數(shù)字電站與模擬傳動(dòng)系統(tǒng)功率限制的實(shí)現(xiàn)

李文磊，孫龍林，周宏宇，劉晉雷，王 倫

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201208）

1 項(xiàng)目背景

“勘探四號(hào)”半潛式鉆井平臺(tái)電站系統(tǒng)為ROSS HILL 80年代產(chǎn)品，該系統(tǒng)核心部件為AC模塊，AC模塊集柴油發(fā)電機(jī)組控制、保護(hù)、監(jiān)控于一體。因年代久遠(yuǎn)，AC模塊內(nèi)電氣元件老化嚴(yán)重，系統(tǒng)故障頻發(fā)，備件供貨困難。為恢復(fù)系統(tǒng)功能，并使之穩(wěn)定運(yùn)行，需將AC模塊進(jìn)行升級(jí)改造。改造方案為：柴油機(jī)速度控制使用Woodward 2301E，發(fā)電機(jī)電壓控制使用CAT CDVR，功率分配與系統(tǒng)保護(hù)使用Woodward Easy Gen 3200，改造完成后，模擬系統(tǒng)升級(jí)為數(shù)字系統(tǒng)。

系統(tǒng)改造的難點(diǎn)在于功率限制的實(shí)現(xiàn)，功率限制分為有功限制與總電流限制兩部分。當(dāng)平臺(tái)消耗的總有功功率高于在網(wǎng)柴油機(jī)總有功功率，或總電流高于在網(wǎng)發(fā)電機(jī)總電流，功率限制功能需及時(shí)投入。功率限制發(fā)生時(shí)，會(huì)有司鉆臺(tái)功率百分比表與功率限制指示燈提醒司鉆，司鉆將根據(jù)提示做減負(fù)荷操作，司鉆臺(tái)百分比表與指示燈見圖1。功率限制信號(hào)還會(huì)通過功率限制板傳送至傳動(dòng)系統(tǒng)SCR模塊，限制直流負(fù)載輸出，避免柴油機(jī)或發(fā)電機(jī)過載，造成設(shè)備損壞或全船失電，功率限制板見圖2。

2 原系統(tǒng)功率限制實(shí)現(xiàn)原理

圖 1 功率限制指示Fig. 1 Indiation of power limitation

AC模塊采集有功功率和總電流信號(hào)，采集信號(hào)進(jìn)入功率限制板進(jìn)行運(yùn)算，功率限制板原理示意圖見圖3。有功功率或總電流信號(hào)超過額定值，就會(huì)使直流系統(tǒng)的可控硅觸發(fā)角后移，降低SCR直流輸出電壓，減小負(fù)載，從而減小交流電網(wǎng)負(fù)載，確保柴油發(fā)電機(jī)組不會(huì)過載。

當(dāng)電網(wǎng)上所有發(fā)電機(jī)的有功功率小于額定值的總和的75%時(shí)，Z3組成的PI調(diào)節(jié)器輸出負(fù)電平，此負(fù)電平信號(hào)經(jīng)12端輸出后對(duì)SCR直流模塊不起作用。圖3中Z1、Z2組成斜坡電路，對(duì)功率變化起到延時(shí)緩沖作用，其中Z1組成比較器，Z1同相端輸入電平小于反相端固定電平，具有正反饋特性的Z1輸出接近負(fù)電源電壓，輸至Z2反

圖 2 功率限制板Fig. 2 Power limitation PCB

相端，Z2輸出正電平，并被D5和導(dǎo)通的Q1箝位。此時(shí)D7截止，Z2輸出對(duì)D3不起作用，Z3的輸出跟隨kW變化而變化。

當(dāng)kW信號(hào)大于發(fā)電機(jī)總額定值的75%但小于100%時(shí)，Z1的同相端輸入電平大于反相端電平，輸出接近正電源的電壓。此電壓信號(hào)經(jīng)過爬坡延時(shí)，并預(yù)加功率限制，此時(shí)Z2仍然輸出負(fù)電平，Z3仍然輸出負(fù)電平信號(hào)，Z3不對(duì)kW信號(hào)進(jìn)行限制，同時(shí)，Z3的輸出信號(hào)經(jīng)12端輸出至SCR柜DC模塊，使SCR導(dǎo)通角滯后，減低直流輸出電壓，達(dá)到限制直流負(fù)載功率的目的。

圖 3 功率限制板原理示意圖Fig. 3 Power limitation principle

同時(shí)，Z3輸出送至Z6同相端，當(dāng)Z3的負(fù)電平信號(hào)低于D14的正向壓降時(shí)，Z6輸出負(fù)電平，Q2截止。當(dāng)kW信號(hào)大于等于100%總額定功率時(shí)，Z3輸出的電平高于D14的正向壓降，Z6輸出正電平，Q2導(dǎo)通，使繼電器K1-B線圈通電吸合，接通司鉆臺(tái)和控制柜面板上功率限制報(bào)警指示燈。

另外，在功率限制板的10端，有總電流I tot信號(hào)輸入，總電流信號(hào)輸至PI調(diào)節(jié)器Z5，Z5的工作狀況與Z3相同，指示省略了由Z1和Z2組成的斜坡電路，對(duì)Z5的調(diào)試與對(duì)Z3的調(diào)試相同，即令kW最小，I tot最大時(shí)，為了安全，總是選擇R29、R30、R31，使12端輸出為零。Z3輸出和Z5輸出都起功率限制的作用，為了安全，總是選擇其中較大的一個(gè)輸出起控制作用，這種選擇功能由D9和D13組成的“或”門實(shí)現(xiàn)。

從以上分析可知，在網(wǎng)有功功率達(dá)到總功率的75%時(shí)，功率限制開始起作用，限制直流負(fù)載輸出。當(dāng)有功功率大于等于總額定有功功率的100%時(shí)，直流負(fù)載的輸出完全被限制。功率限制的實(shí)現(xiàn)，需要將數(shù)字系統(tǒng)的有功信號(hào)和總電流信號(hào)發(fā)送到功率限制板，由功率限制板再將限制信號(hào)發(fā)送到SCR傳動(dòng)系統(tǒng)，而傳動(dòng)系統(tǒng)仍為ROSS HILL的模擬系統(tǒng)。因此，要實(shí)現(xiàn)功率限制功能，首先要明確功率限制板的輸入、輸出信號(hào)值，再采取可行方案將這些值加至功率限制板。

用泥漿泵打高壓的方法測(cè)試功率限制板10點(diǎn)（總電流輸入信號(hào)）、11點(diǎn)（有功輸入信號(hào)）、12點(diǎn)（功率限制輸出信號(hào)）的實(shí)際值，功率限制板輸入、輸出值對(duì)應(yīng)的功率百分比見圖4，根據(jù)這些值選擇有效的功率限制方案。

3 功率限制的實(shí)現(xiàn)

功率限制作為平臺(tái)能量管理的一部分，控制依據(jù)是將柴油機(jī)組容量和當(dāng)前負(fù)載容量進(jìn)行比較，以有功為例，并網(wǎng)運(yùn)行的柴油機(jī)組有功功率減去當(dāng)前負(fù)載有功功率得出剩余有功功率，并以此作為有功功率限制的額度[1]。這個(gè)額度就代表負(fù)載還能夠申請(qǐng)到的功率大小，當(dāng)可用額度下降到小于25%時(shí)，那么電網(wǎng)就要進(jìn)入有功功率限制狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于有功功率限制狀態(tài)，當(dāng)額度為零時(shí)，直流負(fù)載將不隨司鉆控制指令的增加而增加，直到可用有功功率變?yōu)檎登夜β氏拗乒δ芡顺鲞\(yùn)行為止[2]。

圖 4 功率限制板實(shí)際輸入、輸出值Fig. 4 Input and output signals of power limitation PCB

平臺(tái)直流負(fù)載主要有兩種：泥漿泵引起的穩(wěn)定負(fù)載和鉆井絞車引起的突變負(fù)載?！翱碧剿奶?hào)”平臺(tái)4臺(tái)柴油機(jī)額定功率分別為：1#機(jī)1 050 kW，2#機(jī)1 650 kW，3#機(jī)1 450 kW，4#機(jī)1 450 kW，4臺(tái)發(fā)電機(jī)額定電流都為2 625 A。因4臺(tái)柴油機(jī)功率不同，因此有功限制的前提是用Easy Gen 3200將在網(wǎng)柴油機(jī)功率按比例均分，在均分的條件下做有功限制[3]。另考慮到柴油機(jī)已運(yùn)行近12×105h，為保證電站安全，將有功功率限制值設(shè)定為額定值的80%，總電流限制設(shè)定為額定值的100%。在選擇控制方案時(shí)，優(yōu)先考慮實(shí)現(xiàn)有功功率限制，避免因柴油機(jī)過載而引起全船失電。有功功率限制實(shí)現(xiàn)后，再通過同樣的控制方式實(shí)現(xiàn)總電流限制。

3.1 加固定電位值實(shí)現(xiàn)

Easy Gen 3200可監(jiān)測(cè)在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組的有功功率，把有功功率當(dāng)前值的信號(hào)經(jīng)過處理，處理信號(hào)作為可變指令，選取一個(gè)可編程DO做邏輯輸出，該DO點(diǎn)觸發(fā)可調(diào)電位模塊，輸出限制電位值。

Easy Gen 3200具有可編輯邏輯輸出點(diǎn)，這些點(diǎn)不是簡(jiǎn)單的靠輸入信號(hào)觸發(fā)，而是可以通過各種指令或功能的組合，通過邏輯變換，得到想要的輸出。其邏輯結(jié)構(gòu)見圖5。

圖 5 3200可編輯邏輯輸出結(jié)構(gòu)Fig. 5 Logic output of 3200

以1號(hào)機(jī)為例，在Easy Gen 3200參數(shù)設(shè)置軟件（Tool kit）里選Config_Monitoring -Flex Limit-16，將功率限制值取為800 kW，設(shè)置參數(shù)見圖6。選擇Config_ IO- Discrete _ Output-08，將該輸出點(diǎn)設(shè)置邏輯為：當(dāng)Flex Limit-16達(dá)到800 kW時(shí)，DO 08動(dòng)作，設(shè)置邏輯見圖7。用DO 08的邏輯觸發(fā)電位模塊輸出6.2 V（80%額定功率，800 kW）到11點(diǎn)。

設(shè)置完成后，當(dāng)1#機(jī)有功功率達(dá)到800 kW時(shí)，6.2 V電壓將作用于功率限制板11點(diǎn)位。經(jīng)實(shí)際負(fù)載測(cè)試，該方式對(duì)穩(wěn)定負(fù)載起作用，但對(duì)絞車引起的突變負(fù)載，限制不及時(shí)，會(huì)引起全船失電。

圖 6 Flex Limit-16功率設(shè)置參數(shù)Fig. 6 Parameter set up of Flex Limit-16

圖 7 DO 08輸出邏輯設(shè)置Fig. 7 Logic output of DO 08

3.2 用PLC通訊實(shí)現(xiàn)

Easy Gen 3200有4個(gè)通訊口、2個(gè)CAN bus口、1個(gè)RS-232口、1個(gè)RS-485口（Modbus），其中RS-485口可以與PLC建立通訊。選用SIEMENS S7-300系列PLC及PROFIBUS轉(zhuǎn)MODBUS模塊進(jìn)行硬件組態(tài)，組態(tài)完成后建立通訊，根據(jù)Easy Gen 3200通訊規(guī)程，讀取每臺(tái)柴油機(jī)的有功功率參數(shù)，并將參數(shù)比較得出最大值，通過AO模塊輸出相應(yīng)的電位值，用以實(shí)現(xiàn)功率限制。

選用PS 307電源模塊（6ES7307-1EA01-0AA0）、CPU 315-2DP（6ES7315-2AH14-0AB0）、A08X-12bit模擬量模塊（6ES7332-5HF00-0AB0）、鼎實(shí)科技PB-B-MODBUS總線橋進(jìn)行硬件組態(tài)，用以實(shí)現(xiàn)PLC與Easy Gen 3200之間的通訊，PLC組態(tài)完成見圖8[4]。根據(jù)Easy Gen 3200通訊規(guī)程，采集有功功率（地址 50009）數(shù)據(jù)，其地址設(shè)置見圖9。

因4臺(tái)機(jī)組額定有功功率不同，因此需編程將有功功率數(shù)據(jù)進(jìn)行百分化并比較，取4臺(tái)機(jī)組有功百分比最大值[5]。最后將最大值轉(zhuǎn)化為需要電位的數(shù)字量（0～17 142）并在AO點(diǎn)輸出（0 ～6.2 V），功率百分比比較段程序如下：

圖 8 PLC組態(tài)完成Fig. 8 Configuration of plc

圖 9 有功功率地址設(shè)置Fig. 9 Power parameter ID set up

編程結(jié)束并建立PLC與Easy Gen 3200通訊后，加載測(cè)試。經(jīng)泥漿泵穩(wěn)定負(fù)載測(cè)試，AO輸出至功率限制板11點(diǎn)電位信號(hào)正常，功率限制功能起作用。但用絞車突變負(fù)載測(cè)試，Easy Gen 3200所顯示功率值超前于11點(diǎn)電位值。功率限制無法實(shí)現(xiàn)，會(huì)引起全船失電?，F(xiàn)場(chǎng)判斷無法實(shí)現(xiàn)對(duì)突變負(fù)載的限制，可能是因通訊速率低導(dǎo)致響應(yīng)不及時(shí)，將通訊速率由187.5 kbps更改為6 Mbps，仍然無法限制絞車引起的突變負(fù)載。

3.3 用功率變送器實(shí)現(xiàn)

丹控TAS-331DG功率變送器可以監(jiān)測(cè)交流電網(wǎng)有功功率。該變送器可以通過軟件（Transducer Configuration Software Ver122 Setup）進(jìn)行電壓互感器、電流互感器的變比設(shè)置，同時(shí)可以設(shè)置功率范圍與輸出電壓范圍，其設(shè)置界面非常友好。

在本項(xiàng)目中，以1#機(jī)為例，將電壓互感器設(shè)置為600 V/120 V，電流互感器設(shè)置為3000 A/5 A，功率范圍設(shè)置為0～800 kW，輸出電壓范圍設(shè)置為0 ～6.2 V，設(shè)置后的界面見圖10。

圖 10 功率變送器參數(shù)設(shè)置Fig. 10 Parameter set up of power transducer

將功率變送器輸出接至功率限制板11點(diǎn)，經(jīng)泥漿泵穩(wěn)定負(fù)荷，絞車突變負(fù)荷的測(cè)試，由功率變送器輸出的電位信號(hào)響應(yīng)及時(shí)，能夠很好地完成功率限制功能。

使用同樣的方法，以1#機(jī)為例，用DEIF TAS-321DG電流變送器采集發(fā)電機(jī)電流信號(hào)，將電壓互感器設(shè)置為600 V/120 V，電流互感器設(shè)置為3 000 A/5 A，電流范圍設(shè)置為0～2 625 A，輸出電壓范圍設(shè)置為0～8.3 V，設(shè)置后的界面見圖11。通過調(diào)低電流范圍至0～1 000 A，模擬測(cè)試電流限制功能，經(jīng)穩(wěn)定負(fù)載與突變負(fù)載測(cè)試，電流限制功能正常。

圖 11 電流變送器參數(shù)設(shè)置Fig. 11 Parameter set up of current transducer

4 結(jié)論

對(duì)鉆井平臺(tái)負(fù)載來講，功率限制實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于有效限制鉆井絞車的突變負(fù)載，本文描述了三種功率限制實(shí)現(xiàn)方式，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明使用功率變送器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，限制功能穩(wěn)定可靠。電站數(shù)字化改造完成后，“勘探四號(hào)”平臺(tái)經(jīng)過NB8-1-1井的實(shí)際作業(yè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所實(shí)施的方法和控制策略的可靠性，為確保平臺(tái)電站穩(wěn)定運(yùn)行提供了非常重要的保障。