小化、新能源全消纳为目标，以设备运行，生产计划、网络平衡为约束条件，最终形成针对油田内部最优的供、用能策略[3]。

经营管控方面：一是需量评估可准确计算出油田最大需量值，按照最大需量值作为对电业局的结算方式，帮助油田节省大量电费成本。二是虚拟电厂在油田供、用电网络自身优化运行的前提下，帮助油田参与国家电网辅助服务，支持与上级电网多种调度/市场服务模式，在支撑油田经济运行的基础上与上级电网交互获得收益，实现双赢。三是双碳管理的主要目标是实现对油田“源网荷储”全链条的碳流追踪分析，并依据碳流分析结果，帮助油田构建精细化、个性化的电-碳模型，支撑对油田碳资产的精细化统一管理，指导油田对碳配额分配以及 CCER 交易的经济效益分析。四是交易支撑作为经营管控的支撑部分，主要目标是实现油田对外和对内的运营交易管理，通过对外参与电力市场、响应电网服务，对内组织多主体互动交易，实现油田电力能源系统低碳、低成本运行，维系油田能源系统的可持续性运营。

六、关键技术

如图4所示，以优化调度算法为核心关键技术，整体采用上下两层结构进行，顶层优化调度采集各油区内的局部能源数据，进行综合分析，以电功率平衡约束、热功率平衡约束、储能充放电次数约束、关口功率上下限约束等为约束条件，将顶层调度指令下发至各个采油区块局部优化调度模块。局部优化调度包含如下内容。

（一）优化目标

油田电负荷峰值尽可能不越限、购电费用最低、新能源消纳最大化，以上目标组合多目标优化。

（二）多能耦合约束条件

电热功率平衡约束、热电功率平衡约束、自供能率约束、关口电功率上下限约束、系统平衡约束、电网安全约束（断面潮流约束、支路潮流约束）等各类约束条件。

（三）参数设置能功

目标权重（最小化成本、最小化能耗、最小化碳排放）、是否启用需求响应、弃风弃光成本、关口断面名称、是否允许关口断面越限、关口越限成本、电类设备参数设置、热设备参数设置、耦合设备参数设置。

（四）计划调整优化管理

根据实际需要，对计划进行一定的人工或自动干预，如个别数据调整或者某些预定规则的批量调整或优化。计划调整功能子模块支持计划的人工或自动调整[4]。

（五）优化调度分类

一是日前调度，日前执行，以油田电负荷峰值尽可能不越限、油田运行成本最小为主要目标，对第二天24小时（96点）进行优化调度。二是日内调度，日内每15分钟执行一次，对未来四小时到当天结束的时段进行调度。当预测油田关口功率会越限时，通过修改油田直控资源和油井间抽的运行计划，削减油田峰值负荷，尽量使油田关口功率不越限。三是实时调度，日内每5分钟执行一次，以系统运行安全、避免弃风弃光为主要目标，对当前时刻进行调度。通过修改实时调度阶段可控资源运行计划，优化供用能，确保油田能源系统安全及新能源消纳。

七、结语

多能互补智慧管控技术实现的关键是要具有完善的电力调度体系，同时还要依托油田良好的物联网基础、完整的负荷侧设备计量体系、油井启停控制技术、场站仪表自动化技术等，利用顶层与局部优化调度功能，在实践和应用中摸索生产规律，不断补充和完善输入条件、约束条件，使输出结果向目标结果不断靠近，进而实现平稳生产。在不断完善核心功能应用的同时，还要注重各类辅助功能的开发，如简单实用的个性化功能、友好方便的人机交互界面等[5]。

参考文献

[1]徐玮，曹敬.探析多能协同下的综合能源系统协调调度策略[J].应用能源技术，2019（03）：31-33.

[2]万克栋，桂文娟.对油气田新能源工程技术发展的思考[J].油气田地面工程，2023，42（04）：1-7.

[3]裴哲义，孙骁强，王学斌，等.“双碳”目标下电网多能源联合优化调度研究与实践[J].水电与抽水蓄能，2022，8（04）：1-12.

[4]丛丹."双碳"目标下中国油气行业低碳发展措施与路径探索[J].大众商务，2023（07）：0151-0153.

[5]王震，王祖纲，孟莹，等.能源转型中持续推进中国海洋油气高质量发展——专访中国海油集团能源经济研究院党委书记，院长王震[J].世界石油工业，2023，30（02）：5-11.

作者单位：中国石油吉林油田新能源事业部

责任编辑：张津平