海上石油平臺電網運行可靠性探討

陳 潔，張 爭，李天斌

（1.武漢大學，武漢 430072；2.長江工程職業技術學院，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大多數是建造井口平臺，此類平臺不設立發電機，依托附近中心平臺電網對其提供電力，這樣有利于提高中心平臺發電機利用率，減少不必要的備用容量，也符合國家節能減排的政策，但逐漸增多的井口平臺，使得用電設備、海底電纜的增長，給中心平臺的發電機組和電網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（EMS）中加入安全穩定控制系統，將為提升整個電網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，初期電力聯網由A、B、C、D4座中心平臺和各自衛星井口平臺通過海底電纜組成，隨著邊際油田的開發，又有a、b、c等井口平臺陸續加入。電力組網的構造為：主干線路電壓等級35kV，透平發電機電壓等級6.3kV；A平臺配置2臺12 500kVA有載調壓變壓器、4臺功率均為4 281kW發電機，B平臺、C平臺各配置1臺12 500kVA有載調壓變壓器，B平臺配置3臺功率均為4 281kW發電機，C平臺不配置發電機，D平臺配置2臺功率均為2 834kW發電機。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的海底電纜聯網，各段電纜帶復合24芯光纖供電網控制系統及別的通信使用。后續增加的井口a平臺、b平臺加在電網B平臺段，c平臺加在電網C平臺段，其中a平臺配置1臺2 500kVA有載調壓變壓器，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有載調壓變壓器，采用三芯截面為3×70mm2的海底電纜。其電網主線和各平臺電力系統及負荷配置見圖1和表1。

圖1 電網主線示意圖

表1 各平臺電力系統及負荷配置

2 EMS在電網控制中的作用

在A平臺設置主機／操作員工作站、工程師工作站和EMS工作站，B平臺、C平臺、D平臺設置操作員工作站，主要功能是：數據采集和安全監視（SCADA）；頻率（有功）調整和控制；電壓（無功）調整和控制；優先脫扣等。其中，頻率（有功）調整和控制、電壓（無功）調整和控制在電網正常情況下由A平臺主站對電網進行優化和控制。在電網發生故障時，由各控制站的EMS對發電機有功功率、無功功率、優先脫扣進行控制。

2.1 頻率（有功）調整策略

在EMS的控制中考慮了各平臺處于聯網狀態、獨立運行狀態等各種運行方式的頻率控制策略。總體是以電網頻率（有功功率）大小為依據，在保持平臺上各臺透平發電機出力差距在10%或更小范圍，調整出力最大或者最小的機組實現平衡。

以B平臺在聯網情況下的頻率（有功）調整和控制策略為例。在正常情況下，單臺發電機的最大有功輸出設定值（Pmax）、最小有功輸出設定值（Pmin）在各機組PLC控制系統中被預設定。各發電機的有功功率實際值不能超過該設定值。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。電網頻率發生偏移時調整步驟如下：

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

2.2 電壓（無功）調整策略

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

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

2.3 優先脫扣控制策略

當發生海底電纜故障跳閘等情況，實施EMS中緊急制定的相應優先脫扣方案。優先脫扣對象為6.3kV回路上的輔助生產設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在故障發生6個周波時間120ms內，即故障發生到優先脫扣I／O繼電器出口時間，應可靠動作，以保證電網的穩定。當前EMS的優先脫扣控制策略，針對電網可能出現的6種故障情況：

（1）A平臺一臺發電機故障退出電網；（2）B平臺一臺發電機故障退出電網；（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平臺一臺發電機故障退出電網。

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

另外還有高周切機控制策略和通信中斷控制策略。

透平發電機裝設有高周保護裝置，在頻率高于52Hz時會自動切除機組。當海底電纜故障跳閘，轉供的負荷平臺被切除時，發電有功功率富余的平臺將發生高周情況。這時如果透平發電機高周保護裝置動作，電網中的所有機組都會退出運行，電網崩潰。所以EMS應根據各平臺運行工況在發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、通信設備故障等引起通信中斷EMS失控，各平臺必須根據本平臺的發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，實現各自平臺的供電平衡，以保證電網穩定運行。

3 電網安全穩定控制系統的組成構想

目前的EMS系統對電網雖然能完成電網穩定運行控制，但依靠目標單一、穩定控制裝置單一，隨著平臺的增多，設備的增加，以及將來在A與C間鋪設一條新海底電纜，電網構成環狀后，這時油田群電網如出現不可預見的故障，需要更多的依賴多目標、多穩定控制裝置的控制方式，就有必要在EMS中加入安全穩定控制系統。

3.1 整體構成

可在A平臺設置主站，在A平臺、B平臺、C平臺設置子站，在A平臺、B平臺、D平臺設置執行站。

各站由光纖通道進行通信。為避免裝置在數據接收中出現周期滑碼現象，主站和子站之間應采用2Mbps或64kbps高速數據同步通信方式，并保證數據發生、接收時鐘同步。

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

主站負責與各子站的信息交換，數據采集、計算和判別線路（變壓器、發電機）是否運行、判別（變壓器、發電機、海底電纜）是否跳閘及故障、判別變壓器或線路的過負荷、判別電網運行方式、實施穩定控制策略轉發有關命令。

圖2 站間通信連接方式示意圖

子站負責監視本站出線及主變等設備運行狀態，將信息發送給主站，接收主站下發的運行方式及控制命令，進行本站當地控制及向執行站發送控制命令。

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

電網穩定控制技術的研發需要建立大量的網絡結構與監測龐大的系統運行參數，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定分析軟件和合適的控制策略［4］。電網穩定控制裝置要滿足以下特點：

（1）控制對象以功角穩定為主，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）采用開環預測控制；（4）充分利用已有的數據資源和通行通道；（5）技術上借鑒已有成熟的數據采集、故障辨識、狀態預測、事故預想、靈敏度分析等技術。

3.2 對子站在電網中的要求

子站在電網穩定控制系統中起著承上啟下的關鍵作用，應具備以下功能：

（1）實現穩定觀測，數據采集的可靠性與準確無誤的穩定執行機構；（2）可維護性、可擴展性好、開放靈活的對策表管理系統；（3）較為合理、完善的穩定啟動判據，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 安全穩定控制裝置的構成和配置

按一般的構成分為3部分：

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

安全穩定控制系統的模式分為集中式、分散式、集中和分散相結合式3種。本系統可采用集中式，主站集中制定所有的決策并發出控制命令由子站執行。

4 安全穩定控制系統對電網故障決策方式

本電網采用集中穩定控制系統，根據電力系統的拓撲結構以及發電機、主變和海底電纜等參數（總稱結構參數）和運行時的潮流和電壓等參數（總稱運行參數）以及事故情況，確定所采取的控制對策。

決策如下：X表示結構參數集合，Y表示運行參數集合，V表示事故擾動集合，U表示穩定控制集合。控制決策根據實際的結構參數X1、運行參數Y1和故障情況V1，確定相應的穩定控制對策U1［5］。

由于本電網系統屬于小電網，所以可以采取離線決策控制方式，根據X、Y、V可能出現的各種組合離線算出各種組合方式，以維持穩定的控制對策表U＝（X，Y，V）存于控制裝置的存儲器中。實際運行時，裝置采集結構參數X1和運行參數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

5 結 語

根據以上構想，在電力組網的能量管理系統（EMS）中，增加安全穩定控制系統對提升整個電網的穩定性、監視電網運行的實時性、處理故障的及時性都有極大的幫助，也對提升電能質量，在電網出現故障及時進行控制，避免電網解列，減少黑啟動，提高電網的抗沖擊性，并在面對不斷增多的井口平臺電網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的運用能實現電站的高效利用，但在面臨海底電纜斷裂、電站故障、大型設備的啟停對電網的沖擊還是有局限的，加入安全穩定控制系統后對油田電網運行有更加可靠的保障，從而保證油田的安全生產。

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

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

［3］張繼芬.海上石油平臺電力組網及其EMS系統設計與實現［J］.電力勘測設計，2008，（2）.

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

［5］孫光輝.區域穩定控制中的若干技術問題［J］.電力系統自動化，1999，23，（3）.