電站保護和功率管理模塊在海洋平臺上的應用

于棟亮，褚 煒

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

電站管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）既是海洋平臺實現(xiàn)自動化的一個重要部分，也是進一步提高電站供電可靠性和連續(xù)性的主要工具。傳統(tǒng)的電站控制主要應用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和保護并車模塊（PPU-3），其中PLC實現(xiàn)電站管理和自動化的功能；新型電站則采用保護和功率管理（Protection and Power Management-3，PPM-3）模塊和PLC，依靠PPM-3模塊完成電站管理和自動化的主要功能，PLC僅用于系統(tǒng)信息的采集和通信，該方案不僅能改善控制系統(tǒng)的性能，還可實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)共享，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)分布式控制[1]。

1 PPM-3在海洋平臺電站中的新型應用

常規(guī)電站的PMS組成見圖1，主要由控制主站和從站、觸摸屏及柴油發(fā)電機組并車保護單元（PPU-3）組成。每套柴油發(fā)電機組配置一套PPU-3，可控制柴油發(fā)電機組的調頻調載、負載分配和并車解列，并提供機組的安全保護功能。PPU-3通過通信總線將信息發(fā)送給PMS主站，由PMS主站完成PMS的其他功能和安全保護功能，并在觸摸屏上進行工況顯示。觸摸屏可監(jiān)測柴油發(fā)電機組的運行工況和全船重要用電設備的運行工況，可通過觸摸屏手動控制機組的并網(wǎng)、解列及更改控制參數(shù)。DEIF PPU-3是一個基于微處理器的控制裝置，用于并聯(lián)和保護單元，包含發(fā)電機組保護和控制全部所需的功能（包括發(fā)電機調壓器的控制、柴油機調速器的控制及同步并網(wǎng)等），同時包含所有必需的三相測量電路，并能在液晶顯示屏上顯示當前所有的測量值和報警。

DEIF PPM-3模塊是國內外船舶電站控制系統(tǒng)應用較多的一種發(fā)電機組控制設備，其控制面板圖見圖2。PPM-3也是基于微處理器的控制單元，是應用于海工電站的一個非常靈活的控制器，包含柴油發(fā)電機控制和保護所有必要的功能，所有回路的監(jiān)測數(shù)據(jù)和報警都在液晶屏上顯示。

PPM-3的檢測功能是指接收匯流排的電壓、頻率及其控制的發(fā)電機的電壓、電流和頻率等信號，并進行運算和作相應的處理，從而監(jiān)測電網(wǎng)和所控發(fā)電機的運行狀態(tài)；控制功能是指控制發(fā)電機組的啟動和運行，包括發(fā)電機組啟動和建壓后電壓矢量的同步、主開關的合/分閘、頻載調節(jié)及相關的保護[2]。

圖2 PPM-3控制面板圖

鑒于 PPM-3 除了具有電網(wǎng)檢測功能之外，還有邏輯控制功能，可從經(jīng)濟的角度出發(fā)，對現(xiàn)行控制網(wǎng)絡做一些改進，不配置 PLC。在 3臺發(fā)電機組的電站中使用 PPM-3的電氣連接示意見圖 3。直接采用 3臺PPM-3 分別控制3臺發(fā)電機組，3臺PPM-3 間建立簡單的電氣聯(lián)系，各模塊間可互相通信[3]。

圖3 PPM-3連接示意

2 新型海洋平臺電站管理系統(tǒng)的組成

新型海洋平臺電站管理系統(tǒng)是一個集中控制系統(tǒng)，包含 PPM-3控制單元、調壓器、調速器、PLC和MP377觸摸屏。對每臺發(fā)電機來說，安裝在主機屏上的PPM-3控制裝置用于功率管理、電網(wǎng)的控制和保護。

主機保護功能完全由PPM-3實現(xiàn)，在這種方式下，一旦系統(tǒng)崩潰，只需1臺主機正常運行即可保證電網(wǎng)的安全性。

主機信息包括電流、頻率、電壓及功率等信號和電氣數(shù)據(jù)，這些信息既可直接送入中控，通過中控直接控制，也可通過觸摸屏MP377來操作。

應用PPM-3的海洋平臺電站由6臺發(fā)電機組成，分2段母排，每段母排連接3臺發(fā)電機組（如圖3所示），整個電網(wǎng)6臺機組安裝6個PPM-3控制裝置、調速器和調壓器，此外應急發(fā)電機進線屏和690V母聯(lián)屏也安裝該控制裝置。

3 PPM-3模塊在海洋平臺電站中的應用功能

PPM-3模塊的主要功能是實現(xiàn)海洋平臺電站的保護和電站系統(tǒng)的管理，具有主機的控制、監(jiān)控及保護和發(fā)電機的保護、自動同步及負載分配等功能[4]。在該模塊上可選擇主機的并網(wǎng)順序，以及其他功率管理功能。一旦某個模塊發(fā)生故障，功率管理計算將自動轉入下一個可用模塊。一旦正在運行的主機發(fā)出報警信號，系統(tǒng)將在故障主機退出電網(wǎng)之前自動啟動下一臺主機，然后同步并網(wǎng)。若出現(xiàn)故障停機的情況（開關脫扣、主機切斷），系統(tǒng)將直接啟動下一臺主機并網(wǎng)[5]。

PPM-3模塊具有PPU-3模塊的控制功能，可控制發(fā)動機調速控制器調整發(fā)動機的轉速（并網(wǎng)后調節(jié)發(fā)動機輸出有功功率），可控制發(fā)電機自動電壓調節(jié)器（AVR）調整發(fā)動機的電壓（并網(wǎng)后調節(jié)發(fā)電機機輸出無功功率），并實現(xiàn)機組的并網(wǎng)和保護。

PPM-3模塊具有發(fā)電機組啟動控制功能，按下發(fā)電機組啟動按鈕，首先檢測發(fā)電機是否滿足啟動條件（即油、氣、水是否滿足主機啟動條件，主機是否有報警），若滿足條件，PPM-3發(fā)出啟動命令，主機啟動；隨后檢測主機電壓和頻率是否滿足要求，若滿足，則并入電網(wǎng)，否則發(fā)出報警信號。

PPM-3模塊具有的主要功率管理功能有：優(yōu)先脫扣、優(yōu)先選擇順序啟動、母排斷開和配合變頻器（VFD）控制系統(tǒng)完成功率限制。

1) 優(yōu)先脫扣：PPM-3可自動實現(xiàn)非重要的負載在應急情況下自動脫扣，將這些非重要負載分為一級脫扣和二級脫扣2級。當一臺主機的輸出功率超過設置值，且電網(wǎng)中無備用發(fā)電機可使用時，相關的非重要負載組可自動被脫扣。設置值可根據(jù)現(xiàn)場實際需求，由客戶來修改和設定。

2) 優(yōu)先順序啟動選擇：可用2種方式選擇順序。一種是通過手動設置發(fā)電機組的號碼來設置發(fā)電機組的優(yōu)先順序，這些設置僅能在主機模塊上進行調節(jié)，調節(jié)之后優(yōu)先順序必須通過傳輸模塊來手動傳輸給其他主機。另一種是使用顯示屏上的第一優(yōu)先按鈕，推薦在半自動模式下設置所有主機，以免主機出現(xiàn)不必要的啟動情況。

3) 母排斷開：690V主網(wǎng)通過母聯(lián)開關（BUS-TIE）分為2段母排，母排斷開有2種方式，一種是通過母排開關上的OFF按鈕手動操作，另一種是通過數(shù)字量輸入或自動操作按鈕來完成。

在斷開母排之前，PPM-3會通過檢測2段母排的功率來自動啟動柴油發(fā)電機組，若柴油發(fā)電機組無法承擔載荷的變化，會發(fā)出“母排無法斷開”信號。

若一段母排的所有發(fā)電機組都處在故障或不可用狀態(tài)，則母聯(lián)開關也會發(fā)出“無法斷開”信號，PPM-3不會進入母排斷開控制模式，因為分段母排上所連的柴油發(fā)電機組無法承擔母排上的相應載荷。一旦母排開關斷開，各段母排上將會實現(xiàn)機組正常啟停功能。

4) 配合VFD控制系統(tǒng)完成功率限制：在海洋平臺上，鉆井設備都是大功率負載，因此需具有防止主電網(wǎng)過載和黑啟動的過載保護功能，該功能由鉆井系統(tǒng)的電力系統(tǒng)和主要設備來實現(xiàn)。

功率管理系統(tǒng)從每個發(fā)電機屏的PPM-3控制傳感器中獲得4～20mA信號，這些信號被送至變頻器控制單元，主機的最高負荷率被送至變頻器控制的PLC。其他必要設備和功率限制所需的邏輯也被送至變頻器系統(tǒng)。在負荷率達到預設值之后，變頻器內的功率限制功能將快速響應，抑制負載的增加，以便將主機負荷控制在合適的范圍之內。

該系統(tǒng)的穩(wěn)定性關系到整個電網(wǎng)的安全，故必須獨立于 PMS之外，即使在功率管理系統(tǒng)失效的情況下該系統(tǒng)也能正常運行。此外，當主網(wǎng)可用功率減少時，為防止電站系統(tǒng)崩潰，PMS需做出快速響應。從實際載荷增加時開始，到發(fā)動機的載荷狀況又回到正常水平為止，系統(tǒng)的總反應時間在150～200ms[5]。

4 結 語

在設計海洋平臺主電站系統(tǒng)時，通常采用PLC與PPU-3組合的方式，由PLC實現(xiàn)電站管理和自動化的功能；也可采用PPM-3與PLC組合的方式，本文所述方案中電站管理和自動化的功能由PPM-3模塊來完成，簡化了系統(tǒng)設計，提高了經(jīng)濟性和可靠性。為每臺發(fā)電機組配置一個PPM-3模塊，除完成電站管理和自動化的功能以外，實時監(jiān)測主網(wǎng)和每臺發(fā)電機的電氣參數(shù)，既可根據(jù)電網(wǎng)負荷動態(tài)調整發(fā)電機的在網(wǎng)臺數(shù)，也可根據(jù)發(fā)電機組的在線時間合理安排發(fā)電機組保養(yǎng)計劃。