基于ETAP軟件的自升式生活平臺初步設計

張書忠

(上海宏華海洋油氣裝備有限公司工程設計部，上海 201206)

基于ETAP軟件的自升式生活平臺初步設計

張書忠

(上海宏華海洋油氣裝備有限公司工程設計部，上海 201206)

給出了用ETAP軟件規劃海洋自升式平臺電網的計算分析知識點。探討計算分析結果內容的理解，對電網規劃的經濟性和實用性進行反思，并給出建設性意見。

自升式生活平臺 初步設計 ETAP軟件 短路電流 潮流分析

0 引言

本文涉及的自升式生活平臺是基于我國南海海域現狀，吸收目前國內自升式鉆井平臺，半潛式鉆井平臺的某些特點和優點，以及國外近海導管架式海洋觀測平臺，綜合考慮設計的新型多功能生活平臺。本平臺可以作為近海各種服務補給裝備，具有船舶短時停靠、油水供應、人員生活、貨物存放、直升機起降和存放、氣象預報、衛星通信、聲納、平臺狀況遠程監控、自身防御等功能。該系統不同于鉆井平臺，不涉及石油平臺的生產性工藝設備，而根據應用的可能性，大幅度增加了平臺的內外服務設備。

ETAP軟件是美國OTI公司開發的優秀電力電氣系統分析軟件，包括一些海洋工程企業在內的國內外許多企業均有應用。該軟件具有功能齊全，操作簡單，不易出錯，修改建模容易、直觀等特點；具有大幅度縮短設計分析時間，加快數據結果與分析結論的獲取，迅速為后續設計工作奠定基礎，提高功效的優點。作者在自升式生活平臺項目中，運用ETAP軟件完成對電網的短路電流，潮流，大型電動機起動，諧波，變壓器容量估計，主干電纜選擇校驗等工作，取得良好效果。下文僅以短路電流，潮流為例結合項目工作體會予以闡述。

1 計算分析基礎

ETAP軟件進行電力系統分析需要建模，即對電源、網絡、負荷進行建模；一般情況下無須任何編程，完全圖形化完成。建模所需要的各種電氣元器件全部采用IEC或IEEE（ANSI）標準，軟件本身提供了部分常見元器件數據庫。建模過程中需要對設備設置大量技術參數，這些參數有些很容易獲得，有的則需要向產品設備制造商索要，有的則即使產品制造商也不易確定。設備參數對各種不同目的的計算結果都有不同的影響，所以在建模設置設備參數時應遵循“最大化”原則，就是盡可能的結合有關技術標準文件和實際設備參數去設置，無法獲取的則取用軟件本身提供的典型參數。本自升式生活平臺電網建模具體情況是：全網IEC標準；發電機和電動機等設備參數由輪機和其它相關機械設備專業提供，電儀通設備則是本專業根據相關設計要求和目標而不斷設計和修改確定；其它則用軟件本身提供的典型參數值。

在本專業與輪機，舾裝等專業技術人員協商確定情況下，依據全船負荷分析所確定工況作為計算工況；相關儀表和通訊設備遵循冗余和強制性標準要求配置。

所建平臺電網拓撲結構如圖1（其中較為詳細的說明內容有些是筆者后來加上去和做過調整，這些標記與后文引用的過程計算表格內容不完全一一對應；最終計算分析后所確定的電網與該拓撲結構非常接近，從略）

表1

在電網模型拓撲結構，設備參數輸入調整，設備運行工況確定這“三步曲”完成后，接下來的工作就是有關計算。

2 系統短路電流計算分析

短路電流計算是正確設計船舶電力系統，選擇合適的保護開關和確定分析開關動作值，實現選擇性保護的基礎[1]工作。短路電流計算的方法也有多種，文獻[2,3]都做了較為詳細的闡述。船舶、海洋平臺電網屬于孤島微網，在計算時選用IEC61363-1。表1給出部分主匯流排部分計算結果。

圖1

從表1可以看出，對于同一段故障母線處其它條件不變的情況下，因超暫態電抗減小而有了較大增加；換言之，發電機的這個參數直接影響到電網主要母線的短路電流，亦即對母線的電動力效應有較大的影響。而母線的動穩性不但對配電板系統安全可靠性運行起著重要不可忽視的作用，同時也影響到每一配電板幾何安裝參數，進而對配單板安裝外形尺寸產生影響。而安全可靠性的要求則導致母線配置多少的差異，進而影響到造價和設備重量。

表2是其它有關條件不變的情況下，改變發電機的額定工作電壓和主要負載的額定工作電壓條件下，各部分母線短路電流情況。

表2

從表2看出，電網電壓等級下降后主母線短路電流均增大，而電壓等級調整的母線短路電流值變化不是很大。筆者經過多種工況下兩種電壓等級的計算，并依據計算數據對有關廠家的斷路器進行相關選擇比較分析知，所用斷路器系列級差基本提高一檔，功能參數也大多提高一檔。這樣變化的結果總體上導致配電板價格上升；而不提高電網電壓的情況下，有時某些電氣支路選用廠家器件較為困難現象，也就是出現大多數廠家不能提供合適產品的情形。但電流參數的提高則導致系統安全可靠性下降，配電板內部器件安裝擁擠，基于安全的考慮外形尺寸需要加大，還要采取一些安全措施，這樣盤柜外形和重量勢必增加。經過多次模擬分析結果表明，總的說來提高電網電壓是有利于現有廠家電氣件的選擇，盤柜尺寸，重量變化不是很嚴重。但是變壓器設備的重量，安裝尺寸，以及變壓器本身的冷卻處理等要求得到提高。

以上這些在文獻[1,4]都談到過。但據筆者對國內一些企業的技術人員調查，結果并不理想：大多數人都知道短路電流計算結果主要供有關設備的動穩和熱穩性校核，但除了功能參數選擇外，因功能參數的變化導致前文所涉及電氣零部件本身的幾何、重量等內容變化，盤柜內部安裝電氣零部件的安全可靠性要求，以及系統經濟性（不同廠家內部電氣部件配置安裝設計的差異有時導致盤柜價格上較大的差異）等很少考慮甚至不考慮，單純認為這是一個商務問題而缺乏綜合評估思想。筆者認為這是錯誤的，在市場經濟條件下，節能越發重要情況下，“綠色”海洋工程的大環境下，筆者認為技術人員應該加強對計算后的參數化結論所隱含的其它思想要有充分的認識和洞察，并能綜合運用。

3 潮流分析

通過對電網在不同條件下的潮流分析可以讓技術人員充分了解發電機組配置載荷是否滿足使用要求；不同條件下運行的發電機機組是否過載；其它設備如變壓器，電纜等等主要技術參數是否合適；各配電板負載平衡情況；各主要設備功率損耗，電壓下降，系統不同回路有功無功分配情況等等。根據這些及時把握了解電網和設備的狀況，進一步細化設計工作和優化設備分配及其參數確定等工作，潮流分析對從宏觀上把握整個平臺電網系統性能及經濟性也具有很大的參考價值。

本自升式生活平臺電網潮流計算所采用模型為前述拓撲結構形式的電網，大多數參數在進行短路電流分析時已經輸入；但部分參數，如電纜長度，截面積，根數等，需要手工初步計算確定；考慮到在初步設計階段，大量機械設備電機參數不明，如功率，根據規范原則我們采用等效處理。等效負載主要包括恒容量負荷和恒阻抗負荷，前者等效有關電機，后者等效有關電阻性負載。在初步設計階段，部分電阻性負載如加熱裝置不易精確確定，但功率份額即使到整個項目完成后所占也不是很大，故在初步設計階段不作過多的區分，兩種類型的等效負荷一律統一為一種等效負荷，但適當調整負荷類型比例關系以達到區分兩種類型負載的目的。

參照常見的自升式鉆井平臺和一般近海岸船舶常見的工況，計算采用 “拖航”，“升降定位”，“對外服務”，“應急”等幾種類型工況。不同工況設備的投入運行只需要切換模型中的斷路器開關設備以及負荷運行狀態設定（COLSE/OPEN）即可實現，非常便捷。

因為完整計算報告內容非常多，這里將部分結果以表格的形式“對比”給出，只給出拖航和起升工作狀態的情況。

表3中顏色填充部分表示結果不在許可范圍內，出現低壓非嚴重計算報警狀態。出現這種情況的原因一般是負載有功、無功分配不當，負載過多過大。為了避免這種狀況的，必須要對與該母線相連的設備參數重新核定設置和對負載調整，必要時要對同級母線進行重新分段配載。當該段母線的上級變壓器配置參數設置不當也會出現類似結果情況時，需要調整變壓器主參數和分接頭。

表3

表4

表4給出了經由電纜或變壓器各支路的部分（省略部分類似）潮流結果。據該表，可以看出系統中通過電纜連接的支路在設備投入運行時潮流分布正常；所選擇的電纜也是達到運行要求的。（表中結果為0和結果為空表示在工況設備運行情況時，該支路未接入設備和雖然接入設備但未投入實際運行）。

經過在幾種不同運行工況條件下計算，結果顯示部分設備在運行時出現負荷率超過100% ，即出現微過載情況。一般來說，主要原因在于系統模型本身，大量設備負荷采用了等效處理的辦法，等效統計結果本身存在誤差，潛在的等效處理設備的隨機性會帶來統計結果上的偏差——等效處理時同一母線或主干回路上的設備恒容量負荷和恒阻抗負荷的比例分配關系及其設備的功率因數值上存在問題；有時電纜選用不合適也會出現這種情況。鑒于這些，筆者多次有針對性的調整相關設備負載參數，調整變壓器分接頭；根據設計實際調整電纜的長度，截面積；對母線或主干回路之間進行調載等措施最終使問題得以解決。此外要說明的是，如果發電機出現嚴重過載則可能需要調整發電機本身的技術參數，如額定功率，電壓等；筆者在整個項目的分析過程中也的確遇到過這種情況并最終得以解決。

通過本項目的潮流分析，在初步設計階段，筆者優化和確定了發電機，變壓器，母線及主要電纜技術參數；也為發電機組的自控控制和全電網運行提供了相關科學依據。

4 利用計算軟件分析計算參數輸入注意事項

潮流和短路計算所需參數可以參見文獻[5]，或者通過ETAP軟件手冊，可以知道兩種不同目的的計算所需要的參數有很大一部分是都需要的，這些參數也是影響最終結果的因素。所以，類似前文所述，建模輸入參數盡量用設備制造商提供的或類似設計項目的設備數據為參考，無法獲取的則盡量用軟件本身所提供的典型值，這些典型值當然也都是軟件開發商根據實際經驗并結合理論所給出的；通過這些選擇，盡最大限度減少不合實際的影響因素，減少和避免計算結果出現過大偏差甚至錯誤，提高電網設計的科學化和合理化。

ETAP軟件提供的潮流計算方法是牛頓-拉夫遜法，快速解耦法，加速高斯-賽德爾法。算法本身都需要進行迭代處理，進行電網的潮流計算分析有時會遇上計算時間長而沒有計算結果的程序“假死”現象，一般主要是計算所選用的方法有問題和計算步長，迭代次數不夠所致；出現該情形時需要重新選擇算法和設置計算步長。當節點類型不設置或設置不當，也會導致程序不能正常運行。為此，設置“平衡節點”類型是必須的。據電網潮流分析理論，計算需要一個電源點，此節點電壓幅值和相角已知，是其它節點電壓計算的參考點，待求的是該節點的有功和無功，即所謂平衡節點；此外就是所謂的PQ節點，PV節點。在這三個節點類型中，對自升式生活平臺這種微電網，在迭代運算過程中存在PV到PQ的轉化，所以具體節點的PV、PQ類型不加更詳細的區分設置，對計算過程和計算結果影響不大，只設置平衡節點即可。

最后要指出的是，利用ETAP軟件進行短路電流計算峰值用到抗阻比X/R計算方法的選擇問題。ETAP軟件提供了三種ABC三種方法，這三種不同方法存在差異，對于船舶類電網，我們一般選用第三種，即C法。關于三類法更詳細的理論分析有興趣者可以查閱IEC60909標準。

5 結論

運用ETAP電力電氣分析軟件，對自升式生活平臺電網進行短路電流、潮流以及其它計算分析完成了平臺電網基本規劃和主要設備技術參數的確定，為進一步細化設計奠定了基礎。

利用ETAP軟件進行不同計算分析時要求輸入參數比較多，容易發生疏漏和錯誤，并對最終計算結果產生較大影響，也影響到對電網性能的判別，在進行計算分析時必須注意，不能認為利用軟件計算就可以一勞永逸；而微電網的計算分析要想達到較為客觀的結果需要工作人員對設備參數和運轉設備供電等方面需要做較多的工作，要熟悉目的并對結果所揭示的問題要進行處理。

本文所涉及的平臺電網屬于孤島微網，文中內容沒有考慮與其它電網并網擴展聯合使用的情況，也沒有考慮帶推進器運行或者動力定位的情形；反之，電網的分析還需要更多的工作去做。關于海洋電網組網擴展問題，有興趣的讀者可以參看文獻[6]；帶推進器或動力定位系統的電網分析可以參考其它有關平臺或船電相關文獻及技術標準。

[1] 李海瀛. 海洋石油工程電氣技術[M]. 北京∶ 石油大學出版社, 1998∶ 33.

[2] 王鵬. 船舶電力系統短路電流計算研究[J]. 船舶, 2005,(10)∶ 39-42.

[3] 蘭海, 盧芳, 孟杰. 艦船電力系統[M]. 北京∶ 國防工業出版社, 2013.2.

[4] 邰能靈, 王鵬, 倪明杰. 大型船舶電力系統關鍵技術與應用[M]. 北京∶ 科學出版社, 2012.2.

[5] 唐春華, 戴江江, 賈云浪. 《大型石化企業電力系統建模和仿真計算—ETAP軟件在石化行業中實際應用的經驗交流》,《ETAP電力及電氣系統綜合分析計算軟件·工程應用參考論文》[M]. OTI(南京)計算機有限公司, 2009.4.

[6] 周新剛, 呂應剛, 李毅, 何玉倉. 海上電力孤島組網工程技術[M]. 北京∶ 清華大學出版社, 2013.8.

Preliminary Design of Self-elevating Living Platform Based on ETAP Software

Zhang Shuzhong
（Department of Engineering and Design, Honghua Ocean Oil Equipment Co., Ltd, Shanghai 201206, China）

In this paper, the author describes knowledge on planning grid for self-elevating livingplatform by use of ETAP software. There are some discussions about the understanding of the results for analysis on the grid and some reflections on the economy and practicality of the grid design. In addition, it gives constructive suggestions about it for grid.

self-elevating living platform, preliminary design, ETAP software, short-circuit, flow analysis

TP273

A

1003-4862（2015）08-0017-05

2015-04-21

張書忠（1972-），男，工程師。研究方向：電氣及自動化系統集成設計研發。