CN115833150A - 一种针对海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法，包括：根据分层配置的特点，分别选取若干典型片区；分别对各片区进行大方式、小方式下的潮流拟合；对比各层次的优化结果，归纳出面对不同层面的变电站的无功配置原则；实际电网内按层次划分后，把无功补偿配置具体汇总，进行相应的无功配置；现有技术比，本发明对不同层面进行无功配置分析，不同于传统只针对主变压器容量，海底电缆充电功率进线百分比补偿的原则；本发明立足与海上油气处理平台电网的工况分析，给出了比现存陆地无功补偿配置原则、规范条款中更为细化的配置原则。

Description

一种针对海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法

技术领域：

本发明涉及海上油田配电网无功补偿容量配置规划技术，具体涉及一种针对海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法。

背景技术：

海上油气平台应用岸电供电技术由于所处环境的特殊性，线路均采用海底交流电缆，长距离交流海缆与陆上常用的架空线路相比，自身容性充电无功较大，容易引发过电压问题。

海上油气平台电网接入到岸电电网，在海上设置变电站平台，常考虑采用220kV海上变电站，国内关于配电网的无功补偿配置制定的规程标准较粗放，对配置对象的实际情况缺乏具体指导。针对海上变电站的具体配置要求并无具体的规范要求。国内相关原则、规范中对于变电站的无功补偿一般只做出了如下规定容性无功补偿装置的容量按主变压器容量的10％-30％配置，针对海缆的容性无功，只指出补偿度在60％-80％之间考虑。按此原则进行补偿影响了无功补偿装置的配置合理性，虽然操作上简单，但是对于海上油田电网并不完全适用，可能造成无功补偿设备投资的浪费或者无功补偿容量的不足，同时在实际运行中也暴露出来一些影响电网安全稳定的问题，海上油田无功容量配置方案应综合考虑海上电网与岸电实际并网情况来确定；

海上油气平台的核心作用是开采海底石油，在负荷端对功率因数的要求肯定是越大越好，从而提高整个油田设备的使用效率，上级电网对海上油田岸电电网的接入设置考核点，在考核点处不能倒送无功；

海上油气平台由于地下石油的储量会制定逐年开采计划，根据油藏配产的变化，新开采油田的海上平台逐年的用电负荷会发生变化，接入到海上变电站平台的无功平衡状态逐年变化；

随着海上油气平台应用岸电技术的普及，新建岸电电网的实施、周边平台逐步并入电网等因素，海上长距离海底电缆持续增加，海上电网工况日趋复杂，对无功平衡，无功补偿技术的需求日益增加，因此迫切的需要对现有的海上油气平台电网无功配置原则进行分层细化，其原则需要利用现有的数据资料对海上油气平台电网进行分层，即可对其无功补偿配置做出具体的配置方案，从而满足上级电网对岸电电网的考核要求，提高电网的稳定性。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供海上油气平台电网无功补偿分层配置方法，以一个配置有两座陆地开闭站、两座海上220kV变电站平台、一座110kV变电站与油气处理共建平台，若干受电端油气处理平台组成的供电区域为研究单元，根据各区域的无功电压特性将海上油气平台电网分为三组考核点，整体建立模型进行仿真分析，归纳处海上油气平台电网无功补偿分层配置的原则，指导海上油气平台电网进行最优的无功补偿配置。本发明提出的涉及接入岸电的海上油气平台电网无功补偿分层配置方法，不同无功层面给出了不同的无功配置区间，比较直观的指导了类似接入岸电的海上油气平台电网的无功配置，具体技术方案如下：

一种针对海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法，所述方法基于海上油气平台电网，所述海上平台包括220kV海上变电站、陆地开闭站、110kV海上变电站和海上油气处理系统；所述海上油气平台电网与接入岸电电网连接；所述方法包括如下步骤：

S1、以考核点为分层单元，以分层单元的无功特性，对海上电网进行无功补偿分层配置，一个配置层面包含一个考核点；

S2、根据每一个层面的无功特性，将海上电网分为三个层面：考核点1面对纯负荷端的油气处理平台考核层面、考核点2面对海上变电站的变电站考核层面、考核点3面对上级陆地电网的开闭站考核层面；

S3、针对每一个层面逐级仿真，当一个层面考核点进行无功补偿配置后满足要求时，应用已有层面无功补偿结果再考虑上一级层面的无功补偿配置，通过无功补偿算法求解海上电网在不同工况下的无功补偿配置的优化补偿率；

S4、根据计算得到各层面的优化补偿率，得出不同层面的无功补偿配置方法。

进一步，所述步骤S1中不同分层单元的无功电压特性包括：

根据海上油气平台电网特性建立三层无功补偿配置层，所述海上油气处理系统为第一配置层；所述220kV海上变电站与110kV海上变电站作为第二配置层；所述陆地开闭站作为第三配置层；其中：

随着岸电电网的接入，海上平台电网原有发电退出，海上平台电网无功源主要是岸电电网，无功负荷主要是油气处理平台用电设备自身的无功负荷，无功损耗主要是主变压器的损耗；

根据三层无功补偿配置层建立三个考核点；所述海上平台电网负荷侧主变进线开关处为考核点1；所述考核点1用于面对纯负荷端的油气处理平台考核层面；所述海上变电站负荷侧出口开关处为考核点2，所述核点2面对海上变电站考核层面；所述开闭站出线开关处为考核点3；所述考核点3面对上级陆地电网的开闭站考核层面；其中：

考核点面对海上变电站的变电站考核层面，无功源主要是长距离海底电缆，无功负荷按照考核点1整理后，针对既定的考核点1层面的功率因数得出无功负荷，无功损耗主要是海底电缆的损耗；考核点3面对上级陆地电网的开闭站考核层面的无功源为上级电网及海底电缆，无功负荷针对既定的考核点2层面的功率因数得出无功负荷，无功损耗主要是海底电缆的损耗。

进一步，所述步骤S4根据计算得到各层面的优化补偿率，得出不同层面的无功补偿配置方法,包括如下步骤：

所述考核点1满足纯受电端油气处理平台自身电网功率因数需达到0.92，以满足平台自身油气处理用电设备对功率因数的要求；

所述考核点2满足油气处理平台通过海底电缆接入海上变电站的出线开关处需满足不返送无功的要求；考核点2是满足海上变电站平台通过海底电缆接入到陆地开闭站出线开关不返送无功的要求。

有益效果：

1)本发明将配置对象海上油气平台电网分3个层面，对不同层面进行无功配置分析，不同于传统只针对主变压器容量，海底电缆充电功率进线百分比补偿的原则；

2)本发明立足与海上油气处理平台电网的工况分析，给出了比现存陆地无功补偿配置原则、规范条款中更为细化的配置原则；

3)本发明结合海上油气田根据油藏配产导致的逐年的用电负荷会发生变化，给出了具体的配置原则。

4)海上油气平台电网接入到岸电电网，在海上设置变电站平台，常考虑采用220kV海上变电站，国内关于配电网的无功补偿配置制定的规程标准较粗放，对配置对象的实际情况缺乏具体指导。针对海上变电站的具体配置要求并无具体的规范要求。国内相关原则、规范中对于变电站的无功补偿一般只做出了如下规定容性无功补偿装置的容量按主变压器容量的10％-30％配置，针对海缆的容性无功，只指出补偿度在60％-80％之间考虑。按此原则进行补偿影响了无功补偿装置的配置合理性，虽然操作上简单，但是对于海上油田电网并不完全适用，可能造成无功补偿设备投资的浪费或者无功补偿容量的不足，同时在实际运行中也暴露出来一些影响电网安全稳定的问题，海上油田无功容量配置方案应综合考虑海上电网与岸电实际并网情况来确定。

附图说明：

图1为本发明的方法流程图。

图2为计算实例网架结构图。

具体实施方式

本发明中提出了一种基于配电网安全域的分布式电源可信容量评估方法，以下结合图1对本发明专利的实施过程做进一步详细说明。

一种确定海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法，包括以下步骤：

S1、以考核点为分层单元，考虑到分层单元的无功特性，对海上电网进行无功补偿分层配置，一个配置层面包含一个考核点；

S2、根据每一个层面的无功特性，将海上电网分为三个层面：考核点1面对纯负荷端的油气处理平台考核层面、考核点2面对海上变电站的变电站考核层面、考核点3面对上级陆地电网的开闭站考核层面；

S3、针对每一个层面逐级仿真，当一个层面考核点进行无功补偿配置后满足要求时，应用已有层面无功补偿结果再考虑上一级层面的无功补偿配置，通过无功补偿算法求解海上电网在不同工况下的无功补偿配置的优化补偿率；

S4、根据计算得到各层面的优化补偿率，得出不同层面的无功补偿配置配置方法；

上述确定海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法指的是海上油气平台电网是指接入到岸电的海上岸电电网；

上述步骤S1不同分层单元的无功电压特性：无功源的情况，无功负荷及无功损耗情况。对纯负荷端的油气处理平台考核层面的特点为：随着岸电电网的接入，油气处理平台原有发电退出，平台无功源主要是上级电网，无功负荷主要是油气处理平台用电设备自身的无功负荷，无功损耗主要是主变压器的损耗；

油气处理平台无功补偿计算表示为如下公式

Qc_层面1＝Q2-Q1；

其中Qc_层面1为补偿量，Q2为达到合理功率因数需要的无功功率，Q1为系统本身的无功功率，考虑到补偿前后的有功功率P1与P2是保持不变的，功率角ψ由补偿前的ψ1变为补偿后的ψ2，Qc的计算如下

Qc_层面1＝P×[tan(cos-1ψ1)-tan(cos-1ψ2)]

该层面属于油气处理平台负荷端，该片区多为电机类设备，受负荷投入大小的影响比较大，故补偿率考虑整体负荷的体量，按照主变压器的额定容量进行考虑，补偿率K_层面1：

K_层面1＝Qc_层面1/S_变压器

考核点2面对海上变电站的变电站考核层面，无功源主要是长距离海底电缆的充电功率，无功负荷按照考核点1整理后，针对既定的考核点1层面的功率因数得出无功负荷，无功损耗主要是海底电缆的损耗，此时的无功平衡分析计算过程表示如下：

Qc_层面2＝Q_{层面1无功负荷}+Q_{变压器无功损耗}+Q_{海缆无功损耗}-Q_{海缆充电功率}；

其中Q_{层面1无功负荷}是经过层面1补偿后的该层面整体的无功负荷，考虑到在海缆长度超过20km时，对感性无功的需求远大于对容性无功的需求，补偿率K_层面2：

K_层面2＝Qc_层面1/Q_{海缆充电功率}

考核点3面对上级陆地电网的开闭站考核层面的无功源为上级电网及海底电缆，无功负荷针对既定的考核点2层面的功率因数得出无功负荷，无功损耗主要是海底电缆的损耗，此时的无功平衡分析计算过程表示如下：

Qc_层面3＝Q_{层面2无功负荷}+Q_{海缆无功损耗}-Q_{海缆充电功率}；

其中Q_{层面2无功负荷}是经过层面2补偿后的该层面整体的无功负荷，考虑到在海缆长度超过20km时，对感性无功的需求远大于对容性无功的需求，补偿率K_层面3：

K_层面3＝Qc_层面3/Q_{海缆充电功率}

上述步骤S2确定的考核点是指：考核点1满足纯受电端油气处理平台自身电网功率因数需达到0.92或以上，以满足平台自身油气处理用电设备对功率因数的要求；考核点2满足油气处理平台通过海底电缆接入海上变电站的出线开关处需满足不返送无功的要求，其考核点功率因数往往达到0.95或以上；考核点3是满足海上变电站平台通过海底电缆接入到陆地开闭站出线开关不返送无功的要求，其考核点功率因数往往达到0.98或以上；

上述步骤S3由于海上电网基本设置为双开闭站，双海上变电站，针对海上电网的不同工况即双变电站各1路进线工况及双变电站共用1路进线，负荷大小情况，电源切换情况等均对无功功率产生影响；

以某片区为例，此片区以2座220kV海上变电站(A&B)为辐射中心，上接有2座陆地开闭站，下接有1座110kV海上变电站、2艘海上浮式生产储油轮、28座35kV&10.5kV海上油气处理平台；220kV海上变电站各有两台三绕组(220kV/115kV/35kV)主变压器，总变电容量为240MVA，110kV海上变电站有两台主变压器，总变电容量为50MVA；2030年片区内最大负荷为200MW。该片区的主要特点是，海底电缆电压等级高，敷设长度长，产生的海缆充电功率较大，向上级主网倒送无功功率，电压普遍偏高。

片区的网架结构图如图2所示

结合图1的规划流程，海上油气平台电网无功补偿分层配置方法包括以下步骤：

1.根据片区的特点，将与变电站共建在一起的1座海上油气处理平台作为层次1；将2座220kV海上变电站至下接有1座110kV海上变电站作为层次2；将2座220kV海上变电站(A&B)为辐射中心，上接有2座陆地开闭站作为层次3；

2.层次1考核点设置为平台负荷侧主变进线开关处；层次2，考核点为海上变电站负荷侧出口开关处；层次3，考核点为开闭站出线开关处；

3.建立片区网架模型，对于层次1采用负荷最大最小年运行方式进行仿真，两种运行方式下优化前后功率因数对比如表1～表2所示；

表1层次1小方式的无功优化前后潮流结果对比

潮流计算结果	考核点有功	考核点无功	功率因数
				初始潮流计算结果	12630	6952	0.87
最优潮流计算结果	12978	5521	0.92

表2层次1大方式的无功优化前后潮流结果对比

潮流计算结果	考核点有功	考核点无功	功率因数
				初始潮流计算结果	22782	13426	0.86
最优潮流计算结果	22900	9812	0.92

层次1经过无功补偿配置后，考核点的功率因数可以满足油气处理平台对配电需求的功率因数0.92；

对于层次2采用负荷最大最小年运行方式进行仿真，两种运行方式下优化前后功率因数对比如表3～表4所示；

表3层次2小方式的无功优化前后潮流结果对比

潮流计算结果	考核点有功	考核点无功	功率因数
				初始潮流计算结果	13272	-17590	-0.6
最优潮流计算结果	12863	1770	0.99

表4层次2大方式的无功优化前后潮流结果对比

潮流计算结果	考核点有功	考核点无功	功率因数
				初始潮流计算结果	23324	-14471	-0.85
最优潮流计算结果	23276	2820	0.99

对于层次3采用负荷最大最小年运行方式加两种运行工况进行仿真，两种运行方式下优化前后功率因数对比如表5～表8所示；

表5层次3两路进线最大负荷一路冷备的无功优化前后潮流结果对比

潮流计算结果	考核点有功	考核点无功	功率因数
				初始潮流计算结果	112781	-40413	-0.94
最优潮流计算结果	112462	10068	0.99

表6层次3一路进线最大负荷的无功优化前后潮流结果对比

潮流计算结果	考核点有功	考核点无功	功率因数
				初始潮流计算结果	233453	11722	0.99
最优潮流计算结果	-	-	-

表7层次3最小负荷一路冷备的无功优化前后潮流结果对比

表8层次3最小负荷一路热备的无功优化前后潮流结果对比

潮流计算结果	考核点有功	考核点无功	功率因数
				初始潮流计算结果	62927	-92091	-0.56
最优潮流计算结果	62420	8851	0.99

表9层次1两种运行方式下优化的容性无功补偿配置方案汇总

表10层次2两种运行方式下优化的容性无功补偿配置方案汇总

表11层次3 4种运行方式下优化的容性无功补偿配置方案汇总

4.通过分析得出在层次1代表的油气处理平台负荷端，该片区多为电机类设备，容性无功配置率介于3.8～11.4％之间，容性无功配置的平均值在7.6％受负荷投入大小的影响比较大，建议按照12％左右的配置率来选择；层次2代表的含较长海底电缆，直接接入到海上变电站平台的区域，变压器优化补偿率在10～14％，平均补偿率在12％，海底电缆充电功率补偿率在66～94％，平均补偿率在80％，建议按照80％～90％左右的海底电缆充电功率配置率来选择；受海底电缆的投入影响比较大；层次3代表的海上变电站接入到陆地开闭站区域，变压器优化补偿率在36～72％之间，平均补偿率在50％，海底电缆充电功率补偿率在54～74％之间，平均补偿率在64％，建议按照70％～90％左右的海底电缆充电功率配置率来选择；

5.按照本发明的方法，对其它典型海上油田岸电电网作类似无功优化规划计算处理能得到各电网优化的无功补偿配置方案具体过程在此省略。最后对比同类变优化海上油田岸电电网的无功补偿配置结果归纳出无功补偿配置原则如表12

可见采用本发明所提出海上油气平台电网无功补偿分层配置改变了传统的一刀切配置方式，能直观有效地指导配海上油气平台电网的无功补偿配置并且在部分地区可以实现减少投资、增强调控能力等。

表12海上油气平台电网无功配置率推荐值

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种针对海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法，其特征在于，所述方法基于海上油气平台电网，所述海上平台包括220kV海上变电站、陆地开闭站、110kV海上变电站和海上油气处理系统；所述海上油气平台电网与接入岸电电网连接；所述方法包括如下步骤：

S1、以考核点为分层单元，以分层单元的无功特性，对海上电网进行无功补偿分层配置，一个配置层面包含一个考核点；

S2、根据每一个层面的无功特性，将海上电网分为三个层面：考核点1面对纯负荷端的油气处理平台考核层面、考核点2面对海上变电站的变电站考核层面、考核点3面对上级陆地电网的开闭站考核层面；

S3、针对每一个层面逐级仿真，当一个层面考核点进行无功补偿配置后满足要求时，应用已有层面无功补偿结果再考虑上一级层面的无功补偿配置，通过无功补偿算法求解海上电网在不同工况下的无功补偿配置的优化补偿率；

S4、根据计算得到各层面的优化补偿率，得出不同层面的无功补偿配置方法。

2.根据权利要求1所述的一种针对海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法，其特征在于，所述步骤S1中不同分层单元的无功电压特性包括：

根据海上油气平台电网特性建立三层无功补偿配置层，所述海上油气处理系统为第一配置层；所述220kV海上变电站与110kV海上变电站作为第二配置层；所述陆地开闭站作为第三配置层；其中：

随着岸电电网的接入，海上平台电网原有发电退出，海上平台电网无功源主要是岸电电网，无功负荷主要是油气处理平台用电设备自身的无功负荷，无功损耗主要是主变压器的损耗；

根据三层无功补偿配置层建立三个考核点；所述海上平台电网负荷侧主变进线开关处为考核点1；所述考核点1用于面对纯负荷端的油气处理平台考核层面；所述海上变电站负荷侧出口开关处为考核点2，所述核点2面对海上变电站考核层面；所述开闭站出线开关处为考核点3；所述考核点3面对上级陆地电网的开闭站考核层面；其中：

考核点面对海上变电站的变电站考核层面，无功源主要是长距离海底电缆，无功负荷按照考核点1整理后，针对既定的考核点1层面的功率因数得出无功负荷，无功损耗主要是海底电缆的损耗；考核点3面对上级陆地电网的开闭站考核层面的无功源为上级电网及海底电缆，无功负荷针对既定的考核点2层面的功率因数得出无功负荷，无功损耗主要是海底电缆的损耗。

3.根据权利要求1所述的一种针对海上油气平台电网无功补偿分层配置的方法，其特征在于，所述步骤S4根据计算得到各层面的优化补偿率，得出不同层面的无功补偿配置方法,包括如下步骤：

所述考核点1面对纯负荷端的油气处理平台考核层面：随着岸电电网的接入，油气处理平台原有发电退出，平台无功源主要是上级电网，无功负荷主要是油气处理平台用电设备自身的无功负荷，无功损耗主要是主变压器的损耗；

油气处理平台无功补偿计算表示为如下公式

Qc_层面1＝Q2-Q1；

其中Qc_层面1为补偿量，Q2为达到合理功率因数需要的无功功率，Q1为系统本身的无功功率，考虑到补偿前后的有功功率P1与P2是保持不变的，功率角ψ由补偿前的ψ1变为补偿后的ψ2，Qc的计算如下

Qc_层面1＝P×[tan(cos-1ψ1)-tan(cos-1ψ2)]

该层面属于油气处理平台负荷端，该片区多为电机类设备，受负荷投入大小的影响比较大，故补偿率考虑整体负荷的体量，按照主变压器的额定容量进行考虑，补偿率K_层面1：

K_层面1＝Qc_层面1/S_变压器

考核点2面对海上变电站的变电站考核层面，无功源主要是长距离海底电缆的充电功率，无功负荷按照考核点1整理后，针对既定的考核点1层面的功率因数得出无功负荷，无功损耗主要是海底电缆的损耗，此时的无功平衡分析计算过程表示如下：

Qc_层面2＝Q_{层面1无功负荷}+Q_{变压器无功损耗}+Q_{海缆无功损耗}-Q_{海缆充电功率}；

其中Q_{层面1无功负荷}是经过层面1补偿后的该层面整体的无功负荷，考虑到在海缆长度超过20km时，对感性无功的需求远大于对容性无功的需求，补偿率K_层面2：

K_层面2＝Qc_层面1/Q_{海缆充电功率}

考核点3面对上级陆地电网的开闭站考核层面的无功源为上级电网及海底电缆，无功负荷针对既定的考核点2层面的功率因数得出无功负荷，无功损耗主要是海底电缆的损耗，此时的无功平衡分析计算过程表示如下：

Qc_层面3＝Q_{层面2无功负荷}+Q_{海缆无功损耗}-Q_{海缆充电功率}；

其中Q_{层面2无功负荷}是经过层面2补偿后的该层面整体的无功负荷，考虑到在海缆长度超过20km时，对感性无功的需求远大于对容性无功的需求，补偿率K_层面3：

K_层面3＝Qc_层面3/Q_{海缆充电功率}

上述步骤S2中确定的考核点是指：考核点1满足纯受电端油气处理平台自身电网功率因数需达到0.92或以上，以满足平台自身油气处理用电设备对功率因数的要求；考核点2满足油气处理平台通过海底电缆接入海上变电站的出线开关处需满足不返送无功的要求，其考核点功率因数往往达到0.95或以上；考核点3是满足海上变电站平台通过海底电缆接入到陆地开闭站出线开关不返送无功的要求，其考核点功率因数往往达到0.98或以上。

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