海上石油平臺電力組網(wǎng)和EMS系統(tǒng)設(shè)計探討

郭超群

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津 300450

電力組網(wǎng)供電較單個電站的孤島供電具有明顯優(yōu)勢。實施電力組網(wǎng)后平臺之間能共享備用發(fā)電機組，增強電網(wǎng)的抗擾動性能，減少設(shè)備投資，使邊際油田開采成為可能。目前電力組網(wǎng)及EMS系統(tǒng)已是海上油田開發(fā)的發(fā)展趨勢。

1 電力組網(wǎng)的必要性

電力組網(wǎng)供電較單個的電站獨立供電有明顯的優(yōu)勢，如下：平臺之間可互供電力、互為備用，減少事故及大型負荷啟動備用容量，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性；同時增強電網(wǎng)抵抗事故能力，實現(xiàn)事故情況下的相互支援，最終提高各電站安全水平和供電可靠性.避免因平臺電站出現(xiàn)問題造成整個平臺供電的中斷。能承受較大的沖擊負荷，如注水泵、壓縮機等沖擊負荷，從而有利于改善提高電能質(zhì)量?？蓽p少備用機組數(shù)量，節(jié)省投資及運行維護成本。兩平臺可以通過共享一臺備用電站，節(jié)省投資及平臺的占用空間[1]。

2 海上石油平臺電力組網(wǎng)和EMS系統(tǒng)設(shè)計

2.1 海上石油平臺電力組網(wǎng)設(shè)計

這里以KL10-1電力組網(wǎng)為例進行分析設(shè)計。墾利一期工程中，選擇電力組網(wǎng)電壓等級及海纜主電站設(shè)置根據(jù)負荷計算書與發(fā)電機多種運行方式下平臺間負荷傳輸計算，KL10-1CEP與其它兩個中心平臺間最大傳輸功率為18086KVA。綜合考慮輸電距離，海纜的電容電流，35kV與110kV設(shè)備的造價，與原有電網(wǎng)設(shè)備的一致性，海底高電壓輸電技術(shù)成熟性等因素，優(yōu)先選擇再鋪設(shè)一條35kV，3X240mm2的復(fù)合海纜。電網(wǎng)運行方式與穩(wěn)定性計算，全網(wǎng)投產(chǎn)初期最大負荷為61589kW（不含預(yù)留負荷）、全網(wǎng)最大負荷年為2024年，負荷為72958kW、最小負荷為7168 kW，并配置9臺單機容量均為10500kW的發(fā)電機。對2015年最大負荷、最大負荷（2024年）、最小負荷工況進行潮流校核，以確定海纜容量，主變?nèi)萘?，各母線電壓，功率因素等是否滿足要求。根據(jù)電力系統(tǒng)一次部分中的潮流計算，考慮選取最大負荷時的3種運行方式（穩(wěn)定性問題最突出的運行方式）進行安全穩(wěn)定計算。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定主要包括功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定三個方面。計算分析時若三者都穩(wěn)定，則系統(tǒng)穩(wěn)定。對三種運行方式分別進行切機，切負荷，三相短路故障，無故障平臺機組全停時等對系統(tǒng)的影響分析。根據(jù)安全穩(wěn)定性分析的結(jié)果制定相應(yīng)的保護措施如采取高周切機、優(yōu)先脫扣減負荷或聯(lián)跳35kV出線海纜等措施。平臺電力系統(tǒng)一次設(shè)計，首先，確定各平臺的計算負荷和負荷特點。其次，根據(jù)計算負荷和負荷特點確定中壓設(shè)備和低壓設(shè)備，并以此確定母線的分段方式，主變壓器的容量，電壓，臺數(shù)，對于聯(lián)網(wǎng)變壓器一般需采用有載調(diào)壓。第三，對平臺的電力系統(tǒng)進行仿真分析。校核母線，主變，斷路器，無功補償裝置（如果設(shè)置的話）的參數(shù)選擇是否可行。第四，中性點接地方式的選擇。計算各電壓等級的電容電流，根據(jù)電容電流的大小確定是否需要接地。經(jīng)平臺上10.5kV系統(tǒng)可采用不接地系統(tǒng)。而35kV系統(tǒng)的電容電流高達257.6A，不能采用不接地方式。綜合考慮各接地方式的優(yōu)缺點以及平臺群后期的擴展，優(yōu)先選擇經(jīng)接地電阻接地的方式。在主變壓器高壓側(cè)配置涌流抑制器，該涌流抑制器通過變壓器斷電時電壓的分閘相位角獲知此路剩磁的極性，下一次合閘時選擇在相近的相位角，從而避免變壓器鐵芯磁通的突變產(chǎn)生勵磁涌流。為解決單臺發(fā)電機帶電纜線路時引起的發(fā)電機自激問題，采用兩臺發(fā)電機組同時帶電纜線路或并網(wǎng)時投入電抗器的運行措施。聯(lián)網(wǎng)后組成的小系統(tǒng)切機或切負荷對發(fā)電機組運行頻率影響較大，需裝設(shè)高周切機裝置在頻率高于52HZ時切除發(fā)電機組。在海纜方面，一旦出現(xiàn)單相或兩相斷線，必須快速切除電纜，否則將引起故障相電壓升高至額定電壓2.4倍左右[2]。

2.2 海上石油平臺EMS系統(tǒng)設(shè)計

電網(wǎng)的管理，負荷的調(diào)節(jié)，有功，無功的分配，事故工況的處理主要由EMS控制系統(tǒng)完成。EMS功能需求分析設(shè)計EMS系統(tǒng)，首先分析系統(tǒng)功能需求，EMS所具有的功能主要有數(shù)據(jù)采集與安全監(jiān)視；發(fā)電調(diào)整與控制；電壓調(diào)整及控制等等，這些功能都是配置在EMS工作站上的，不單獨設(shè)置主站系統(tǒng)。下面具體分析電網(wǎng)系統(tǒng)中的幾種功能，首先是在線安控功能，其在電網(wǎng)中主要是優(yōu)先脫扣功能。電力網(wǎng)出現(xiàn)故障時，EMS系統(tǒng)應(yīng)自動制定優(yōu)先脫扣方案并實施。優(yōu)先脫扣的對象包括注水增壓泵、注水泵等一些輔助的生產(chǎn)設(shè)備回路，這些負荷占平臺總負荷的30%左右且被允許短時停電。經(jīng)過計算，優(yōu)先脫扣需要比較高的實時性，平臺電網(wǎng)發(fā)生故障的6個周波時間內(nèi)，EMS系統(tǒng)應(yīng)采取可靠動作來確保電網(wǎng)的穩(wěn)定。第二種是電站自動化系統(tǒng)功能，其與陸地上電廠綜合自動化系統(tǒng)比較相似，不僅具有一般監(jiān)控功能，還有一些特殊性監(jiān)視及控制功能。EMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析EMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由三層組成：信息層、控制層及間隔層，其中控制層與信息層分別采用一個雙100M網(wǎng)絡(luò)的獨特結(jié)構(gòu)，從而滿足系統(tǒng)在線安控的實時性要求。下面將具體分析下每層的構(gòu)成要素。信息層：WZIT的EMS工作站、工程師工作站及相關(guān)人員工作站，并配備有對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[3]。石油平臺主機、操作員工作站都經(jīng)過了授權(quán)，能夠互相備用。控制層：各個石油平臺的現(xiàn)場控制器、通信服務(wù)器及對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能起到與間隔層、信息層進行設(shè)備通信并進行在線安控及電站自動化等的功能。間隔層：各個石油平臺的繼電保護測控裝置，對各個間隔進行保護、測量并控制。

根據(jù)海洋石油開發(fā)的特點，電網(wǎng)的規(guī)模隨著資源優(yōu)化配置范圍的擴大而擴大.海上電網(wǎng)的發(fā)展也必然要經(jīng)歷從區(qū)域小網(wǎng)到海域大網(wǎng)這一發(fā)展過程，因此海上油田的電力組網(wǎng)在制定方案時除了要滿足本期工程的需要還要著眼于未來的發(fā)展。