1.3.2 关键技术及创新点
涠西南油田群电力组网是中海油首个成功实现海上分布式电站联网的供电技术，经过长时间的技术攻关和现场实践，共获得5项国家发明专利、4项国家实用新型专利和9项关键技术。5项国家发明专利包括海上电网的能量管理系统、海上石油平台电力组网用的海底电缆、一种动态无功补偿器的控制系统及其控制方法、海上油田群电网的功率优化控制方法、海上石油平台电网智能控制方法。4项国家实用新型专利包括海上石油平台电力组网系统、海上平台电网的快速动态无功自动补偿装置、海上平台电网的快速限流熔断器、用于在海洋平台电网中滤除谐波电流的系统。9项关键技术包括：首次在海底电缆设计中使用钢丝绞钢管技术确保光纤完好，为电力组网提供安全的通信“通道”；国内首次海上平台电网应用涌流抑制器技术，解决了励磁涌流对电网的冲击影响；国内首次海上应用电网快速动态无功装置（SVG），解决了区域无功治理；在线谐波治理技术的应用，解决了区域谐波对电网的影响；国内首次海上应用智能MCC控制技术，提高了MCC智能化水平；选用35kV充气式开关柜，大量节省空间；国内首次海上应用快速限流熔断技术，保障电网的特殊运行条件；首创能量管理系统（EMS）对海上平台电网运行进行监测和控制；通过调研及调试总结，建立了一套适合海上油田的电网调度及操作管理系统。
1.3.2.1 国内首创“能量管理系统（EMS）”保障海上电网安全运行
（1）背景
陆上电网由SCADA/EMS系统完成电网频率及联络线功率交换的控制，由在线安全稳定控制系统完成故障情况下电网的稳定控制，由电站综合自动化系统提升电站自动化水平以减少运行人员配置。这些系统对于油田群孤立小电网显得庞大而复杂，不仅投资大，还需配备大量的运行维护人员。针对海上石油平台电网与陆上电网的不同，特别是石油平台生产的特殊性，海上油田群电网必须比陆上电网自动化程度要求更高、实时性更强、功能更高度集成、通道速率更高，信息传输实时性为毫秒级。为此，本设计创造性地提出能量管理系统（EMS）解决方案，很好地满足了油田群电网安全稳定控制的需要。
（2）创新型的能量管理系统（EMS）设计
本设计创造性提出了适合海上电网的能量管理系统（EMS）独特的网络结构，形成了独特的能量管理系统（EMS）通道组织，设计了能量管理系统（EMS）完善的控制策略，实现了海上电网监控、运行、安稳和控制的功能。其主要创新点如下：
① 独特的通信网络结构设计 EMS通信网络包括信息层、站控层和间隔层，采用多种创新手段保证电网通信的安全性和实时性，图1-10为电网EMS网络架构示意图。
图1-10 电网EMS网络架构示意图
② 独特的创新设计保证数据通信安全性
a.EMS的信息层、控制层分别采用光纤双网结构，每层采用4个100Mbit/s光纤通道，光纤芯由各平台之间的海底光纤复合电缆提供。
b.硬件设施实现双冗余设计，包括数据交换机、PLC处理器和服务器。
c.软件冗余，包括服务器软件冗余。
③ 电网负荷在线控制和调节 电网在线控制包括负荷预测、电网自动平衡和发电机组运行控制。其核心控制目标包括：维持系统频率在（50±0.2）Hz范围内；维持系统的时钟误差，保证调节实时性和准确性；维持各平台的海底电缆的净交换功率；按照潮流安全控制要求调整机组出力，满足电网自动平衡。
电网的有功自动调节可以实现：等比率模式调节，实现大机组多带负载，小机组少带负载，优化机组带载。调度模式调节，人为给定机组固定带载数值。单平台模式调节，适用于某个电站脱离电网单独运行工况下的调节。
电网的无功自动调节可以实现：等比率模式调节，实现大机组多带负载，小机组少带负载，优化机组带载。调度模式调节，人为给定机组固定带载数值。单平台模式调节，适用于某个电站脱离电网单独运行工况下的调节。SVG调节模式，基于W111发电机组功率因数控制SVG输出无功数值。
（3）运行效果及应用
新型能量管理系统（EMS）的实施，大大提高了涠西南油田群电力系统的安全可靠性，电网运行近七年来，已经成功避免了32次由于发电机组关停而造成整个油田关停的停产事故。项目的创新技术成果已经成功推广应用到所有海上石油平台电力组网项目，如绥中36-1电力联网项目、锦州25-1电力联网项目等。
1.3.2.2 国内首创“海上电网智能控制中心”保障海上电网安全运行
（1）背景
由于海上石油平台联网电力系统分布辽阔、对象众多、信息量巨大、控制目标众多等特点，利用人工处理电力系统运行中出现的问题达到最优控制的目的已不太现实。海上电网智能控制中心采用先进的计算机技术、通信技术和控制技术，通过全局分析电力系统的运行状态，实行实时全局最优控制，可以实现电力系统安全、可靠、优质、经济运行的最终目标。为实现电力系统运行的最终目标，控制中心需对系统进行建模、拓扑分析、状态估计、潮流计算、最优潮流等一系列分析计算，实现基于准稳态数据的“监测-预警-优化-控制”一体化智能监控中心功能，包括以下几方面：
① 将EMS测量与系统模型相结合，采用在线状态估计，提升电网潮流监视的精确性。
② 实现对电网整体运行性能（网损、无功分区平衡性、电压和频率相关的电能质量等）的评估与分析。
③ 提供关键设备（机组、海缆）和电网整体功率裕度的预警功能。
④ 优化潮流分析，提供在线优化运行方式建议。
⑤ 优化机组功率控制，提供发电调度策略。
⑥ 优化无功-电压控制。
⑦ 集成包括机组功率调度和电压-无功调节的功率协调控制，实现电网的自趋优运行，降低网损和排放，提高电网安全稳定性和运行效率。
⑧ 研究基于准稳态功率平衡的紧急控制（优先脱扣）在线预决策方法，提高策略适应性和系统安全性，降低控制保守度。
⑨ 配合STATCOM的装置级多目标控制策略和系统级协调控制策略的设计与分析。
（2）“海上电网智能控制中心”主要创新点
本设计创造性地提出了适合海上电网智能控制的独特设计思路，设计了完善的控制策略，实现了海上电网智能控制的目标和功能。其主要创新点如下：
① 性能指标在线分析、监测与预警功能 从安全性和经济性的角度，根据能量管理系统EMS实测或在线状态估计结果，对电网运行性能进行定量指标化监测、分析与预警。其具体实施方案如下：
a.研究海上油田群电网运行的准稳态性能指标体系，其中安全性指标包括无功功率分区平衡度、电压偏差度、热备用裕度、冷备用裕度、各机组有功/无功功率裕度、海缆热稳定裕度、电网机组间最大相角差；经济性指标包括电网损耗、燃料消耗等。
b.研究各性能指标的计算方法。
c.各性能指标算法的分析与验证。
d.设计各性能指标的门槛值。
e.各性能指标的在线监测与呈现方法。
f.各性能指标的预警分析。
② 海上油田群电网的潮流优化分析和控制功能 潮流优化的目标主要包括经济型指标和运行质量类指标，具体包括发电燃料费用（发电成本）、系统有功网损、电压残差指标。这三个指标不同的线性组合可以得到不同的优化目标，系统的优化结果也将有所差别。用户可以设置三个指标的权重，经过设计好的软件程序计算出需要达到这个效果的电网运行情况，指导运行人员对电网进行调整。
针对涠西南油田群的实际需求，对电网进行了潮流优化分析。具体包括以下几方面：
a.将系统的有功网损、发电燃料费用、系统电压残差作为可选的优化目标。
b.系统中的可控量包括发电机的出力、变压器变比、电抗器、SVG无功功率等。
c.潮流优化的数学模型是典型的多约束非线性优化模型，采用原-对偶内点法作为求解算法。
d.针对可控变量中的离散变量，先将其视为连续变量，然后采用分步规整法，按照一定的顺序分别对各变量进行就近规整，仿真结果表明，该方法可以有效处理离散变量。
e.在IntelliJ IDEA平台上进行潮流优化程序的编写，同时采用IPOPT的程序包进行原-对偶内点法的求解。
f.为增加程序的灵活性，加入用户控制信息，将程序中的部分变量（如发电机的最大最小出力、变压器变比最大最小值、电抗器是否可调等）作为用户可调信息。
③ 涠西南油田群电网的研究态功能 所谓研究态是指在系统当前运行方式下，根据运行操作人员的假想操作，计算分析执行该假想操作后系统的运行状态，并对该状态（操作后的系统状态）进行评估，同时给出与此操作相关的指导建议。由于此分析以运行操作人员的假想操作为背景，通过电力系统数学模型对其进行模拟，分析电力系统下一个时间断面的运行情况，而并非真正实时的电力系统运行状态，因此称为研究态。结合电网实际情况从以下三个方面对研究态做相关分析：
a.特定大型电动机启动分析 电网的小容量与单台电动机的大容量是海上油田群电网的突出矛盾。海上石油平台上的负荷相对固定，而且每条母线上所连的电动机负载也是确定的。同时，有时操作人员更关心系统是否允许某台特定的电动机启动。因此研究系统是否允许某台特定的电动机在特定地点启动，为操作人员提供明确的指导信息（即该电动机是否允许启动：如允许启动，则提示允许；如不允许启动，则说明原因），可以更好地指导运行人员进行操作。
b.启停机组或调整负荷后系统的潮流分布 在启停机组或负荷后，系统将出现功率缺额，发电机的出力也将发生较大的变化。在传统潮流计算中该部分功率缺额全部由V/θ节点（平衡节点或松弛节点）提供。但实际情况却是一部分功率缺额由负荷的频率特性来承担，而大部分功率缺额将由发电机的调速系统的动作来平衡。因此正确地反映系统启停机组或负荷后系统的潮流分布，可以全面提高运行人员对系统认识的准确性。
c.最优潮流在研究态下的单步/多步实施校验 最优潮流分析功能可以保证涠西南油田群电网的安全、可靠、经济、优质运行，但最优潮流给出的是系统所要执行的所有控制信息，并没有时序之分。在具体操作中如何一步一步地实施，需要运行人员根据经验完成。这不仅加重了运行人员的工作负担，同时也为电网的安全运行埋下了隐患。因此，在研究态中单步/多步地仿真最优潮流的控制，不仅可以极大地改善运行人员的工作环境，同时也会提高系统运行的安全性。系统运行人员根据最优潮流的控制信息，输入将要对系统实施的单步/多步操作，计算分析生成操作后系统的运行状态，并校验该状态是否能够满足运行要求，给出相关信息指导运行人员进行操作。
④ 海上油田群电网的紧急控制策略研究 海上油田群电网发生事故扰动后通过相应的减负荷措施即可使系统恢复稳定。由于燃气轮机组的快速调节特性，当系统负荷发生变化后，机组可以迅速调节出力，以满足发电与负荷的平衡。因此对于目前海上油田群电网的紧急控制系统可以不单独考虑暂态、电压等动态稳定性，而将这些动态影响在一定程度上包括在稳定裕度中，主要考虑发生故障后系统的负荷与发电功率的平衡，对应的紧急控制系统的主要措施是切负荷，又称为优先脱扣。因此，海上油田群电网紧急控制策略的核心可以转化为包括潮流约束在内的多约束切负荷策略优化问题。
紧急控制的过程可以分为三部分：参数收集、策略表生成、执行控制。整体来说紧急控制的过程如下所示：
a.参数收集 参数收集即收集电网当前的运行参数，确定当前的运行方式、接线方式等，确定系统的整体结构。这是在线预决策的第一步，也是保证策略表正确的前提。参数收集是一个周期性的工作，在电网运行方式不发生突变的假设前提下，每隔一段时间（如5min）进行参数收集，更新数据。
b.策略表生成 策略表的生成是紧急控制的核心内容，即在收集到所需的数据后，首先分析出系统可能存在的故障类型，即N-1、N-2或多机切机以及不同的系统解列故障，然后对不同类型的故障进行扫描计算，寻找到对应的最优策略，生成当前运行参数对应的策略表。并判断收集的参数是否有刷新，当检测到数据刷新的信号后，重新生成策略表。
c.执行控制 执行控制是紧急控制的实现版块，对当前电网的事故扰动进行判断，然后根据当前电网的事故扰动类型，在策略表中搜索匹配的控制策略，指导系统的运行。执行控制是紧急控制有效实行的有力保证。
（3）运行效果及应用
海上油田群电网“监测-预警-优化-控制”一体化智能控制中心是现有油田群电网信息系统的提升，目标是实现电网“监测-预警-优化-控制”功能的一体化、模型化、在线化和智能化，从而保证电网的安全稳定和经济高效运行。
1.3.2.3 创新型海底电缆设计和成功应用保障了电力组网的通信“通道”
（1）背景
传统的复合型海缆设计通常为不锈钢套管内带光纤的方式，不锈钢套管由软填料固定在电缆与外钢丝铠装间三角形区域内，在海底电缆成缆过程中，运输、施工过程中极易损坏光纤，给后续的电力系统建设带来不小的麻烦，如W12-1油田B平台的海缆，在施工过程中将其10根光纤损坏7根，严重影响了W12-1A平台和W12-1B平台的生产管理系统和电力系统建设。本技术的海底电缆截面较大，为3×185mm2，电缆也长达32.5km，整根电缆质量达到1298t。同时，海缆敷设的涠洲海域为渔区，海缆敷设方式为挖沟0.7m进行敷设，这些都对光纤的保护提出更高的难度。而本技术中，光纤是整个电力组网项目的“神经”，不仅电网安全控制系统需要它，而且将来涠西南油田区域内的采油自动化建设、数字化油田的建设都必须依靠它，所以，海底电缆的光纤非常重要。为此，在原有海底电缆设计的基础上，本技术创新性地进行了海底电缆的设计以满足对光纤保护的要求。
（2）创新性的海底电缆设计
将24根光纤分两股对称分布在电缆的两侧，以使海缆在异常弯曲的情况下依然能够保护好其中一侧的那股光纤，复合海缆截面示意图如图1-11所示。
图1-11 复合海缆截面示意图
在光纤的不锈钢松套管外面，创造性地设计了两圈方向相反铠装的磷化钢丝，大大加强了光纤不锈钢松套管的硬度和抗扭能力，光纤截面示意图如图1-12所示。
图1-12 光纤截面示意图
在以往的海底电缆设计中，电缆、光纤不锈钢松套管之间的填料通常为软填料，常常导致海底电缆成缆过程中，将软填料和光纤不锈钢松套管挤进电缆间的情况，导致光纤损坏。本技术国内首创光纤不锈钢松套管的“鸟巢”结构设计形式：将电缆、光纤不锈钢松套管之间的软填料设计成模式的硬填料，并根据不锈钢松套管的实际大小在硬填料中设计合适的“鸟巢”，从而更好地保护光纤。
（3）应用效果
海底电缆制造完成后，经过取样进行拉伸强度、弯曲等破坏性实验，电缆允许使用最大张力达110kN；电缆允许最大侧压力达3000N/m；电缆弯曲刚度达0.15 kg/mm2；允许最小弯曲半径：敷设中2720mm，运行中2040mm；张力弯曲后光纤残余衰减≤0.02dB，远远优于通常复合型海缆设计的0.05dB。本技术施工完成后，经光纤检测测试，24根光纤完好，光缆衰减量完全达标。
涠西南油田群电力组网项目的海底电缆设计中，国内首创海缆光纤结构形式设计，保障了电力组网的安全通信“通道”，在我国海上海底电缆的设计、加工、施工过程中，具有广泛的推广价值。