海上石油平臺電網(wǎng)運行可靠性探討

陳 潔，張 爭，李天斌

（1.武漢大學，武漢 430072；2.長江工程職業(yè)技術(shù)學院，武漢 430212；（3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

中海油邊際油田的開發(fā)大多數(shù)是建造井口平臺，此類平臺不設(shè)立發(fā)電機，依托附近中心平臺電網(wǎng)對其提供電力，這樣有利于提高中心平臺發(fā)電機利用率，減少不必要的備用容量，也符合國家節(jié)能減排的政策，但逐漸增多的井口平臺，使得用電設(shè)備、海底電纜的增長，給中心平臺的發(fā)電機組和電網(wǎng)運行可靠性帶來了不可忽視的問題［1］。這時若能在能量管理系統(tǒng)（EMS）中加入安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，將為提升整個電網(wǎng)可靠運行提供可靠保障。

1 概 述

W油田群位于南海北部灣Z島西南方向，初期電力聯(lián)網(wǎng)由A、B、C、D4座中心平臺和各自衛(wèi)星井口平臺通過海底電纜組成，隨著邊際油田的開發(fā)，又有a、b、c等井口平臺陸續(xù)加入。電力組網(wǎng)的構(gòu)造為：主干線路電壓等級35kV，透平發(fā)電機電壓等級6.3kV；A平臺配置2臺12 500kVA有載調(diào)壓變壓器、4臺功率均為4 281kW發(fā)電機，B平臺、C平臺各配置1臺12 500kVA有載調(diào)壓變壓器，B平臺配置3臺功率均為4 281kW發(fā)電機，C平臺不配置發(fā)電機，D平臺配置2臺功率均為2 834kW發(fā)電機。變壓器均采用消弧線圈接地方式［2］。A平臺至B平臺，B平臺至C平臺，C平臺至D平臺分別采用三芯截面各為3×185mm2、3×95mm2和3×150mm2的海底電纜聯(lián)網(wǎng)，各段電纜帶復合24芯光纖供電網(wǎng)控制系統(tǒng)及別的通信使用。后續(xù)增加的井口a平臺、b平臺加在電網(wǎng)B平臺段，c平臺加在電網(wǎng)C平臺段，其中a平臺配置1臺2 500kVA有載調(diào)壓變壓器，采用三芯截面為3×70mm2的海底電纜；b平臺配置2臺3 150kVA有載調(diào)壓變壓器，采用三芯截面為3×95mm2的海底電纜；c平臺配置1臺2 000kVA有載調(diào)壓變壓器，采用三芯截面為3×70mm2的海底電纜。其電網(wǎng)主線和各平臺電力系統(tǒng)及負荷配置見圖1和表1。

圖1 電網(wǎng)主線示意圖

表1 各平臺電力系統(tǒng)及負荷配置

2 EMS在電網(wǎng)控制中的作用

在A平臺設(shè)置主機／操作員工作站、工程師工作站和EMS工作站，B平臺、C平臺、D平臺設(shè)置操作員工作站，主要功能是：數(shù)據(jù)采集和安全監(jiān)視（SCADA）；頻率（有功）調(diào)整和控制；電壓（無功）調(diào)整和控制；優(yōu)先脫扣等。其中，頻率（有功）調(diào)整和控制、電壓（無功）調(diào)整和控制在電網(wǎng)正常情況下由A平臺主站對電網(wǎng)進行優(yōu)化和控制。在電網(wǎng)發(fā)生故障時，由各控制站的EMS對發(fā)電機有功功率、無功功率、優(yōu)先脫扣進行控制。

2.1 頻率（有功）調(diào)整策略

在EMS的控制中考慮了各平臺處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、獨立運行狀態(tài)等各種運行方式的頻率控制策略?？傮w是以電網(wǎng)頻率（有功功率）大小為依據(jù)，在保持平臺上各臺透平發(fā)電機出力差距在10%或更小范圍，調(diào)整出力最大或者最小的機組實現(xiàn)平衡。

以B平臺在聯(lián)網(wǎng)情況下的頻率（有功）調(diào)整和控制策略為例。在正常情況下，單臺發(fā)電機的最大有功輸出設(shè)定值（Pmax）、最小有功輸出設(shè)定值（Pmin）在各機組PLC控制系統(tǒng)中被預設(shè)定。各發(fā)電機的有功功率實際值不能超過該設(shè)定值。B平臺的總有功功率由EMS自動按各機組的Pmax成比例在線分配到各機組。電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時調(diào)整步驟如下：

（1）識別電網(wǎng)中Pmax最大的發(fā)電機；（2）識別電網(wǎng)中Pmin最小的發(fā)電機；（3）如果總發(fā)電功率大于總預設(shè)值，減小B平臺上Pmax最大的發(fā)電機頻率；（4）如果總發(fā)電功率小于總預設(shè)值，增大B平臺上Pmin最小的發(fā)電機頻率；（5）如果總發(fā)電功率等于總預設(shè)值，并且電網(wǎng)中Pmin／Pmax值小于0.9，則增加B平臺上的Pmin最小的發(fā)電機頻率。

2.2 電壓（無功）調(diào)整策略

電壓（無功）調(diào)整和控制以電網(wǎng)的母線電壓為依據(jù)，在PLC中預設(shè)定調(diào)整發(fā)電機的最大無功輸出設(shè)定值（Qmax）、最小無功輸出設(shè)定值（Qmin），限制實際值不能超過該設(shè)定值；B平臺總無功功率在線控制時由EMS自動按照各機組的Qmax成比例分配到各發(fā)電機。電網(wǎng)電壓發(fā)生偏移時調(diào)整步驟如下：

（1）識別電網(wǎng)中Qmax最大的發(fā)電機；（2）識別電網(wǎng)中Qmin最小的發(fā)電機；（3）如果系統(tǒng)電壓大于母線額定電壓的1.01倍，減小Qmax最大的發(fā)電機勵磁；（4）如果系統(tǒng)電壓小于母線額定電壓的0.99倍，增大Qmin最小的發(fā)電機勵磁；（5）如果系統(tǒng)電壓是在標準值的限定范圍內(nèi)，并且電網(wǎng)中Qmin／Qmax值小于0.9，則增加B平臺上的Qmin最小的發(fā)電機勵磁。

2.3 優(yōu)先脫扣控制策略

當發(fā)生海底電纜故障跳閘等情況，實施EMS中緊急制定的相應優(yōu)先脫扣方案。優(yōu)先脫扣對象為6.3kV回路上的輔助生產(chǎn)設(shè)備注水泵及注水增壓泵等，其負荷約占平臺總負荷的30%左右。EMS在故障發(fā)生6個周波時間120ms內(nèi)，即故障發(fā)生到優(yōu)先脫扣I／O繼電器出口時間，應可靠動作，以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定。當前EMS的優(yōu)先脫扣控制策略，針對電網(wǎng)可能出現(xiàn)的6種故障情況：

（1）A平臺一臺發(fā)電機故障退出電網(wǎng)；（2）B平臺一臺發(fā)電機故障退出電網(wǎng)；（3）A平臺與B平臺主線路之間35kV線路斷路器跳閘；（4）B平臺與C平臺主線路之間35kV線路斷路器跳閘；（5）C平臺與D平臺分線路之間6.3kV線路斷路器跳閘；（6）D平臺一臺發(fā)電機故障退出電網(wǎng)。

根據(jù)各平臺輔助生產(chǎn)設(shè)備注水泵及注水增壓泵等重要性制定脫扣優(yōu)先級；當脫扣條件滿足時，靠近故障跳閘發(fā)電機或海底電纜線路距離越近，級別越低，優(yōu)先卸載［3］。

另外還有高周切機控制策略和通信中斷控制策略。

透平發(fā)電機裝設(shè)有高周保護裝置，在頻率高于52Hz時會自動切除機組。當海底電纜故障跳閘，轉(zhuǎn)供的負荷平臺被切除時，發(fā)電有功功率富余的平臺將發(fā)生高周情況。這時如果透平發(fā)電機高周保護裝置動作，電網(wǎng)中的所有機組都會退出運行，電網(wǎng)崩潰。所以EMS應根據(jù)各平臺運行工況在發(fā)生高周后自動切除部分機組，在透平高周保護裝置動作之前將頻率降低到安全水平。

EMS對電網(wǎng)的控制是通過海底電纜中的光纖通信完成的，為避免在光纖斷芯、通信設(shè)備故障等引起通信中斷EMS失控，各平臺必須根據(jù)本平臺的發(fā)電機功率和海底電纜有功潮流逐漸減少海底電纜的交換功率，實現(xiàn)各自平臺的供電平衡，以保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

3 電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的組成構(gòu)想

目前的EMS系統(tǒng)對電網(wǎng)雖然能完成電網(wǎng)穩(wěn)定運行控制，但依靠目標單一、穩(wěn)定控制裝置單一，隨著平臺的增多，設(shè)備的增加，以及將來在A與C間鋪設(shè)一條新海底電纜，電網(wǎng)構(gòu)成環(huán)狀后，這時油田群電網(wǎng)如出現(xiàn)不可預見的故障，需要更多的依賴多目標、多穩(wěn)定控制裝置的控制方式，就有必要在EMS中加入安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

3.1 整體構(gòu)成

可在A平臺設(shè)置主站，在A平臺、B平臺、C平臺設(shè)置子站，在A平臺、B平臺、D平臺設(shè)置執(zhí)行站。

各站由光纖通道進行通信。為避免裝置在數(shù)據(jù)接收中出現(xiàn)周期滑碼現(xiàn)象，主站和子站之間應采用2Mbps或64kbps高速數(shù)據(jù)同步通信方式，并保證數(shù)據(jù)發(fā)生、接收時鐘同步。

由于電網(wǎng)穩(wěn)定控制具有控制速度快、信息量大、范圍廣等特點，穩(wěn)定控制一般采用開環(huán)預測離散控制。可將各站與EMS進行接口，利用已有的通訊通道、數(shù)據(jù)資源及穩(wěn)定控制裝置，避免設(shè)備與資源的浪費。站間通信連接方式見圖2。

主站負責與各子站的信息交換，數(shù)據(jù)采集、計算和判別線路（變壓器、發(fā)電機）是否運行、判別（變壓器、發(fā)電機、海底電纜）是否跳閘及故障、判別變壓器或線路的過負荷、判別電網(wǎng)運行方式、實施穩(wěn)定控制策略轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)命令。

圖2 站間通信連接方式示意圖

子站負責監(jiān)視本站出線及主變等設(shè)備運行狀態(tài)，將信息發(fā)送給主站，接收主站下發(fā)的運行方式及控制命令，進行本站當?shù)乜刂萍跋驁?zhí)行站發(fā)送控制命令。

執(zhí)行站將本站控制量發(fā)送給子站或主站，接收主站下發(fā)命令，并按要求選擇被控機組，進行輸出控制。根據(jù)需要具有母線過載切負荷、電網(wǎng)低壓切負荷功能。

電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術(shù)的研發(fā)需要建立大量的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與監(jiān)測龐大的系統(tǒng)運行參數(shù)，這就需要高速可靠的硬件平臺和通信通道以及快速準確的穩(wěn)定分析軟件和合適的控制策略［4］。電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置要滿足以下特點：

（1）控制對象以功角穩(wěn)定為主，帶有電壓越限輔助功能；（2）采用分平臺控制、集中管理模式；（3）采用開環(huán)預測控制；（4）充分利用已有的數(shù)據(jù)資源和通行通道；（5）技術(shù)上借鑒已有成熟的數(shù)據(jù)采集、故障辨識、狀態(tài)預測、事故預想、靈敏度分析等技術(shù)。

3.2 對子站在電網(wǎng)中的要求

子站在電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)中起著承上啟下的關(guān)鍵作用，應具備以下功能：

（1）實現(xiàn)穩(wěn)定觀測，數(shù)據(jù)采集的可靠性與準確無誤的穩(wěn)定執(zhí)行機構(gòu)；（2）可維護性、可擴展性好、開放靈活的對策表管理系統(tǒng)；（3）較為合理、完善的穩(wěn)定啟動判據(jù)，準確快速地判斷故障線路、故障類型；（4）完備、冗余式的通訊。

3.3 安全穩(wěn)定控制裝置的構(gòu)成和配置

按一般的構(gòu)成分為3部分：

（1）起動裝置：檢測電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的事故擾動情況；（2）測量裝置：自動確定控制作用方式和控制量的大??；（3）執(zhí)行裝置：實施控制作用，切機和切負荷。

安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的模式分為集中式、分散式、集中和分散相結(jié)合式3種。本系統(tǒng)可采用集中式，主站集中制定所有的決策并發(fā)出控制命令由子站執(zhí)行。

4 安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)對電網(wǎng)故障決策方式

本電網(wǎng)采用集中穩(wěn)定控制系統(tǒng)，根據(jù)電力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)以及發(fā)電機、主變和海底電纜等參數(shù)（總稱結(jié)構(gòu)參數(shù)）和運行時的潮流和電壓等參數(shù)（總稱運行參數(shù)）以及事故情況，確定所采取的控制對策。

決策如下：X表示結(jié)構(gòu)參數(shù)集合，Y表示運行參數(shù)集合，V表示事故擾動集合，U表示穩(wěn)定控制集合?？刂茮Q策根據(jù)實際的結(jié)構(gòu)參數(shù)X1、運行參數(shù)Y1和故障情況V1，確定相應的穩(wěn)定控制對策U1［5］。

由于本電網(wǎng)系統(tǒng)屬于小電網(wǎng)，所以可以采取離線決策控制方式，根據(jù)X、Y、V可能出現(xiàn)的各種組合離線算出各種組合方式，以維持穩(wěn)定的控制對策表U＝（X，Y，V）存于控制裝置的存儲器中。實際運行時，裝置采集結(jié)構(gòu)參數(shù)X1和運行參數(shù)Y1，當檢測到故障V1，則立即從控制對策表中查出相應的控制措施 U1＝（X1，Y1，V1），如圖3所示。

圖3 離線決策控制系統(tǒng)

5 結(jié) 語

根據(jù)以上構(gòu)想，在電力組網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)（EMS）中，增加安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)對提升整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性、監(jiān)視電網(wǎng)運行的實時性、處理故障的及時性都有極大的幫助，也對提升電能質(zhì)量，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障及時進行控制，避免電網(wǎng)解列，減少黑啟動，提高電網(wǎng)的抗沖擊性，并在面對不斷增多的井口平臺電網(wǎng)運行的高度自動化減少人工控制等方面提供了有力保障。EMS在目前海上油田電網(wǎng)的運用能實現(xiàn)電站的高效利用，但在面臨海底電纜斷裂、電站故障、大型設(shè)備的啟停對電網(wǎng)的沖擊還是有局限的，加入安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)后對油田電網(wǎng)運行有更加可靠的保障，從而保證油田的安全生產(chǎn)。

［1］李 鑫，等.電力組網(wǎng)技術(shù)在海洋油氣田平臺開發(fā)中的應用［J］.中國海洋平臺，2011，（26）.

［2］張繼芬.海上石油平臺電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)［J］.石油勘探與開發(fā)，2009，（36）.

［3］張繼芬.海上石油平臺電力組網(wǎng)及其EMS系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電力勘測設(shè)計，2008，（2）.

［4］陳 最，等.電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制方式探討［J］.東北電力技術(shù)，2004，（7）.

［5］孫光輝.區(qū)域穩(wěn)定控制中的若干技術(shù)問題［J］.電力系統(tǒng)自動化，1999，23，（3）.