CN103595127A - 海上石油平台电网智能控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种海上石油平台电网智能控制方法和系统，涉及海上油田群电网的监控方法以及系统。该方法包括设置广域智能监测系统、多目标协调优化运行系统；多目标协调优化运行系统以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，将对应目标进行约束非线性优化；智能自愈控制系统，根据优化结果进行控制策略决策，对继电保护、开关、安全自动装置和自动调节装置的自动控制。该系统包括广域智能监测系统、动态预警系统、多目标协调优化运行系统、智能自愈控制系统。本发明能有效解决由于信息不全、运行方式多变和模型参数不确定性而带来的对电网安全性和经济性不能精确监测和评估的难题以及海上油田群电网在复杂运行环境下多控制目标耦合、多控制措施协调的问题，实现对电网无功和有功功率综合调控进而达到自动趋优运行的目标。

Description

海上石油平台电网智能控制方法和系统

技术领域

本发明涉及海上石油平台电网智能控制方法以及系统。

背景技术

目前中海油公司已经完成多个远距离、多机组油田群电力组网系统，建设和运行过程中积累了丰富的经验，投运后取得了良好的经济效益。

油田群电力联网运行方式在带来效益的同时，也会带来一系列的问题，从常规联网系统运行控制角度来看，这些问题包括：供电可靠性、潮流控制、静态和动态稳定性、电能质量、电网自动化水平等等。

考虑未来油田生产能力的增强和新油田平台的建设，联网系统的容量和范围将逐渐扩展，而安全稳定性和运行效率亦需不断提升。大规模油田群联网系统带来的安全稳定性挑战：油田生产规模的扩展、周边新油田的开发推动油田群电网进入“大规模、区域化和复杂互联”的时代，将给电网的安全稳定运行带来诸多挑战，如：运行方式随联网规模扩大和设备增多而呈几何级数倍增，电网优化调度难度增加；电网的稳定性问题从小电网的功角暂态稳定性逐渐演化为更广空间和更长时间尺度上的动态稳定性问题。不断优化和提升油田群电网运营效率的需求：包括发挥网络间电力互备作用以降低整体电力备用率、采用更大单机容量和更清洁高效的发电技术、新能源的接入、通过机网运行方式的优化来降低稳定性风险和电网损耗，等等。更高的数字化和自动化水平：电网规模的扩大对电网运行决策和控制自动化将提出更高的要求，一些适用于小型电网的离线分析、决策和优化，将必然提升为在线自动完成的实时性分析、决策和优化系统；同时，平台变电站和大量马达的控制也亟需增强其数字化和智能化水平。节能减排、环境友好和可持续发展的约束：海上油田及其电网运行在海洋这一特殊环境中，其安全可靠、节能减排和环境友好的要求很高，而随着我国对碳强度、能源强度以及非化石能源所占的比重等列入国民经济发展的约束性指标，对于海上油田群电网的发展提出了更高的要求和更大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对海上电网运营进行监控和优化的海上石油平台电网智能控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种对海上电网运营进行监控和优化的海上石油平台电网智能控制系统。

本发明的目的可以这样实现，设计一种海上石油平台电网智能控制方法，包括：

设置广域智能监测系统、多目标协调优化运行系统；

多目标协调优化运行系统以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，将对应目标进行约束非线性优化；

智能自愈控制系统，自动诊断电网当前所处的运行状态，根据优化结果进行控制策略决策，对继电保护、开关、安全自动装置和自动调节装置的自动控制。

进一步地，约束非线性优化包括：根据系统配置参数文件建立系统CIM模型；将当前系统实时状态信息与系统模型相联系；拓扑分析，形成当前系统图；对当前系统进行状态估计，得到系统当前的状态；对当前系统进行潮流计算；计算当前状态下的最优潮流运行方式，并生成控制信息；用户调整权重，运算得到满足权重的最优潮流和设备控制策略。

进一步地，可以优化的权重包括网损权重、各节点电压与中心店电压残差权重、发电燃料成本权重；

优化策略依据的可监控数据包括断路器分合闸状态、变压器档位、发电机运行参数、海缆运行参数、变压器高/低压侧参数、母线参数、关键负载参数、原动机运行数据、电抗器运行状态；

潮流优化中的优化目标包括经济型指标和运行质量类指标，其中经济型指标包括发电燃料费用和系统有功网损，运行质量类指标包括各节点电压与中枢点电压的残差。

进一步地，发电燃料费用的运算公式为：

$f_C=\stackrel{N_G}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\left(P_{\mathrm{gi}}\right)$

式中：f_C为系统发电燃料费用，f_i(P_gi)为发电机i的发电燃料费用；

系统有功网损的运算公式为：

$f_{\mathrm{loss}}=\stackrel{N_G}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{gi}}-\stackrel{N_D}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{Di}}$

式中：f_loss为系统有功网损，P_Di为各节点负载有功功率。

各节点电压与中枢点电压的残差的运算公式为:

$f_V=\stackrel{N_D}{\mathrm{\Σ}}{(e_i^2+{f_i}^2-{V_n}^2)}^2$

式中：fv为各节点电压与中枢点电压的残差，V_n为中枢点电压幅值。

进一步地，潮流优化模型为：

minω_Cf_C+ω_lossf_loss+ω_Vf_V

式中：P_Gi为节点i注入的发电有功功率，P_Di为节点i的负载有功功率，Q_Gi为节点i注入的发电无功功率，Q_Di为节点i的负载无功功率，G_ij为节点i和节点j直接的互电导，B_ij为节点i和节点j直接的互电纳，V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限，S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值，P_gimax、P_gimin分别表示各台发电机有功出力的最大值和最小值，Q_gimax、Q_gimin分别表示各台发电机无功出力的最大值和最小值，k_imax、k_imin分别表示各变压器变比的最大值和最小值，Q_SVG为SVG无功功率，Q_SVGmax、Q_SVGmin分别表示各SVG无功功率的最大值和最小值。

本发明的另一目的可以这样实现，设计一种海上石油平台电网智能控制系统，包括：

广域智能监测系统，对指定领域进行监测并将监测数据发送给动态预警系统和多目标协调优化运行系统，指定领域至少包括汽轮机组、电网整体性能、海缆、电网稳定性；

动态预警系统，接收广域智能监测系统的监测数据并将该数据与动态预警系统内的额定数据进行比较，若监测数据超出额定数据范围则发出预警信号；

多目标协调优化运行系统，以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，将对应目标进行约束非线性优化，优化目标包含燃料成本、网损、综合排放和机组性能，而约束条件包括潮流平衡、海缆功率限制、稳定性裕度指标；

智能自愈控制系统，以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，自动诊断电网当前所处的运行状态，根据优化结果进行控制策略决策，对继电保护、开关、安全自动装置和自动调节装置的自动控制。

进一步地，所述动态预警系统包括燃气轮机动态预警、电网整体性能预警、海缆实时预警、稳定性在线评估与智能预警。

进一步地，多目标协调优化运行系统采用非线性优化求解方法得到优化运行方式。

进一步地，广域智能监测系统包括燃气轮机动态过程及性能监测模块、电网整体性能监测模块、海缆在线监测模块、电网稳定性和广域动态监测模块。

本发明基于广域信息、在线状态估计和系统辨识而实现海上油田群电网的多维度性能监测与动态安全评估，能有效解决目前由于信息不全、运行方式多变和模型参数不确定性而带来的对电网安全性和经济性不能精确监测和评估的难题；具备多目标、多约束协调优化的智能功率调度功能，解决了海上油田群电网在复杂运行环境下多控制目标耦合、多控制措施协调的问题，实现对电网无功和有功功率综合调控进而达到自动趋优运行的目标。实现海上石油平台电网智能控制系统工程应用及示范。

附图说明

图1是本发明较佳实施例运行平台的示意图；

图2是本发明较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的描述。

一种海上石油平台电网智能控制方法，包括：

设置广域智能监测系统、多目标协调优化运行系统；

多目标协调优化运行系统以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，将对应目标进行约束非线性优化；

智能自愈控制系统，自动诊断电网当前所处的运行状态，根据优化结果进行控制策略决策，对继电保护、开关、安全自动装置和自动调节装置的自动控制。

约束非线性优化流程：

1、根据系统配置参数文件建立系统CIM模型；

2、将当前系统实时状态信息与系统模型相联系；

3、拓扑分析，形成当前系统图；

4、对当前系统进行状态估计，得到系统当前的“真实状态”；

5、对当前系统进行潮流计算；

6、计算当前状态下的最优潮流运行方式，并生成控制信息；

7、用户调整权重，运算得到满足权重的最优潮流和设备控制策略。

综合优化权重初始值，作为多目标优化分解的基准值。可以优化的权重包括：网损权重、各节点电压与中心店电压残差权重、发电燃料成本权重。

综合优化策略给出经过权重设置后所有发电机、电抗器以及变压器的当前状态及优化后状态。默认为依托最新一笔数据，可监控的数据包括：断路器分合闸状态、变压器档位、发电机运行参数、海缆运行参数、变压器高/低压侧参数、母线参数、关键负载参数、原动机运行数据、电抗器运行状态。

潮流优化中的优化目标非常灵活，如发电燃料费用、系统网损、系统交换功率、各节点电压与中枢点电压的残差等等。本发明主要考虑经济型指标和运行质量类指标。经济型指标主要包括发电燃料费用和系统有功网损两方面潮流优化中的优化目标包括经济型指标和运行质量类指标，其中经济型指标包括发电燃料费用和系统有功网损，运行质量类指标包括各节点电压与中枢点电压的残差。

发电燃料费用的运算公式为：

$f_C=\stackrel{N_G}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\left(P_{\mathrm{gi}}\right)$

式中：f_C为系统发电燃料费用，f_i(P_gi)为发电机i的发电燃料费用；

可采用二次函数拟合为

$f_i\left(P_{\mathrm{gi}}\right)=a_i{P}_{\mathrm{gi}}^2+b_i{P}_{\mathrm{gi}}+c_i$

式中，a_i、b_i、c_i为发电费用参数。

系统有功网损的运算公式为：

$f_{\mathrm{loss}}=\stackrel{N_G}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{gi}}-\stackrel{N_D}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{Di}}$

式中：f_loss为系统有功网损，P_Di为各节点负载有功功率。

各节点电压与中枢点电压的残差的运算公式为:

$f_V=\stackrel{N_D}{\mathrm{\Σ}}{(e_i^2+{f_i}^2-{V_n}^2)}^2$

式中：fv为各节点电压与中枢点电压的残差，V_n为中枢点电压幅值。

约束条件包括：等式约束、不等式约束。

等式约束，潮流优化模型中的等式约束一般为各节点基本的潮流方程，

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\end{array}\right.$

其中，P_Gi为节点i注入的发电有功功率，P_Di为节点i的负载有功功率，Q_Gi为节点i注入的发电无功功率，Q_Di为节点i的负载无功功率，G_ij为节点i和节点j直接的互电导，B_ij为节点i和节点j直接的互电纳。

不等式约束，除上述潮流方程约束外，系统还要满足安全约束，包括节点电压约束、支路输送功率约束以及各控制变量上下限的约束。

电压约束

$V_{i\min }^2\≤e_i^2+{f_i}^2\≤V_{i\max }^2,i=1,...,N_D$

其中V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限。

各支路输送容量约束

S_ij≤S_ijmax    i=1,...,N_L

对于其中的某一条海缆

$P_{\mathrm{ij}}=e_i(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+f_i(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)-G_{\mathrm{ij}}(e_i^2+{f_i}^2)$

$Q_{\mathrm{ij}}=f_i(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)-B_{\mathrm{ij}}(e_i^2+{f_i}^2)$

则

$S_{\mathrm{ij}}^2=P_{\mathrm{ij}}^2+Q_{\mathrm{ij}}^2=(G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j+e_i^2-{f_i}^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]$

则支路输送功率约束为

$(G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j+e_i^2-{f_i}^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2,i=1,...,N_L$

其中，N_L为系统支路数，S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值。控制变量上下限

P_gimin≤P_gi≤P_gimax    i=1,...,N_G

Q_gimin≤Q_gi≤Q_gimax    i=1,...,N_G

k_imin≤k_i≤k_imax    i=1,...,N_T

$S_{Q_{\mathrm{ci}}}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},i=1,...,N_C$

Q_SVGmin≤Q_SVGi≤Q_SVGmaxi=1,...,N_SVG

其中，P_gimax、P_gimin分别表示各台发电机有功出力的最大值和最小值，Q_gimax、Q_gimin分别表示各台发电机无功出力的最大值和最小值，k_imax、k_imin分表表示各变压器变比的最大值和最小值，Q_SVGmax、Q_SVGmin分别表示各SVG无功功率的最大值和最小值。

综上，潮流优化的模型为：

minω_Cf_C+ω_lossf_loss+ω_Vf_V

式中：P_Gi为节点i注入的发电有功功率，P_Di为节点i的负载有功功率，Q_Gi为节点i注入的发电无功功率，Q_Di为节点i的负载无功功率，G_ij为节点i和节点j直接的互电导，B_ij为节点i和节点j直接的互电纳，V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限，S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值，P_gimax、P_gimin分别表示各台发电机有功出力的最大值和最小值，Q_gimax、Q_gimin分别表示各台发电机无功出力的最大值和最小值，k_imax、k_imin分别表示各变压器变比的最大值和最小值，Q_SVG为SVG无功功率，Q_SVGmax、Q_SVGmin分别表示各SVG无功功率的最大值和最小值。

如图1、图2所示，一种海上石油平台电网智能控制系统，包括：

广域智能监测系统，对指定领域进行监测并将监测数据发送给动态预警系统和多目标协调优化运行系统，指定领域至少包括汽轮机组、电网整体性能、海缆、电网稳定性；

动态预警系统，接收广域智能监测系统的监测数据并将该数据与动态预警系统内的额定数据进行比较，若监测数据超出额定数据范围则发出预警信号；

多目标协调优化运行系统，以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，将对应目标进行约束非线性优化，优化目标包含燃料成本、网损、综合排放和机组性能，而约束条件包括潮流平衡、海缆功率限制、稳定性裕度指标；

智能自愈控制系统，以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，自动诊断电网当前所处的运行状态，根据优化结果进行控制策略决策，对继电保护、开关、安全自动装置和自动调节装置的自动控制。在期望时间内促使电网转向更好的运行状态，赋予电网自愈能力，即使电网能够顺利渡过紧急情况、及时恢复供电、运行时满足安全约束、具有较高的经济性、对于负荷变化等扰动具有很强的适应能力。

所述动态预警系统包括燃气轮机动态预警、电网整体性能预警、海缆实时预警、稳定性在线评估与智能预警。

多目标协调优化运行系统采用非线性优化求解方法得到优化运行方式，即一组最佳的系统运行变量集合（包含机组出力、变压器分接头、无功补偿装置输出等），从而实现系统在满足安全稳定性条件下的经济高效运行。

广域智能监测系统包括燃气轮机动态过程及性能监测模块、电网整体性能监测模块、海缆在线监测模块、电网稳定性和广域动态监测模块。

本发明针对海上油田群电网的特点和需求，综合应用先进的信息、控制、通信、电力电子和电力工程技术，整体考虑海上油田群电网的发电、输电、配电和用电各个环节及其智能监测、预警、调度和控制，通过关键技术研究和应用，综合集成一个安全可靠、经济高效、节能减排和环境友好的海上油田群智能电网控制系统。

本发明的突出特点是：a）基于广域信息、在线状态估计和系统辨识而实现海上油田群电网的多维度性能监测与动态安全评估，能有效解决目前由于信息不全、运行方式多变和模型参数不确定性而带来的对电网安全性和经济性不能精确监测和评估的难题；b）具备多目标、多约束协调优化的智能功率调度功能，解决了海上油田群电网在复杂运行环境下多控制目标耦合、多控制措施协调的问题，实现对电网无功和有功功率综合调控进而达到自动趋优运行的目标。c）实现一体化智能监控系统工程应用及示范。

本发明对于有功功率优化控制周期小于30秒，无功功率优化控制周期小于1分钟，应用前后电网的无功均衡度（定义为：分区内机组无功出力与平均无功出力之差的平方加权和）提高10%以上、网损率降低比例（定义为:(应用前网损率-应用后网损率)/应用前网损率）10%以上。

Claims (9)

1.一种海上石油平台电网智能控制方法，其特征在于：包括

设置广域智能监测系统、多目标协调优化运行系统；

多目标协调优化运行系统以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，将对应目标进行约束非线性优化；

智能自愈控制系统，自动诊断电网当前所处的运行状态，根据优化结果进行控制策略决策，对继电保护、开关、安全自动装置和自动调节装置的自动控制。

2.根据权利要求1所述的海上石油平台电网智能控制方法，其特征在于，约束非线性优化包括：

根据系统配置参数文件建立系统CIM模型；

将当前系统实时状态信息与系统模型相联系；

拓扑分析，形成当前系统图；

对当前系统进行状态估计，得到系统当前的状态；

对当前系统进行潮流计算；

计算当前状态下的最优潮流运行方式，并生成控制信息；

用户调整权重，运算得到满足权重的最优潮流和设备控制策略。

3.根据权利要求1所述的海上石油平台电网智能控制方法，其特征在于：可以优化的权重包括网损权重、各节点电压与中心店电压残差权重、发电燃料成本权重；

优化策略依据的可监控数据包括断路器分合闸状态、变压器档位、发电机运行参数、海缆运行参数、变压器高/低压侧参数、母线参数、关键负载参数、原动机运行数据、电抗器运行状态；

潮流优化中的优化目标包括经济型指标和运行质量类指标，其中经济型指标包括发电燃料费用和系统有功网损，运行质量类指标包括各节点电压与中枢点电压的残差。

4.根据权利要求3所述的海上石油平台电网智能控制方法，其特征在于，发电燃料费用的运算公式为：

$f_C=\stackrel{N_G}{\mathrm{\Σ}}{f}_i\left(P_{\mathrm{gi}}\right)$

式中：f_C为系统发电燃料费用，f_i(P_gi)为发电机i的发电燃料费用；

系统有功网损的运算公式为：

$f_{\mathrm{loss}}=\stackrel{N_G}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{gi}}-\stackrel{N_D}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{Di}}$

式中：f_loss为系统有功网损，P_Di为各节点负载有功功率。

各节点电压与中枢点电压的残差的运算公式为:

$f_V=\stackrel{N_D}{\mathrm{\Σ}}{(e_i^2+{f_i}^2-{V_n}^2)}^2$

式中：fv为各节点电压与中枢点电压的残差，V_n为中枢点电压幅值。

5.根据权利要求2所述的海上石油平台电网智能控制方法，其特征在于，潮流优化模型为：

minω_Cf_C+ω_lossf_loss+ω_Vf_V

式中：P_Gi为节点i注入的发电有功功率，P_Di为节点i的负载有功功率，Q_Gi为节点i注入的发电无功功率，Q_Di为节点i的负载无功功率，G_ij为节点i和节点j直接的互电导，B_ij为节点i和节点j直接的互电纳，V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限，S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值，P_gimax、P_gimin分别表示各台发电机有功出力的最大值和最小值，Q_gimax、Q_gimin分别表示各台发电机无功出力的最大值和最小值，k_imax、k_imin分别表示各变压器变比的最大值和最小值，Q_SVG为SVG无功功率，Q_SVGmax、Q_SVGmin分别表示各SVG无功功率的最大值和最小值。

6.一种海上石油平台电网智能控制系统，其特征在于：包括

广域智能监测系统，对指定领域进行监测并将监测数据发送给动态预警系统和多目标协调优化运行系统，指定领域至少包括汽轮机组、电网整体性能、海缆、电网稳定性；

动态预警系统，接收广域智能监测系统的监测数据并将该数据与动态预警系统内的额定数据进行比较，若监测数据超出额定数据范围则发出预警信号；

多目标协调优化运行系统，以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，将对应目标进行约束非线性优化，优化目标包含燃料成本、网损、综合排放和机组性能，而约束条件包括潮流平衡、海缆功率限制、稳定性裕度指标；

智能自愈控制系统，以广域智能监测系统采集的同步数据采集为基础，自动诊断电网当前所处的运行状态，根据优化结果进行控制策略决策，对继电保护、开关、安全自动装置和自动调节装置的自动控制。

7.根据权利要求6所述的海上石油平台电网智能控制系统，其特征在于：所述动态预警系统包括燃气轮机动态预警、电网整体性能预警、海缆实时预警、稳定性在线评估与智能预警。

8.根据权利要求6所述的海上石油平台电网智能控制系统，其特征在于：多目标协调优化运行系统采用非线性优化求解方法得到优化运行方式。

9.根据权利要求6所述的海上石油平台电网智能控制系统，其特征在于：广域智能监测系统包括燃气轮机动态过程及性能监测模块、电网整体性能监测模块、海缆在线监测模块、电网稳定性和广域动态监测模块。

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