流花11-1FPS電站電源管理系統（PMS）的設計與開發

高奇

摘 要 流花11-1FPS海上平臺電站是典型的孤島電站，通過該電源管理系統（PMS），主要實現了兩個功能：1）機組出力管理，PMS系統通過PLC采集機組數據，然后按照機組出力偏差和頻率偏差對發電機出力進行調整；2）負荷優先脫扣，當PMS系統檢測到發電機開關跳閘后，然后按照系統預先計算的卸載范圍進行脫扣，以保障孤島電站的平穩運行和設備的安全。

關鍵詞 電源管理系統；PMS；安全生產

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0211-03

流花11-1油田位于南中國海珠江口外海海域，距香港東南約220km，水深約310m左右。平臺電站由3臺進口小功率機組和一臺大功率國產機組并網供電，對運維人員來說，保持電站平穩運轉具有很大的挑戰性。

流花11-1FPS電站電源管理系統（PMS）由發電機組PLC控制系統，與VSD PLC系統，鉆機SCR PLC和集成在FPS生產控制系統（FCS）的電源管理PLC組成，實現對平臺現有電源管理功能。

電站電源管理系統（PMS）要切實保障油田電站正常生產和生活用電的需求，所以必須滿足以下條件：

1）確保人身安全和設備安全。

2）確保持續供電和可靠性供電。

3）確保電能質量和減少能源浪費。

4）盡可能做到節能減排，提高能源效率。

油田電站安全可靠運行、提供優質電能和提高電能經濟性，是PMS系統建設和運營的一項最基本任務。

1 設計原則

流花11-1FPS電站PMS系統按照以下原則進行設計：

1）符合國家標準、行業標準和相關規定，嚴格按照國家或者國際及行業最新規范和標準要求

2）性價比高，系統具有較高的性能價格比，使管道以最低的運行成本、最優的工況正常運行。

3）技術先進，功能強大，系統采用羅克韋爾自動化公司軟硬件產品進行開發，其產品在工業應用中已被證明是成熟的產品。系統具有強大的人機對話能力，能滿足各種現場復雜環境下的連續監控的功能。

4）系統安全、穩定、可靠。PMS系統的PLC控制器、控制電源、I/O系統、HMI等都采用冗余的架構，重復利用率可達到99.99%，當某一節點發生故障時，可自動進行切換，電站系統安全、穩定、可靠的運行。

5）可擴展性強，硬件是模塊化的，允許將來在容量和功能上的擴展。

2 硬件架構（圖1）

流花11-1FPS電站PMS系統控制系統硬件采用A-BPLC的ControlLogix系統，ControlLogix系統封裝外形小，不僅可提供離散、驅動、過程和安全控制，還具有可靠的通信功能和最先進的I/O，系統采用模塊化結構，使開發者能高效的進行設計、構建和修改，從而大幅節省培訓和工程設計成本。

2.1 過程信號采集

系統輸入信號：

1）發電機輸出功率。

2）發電機組出線斷路器狀態。

3）4160V A/B段母線頻率。

4）ESP，生產管匯及測試管匯運行優先權數據。

5）鉆/修井工況時，SCR系統斜率控制和相位控制。系統輸出參數：

1）以百分比柱狀圖形顯示的發電機功率。

2）VSD/ESP運行功率。

3）發電機組接入和停機提示信號。

4）系統錯誤，事件及故障報警信號及打印。

5）鉆機SCR系統模擬相控信號。

6）ESP/VSD 速度降低至預設低頻信號。

2.2 軟硬件配置

PMS系統的硬件要求配置如下：

1）ControlLogix系統采用雙環ControlNet網絡。

2）CPU采用冗余配置。

3）各控制子站的交換機網絡采用冗余環網架構。

4）由不間斷電源供電（即UPS），信號電源采用獨立的DV24V電源供電。

5）DO信號輸出的繼電器需確保可靠性。

6）HMI服務器由主服務器和備用服務器構成。

7）PLC程序基于RSLogix5000開發，上位機基于FactoryTalk View Studio開發。

3 系統功能（圖2）

3.1 電源管理及負荷分配

PMS系統與5臺機組通過以太網通訊交換數據，包括有功功率、無功功率、頻率、電壓等。并根據不同的在線發電機配置，PMS系統可與發電機的調速器和AVR協調工作，并實現以下功能。

1）有功功率和無功功率分配控制：在電站中發生負荷波動時，為了防止個別發電機的頻率和電壓可能會接近其PQ圖的邊界，此時PMS系統將分配各發電機組之間的出力，以提高系統在擾動下的穩定性。

2）功率需量和功率因數控制：PMS系統會實時各發電機相對于母線的輸入/輸出功率，并計算功率差額。然后根據功率因數的范圍，在滿足發電機基本出力的前提下，調整AVR控制無功功率輸出，以維持系統的功率因數在合理范圍內。

3）母線頻率和電壓控制：當電站負荷發生變化時，系統調整發電機輸出的有功功率和無功功率，以維系電站的頻率和電壓穩定。

3.2 負荷優先脫扣

PMS系統會實時監測電站電氣設備的狀態，如發電機的出力、負載消耗的功率以及斷路器的狀態。當系統檢測到發電機斷路器跳閘，則會根據預計算的能量平衡結果，如果超過了電站所能承受的最大出力，則切除部分負荷，以確保電站發電機平穩運行。

優先脫扣系統可設置多個優先級，由運行人員預先定義。在系統中針對不同的優先脫扣觸發條件，形成一個優先級別卸載表，當優先脫扣觸發后，將系統計算得到的卸載級別與優先級別表對比后，發出卸載指令，卸載時間在80ms以內。

3.3 重載啟動時負荷的保證及分配

一些重載設備（大負載）都可在HMI上設定額定負載及啟動沖擊系數。系統根據機組剩余功率、要啟動的重載設備額定功率及啟動沖擊系數，實時計算發電機功率余量，以判斷此重載能否啟動。重載啟動后，機組按照前述負荷分配模式自動分配負荷。

3.4 斷路器的控制及自動同步控制

斷路器與控制系統之間通過硬接線，連接斷路器狀態、手車位置、分合閘指令等信號，實現包含基本的狀態監視、控制等功能。當進行發電機并車時，系統會判斷邏輯條件，發出發電機斷路器合閘指令，并最終由同期裝置完成并車。

3.5 備用發電機組自啟動控制

當在線機組發生故障停機，或過載，過流，過壓，低頻等極限情況時，處于備用狀態的機組自動啟動。

3.6 電站監控和報警系統

系統監視整個電站主要電氣設備的狀態和運行參數，當出現報警時，會有多種報警提醒方式，包括蜂鳴器，指示燈，旋轉報警燈，同時HMI上會有詳細的報警信息文字。

4 關鍵技術問題介紹

4.1 發電機轉速控制技術

發電機的調速系統中調頻器的作用在于，當發電機的負荷發生改變時，手動或者自動的操作調頻器，使發電機的靜態特性發生改變。如果負荷變動時，調速系統使原動機的轉速保持不變，則稱之為無差調節（Isoch）；而如果負荷變動時，原動機的轉速隨著負荷增大而降低，則稱之為有差調節（Droop）。多臺發電機并列運行時，為了實現對其調節的有效性及避免系統震蕩，都會采用單機Droop模式運行，調速系統完成部分調速任務，剩下的由機組控制系統來實現轉速無差調整。

4.2 發電機頻率調整策略

區域發電機組頻率調節時，可分為按頻率偏差調整、按交換頻率偏差調整和按頻率和交換功率偏差調整三種。按頻率偏差調整時，只能保證系統頻率不變，不能控制聯絡線上流通的功率；按交換功率偏差調整時，只能保證聯絡線上的交換功率不變，而不能控制系統的頻率。只有按頻率和交換功率偏差調整時，才可以保證區域范圍內功率的就地平衡。在PMS系統，對影響發電機頻率的各個調整因素進行邏輯排序，當發電機的頻率和對電站的有功貢獻發生偏差時，便對其進行相應調整。

5 結論

流花11-1FPS電站PMS系統自投入運行以來，系統運行效果良好，給整個電站提供了完整的安穩策略，極大地減少了故障停產的損失，取得了顯著的經濟效益，為整個油田安全穩定生產提供了可靠的保障。

參考文獻

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