電站保護和功率管理模塊在海洋平臺上的應用

于棟亮，褚 煒

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

電站管理系統（Power Management System，PMS）既是海洋平臺實現自動化的一個重要部分，也是進一步提高電站供電可靠性和連續性的主要工具。傳統的電站控制主要應用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和保護并車模塊（PPU-3），其中PLC實現電站管理和自動化的功能；新型電站則采用保護和功率管理（Protection and Power Management-3，PPM-3）模塊和PLC，依靠PPM-3模塊完成電站管理和自動化的主要功能，PLC僅用于系統信息的采集和通信，該方案不僅能改善控制系統的性能，還可實現輸入數據、輸出數據共享，從而提高電力系統的可靠性，實現分布式控制[1]。

1 PPM-3在海洋平臺電站中的新型應用

常規電站的PMS組成見圖1，主要由控制主站和從站、觸摸屏及柴油發電機組并車保護單元（PPU-3）組成。每套柴油發電機組配置一套PPU-3，可控制柴油發電機組的調頻調載、負載分配和并車解列，并提供機組的安全保護功能。PPU-3通過通信總線將信息發送給PMS主站，由PMS主站完成PMS的其他功能和安全保護功能，并在觸摸屏上進行工況顯示。觸摸屏可監測柴油發電機組的運行工況和全船重要用電設備的運行工況，可通過觸摸屏手動控制機組的并網、解列及更改控制參數。DEIF PPU-3是一個基于微處理器的控制裝置，用于并聯和保護單元，包含發電機組保護和控制全部所需的功能（包括發電機調壓器的控制、柴油機調速器的控制及同步并網等），同時包含所有必需的三相測量電路，并能在液晶顯示屏上顯示當前所有的測量值和報警。

DEIF PPM-3模塊是國內外船舶電站控制系統應用較多的一種發電機組控制設備，其控制面板圖見圖2。PPM-3也是基于微處理器的控制單元，是應用于海工電站的一個非常靈活的控制器，包含柴油發電機控制和保護所有必要的功能，所有回路的監測數據和報警都在液晶屏上顯示。

PPM-3的檢測功能是指接收匯流排的電壓、頻率及其控制的發電機的電壓、電流和頻率等信號，并進行運算和作相應的處理，從而監測電網和所控發電機的運行狀態；控制功能是指控制發電機組的啟動和運行，包括發電機組啟動和建壓后電壓矢量的同步、主開關的合/分閘、頻載調節及相關的保護[2]。

圖2 PPM-3控制面板圖

鑒于 PPM-3 除了具有電網檢測功能之外，還有邏輯控制功能，可從經濟的角度出發，對現行控制網絡做一些改進，不配置 PLC。在 3臺發電機組的電站中使用 PPM-3的電氣連接示意見圖 3。直接采用 3臺PPM-3 分別控制3臺發電機組，3臺PPM-3 間建立簡單的電氣聯系，各模塊間可互相通信[3]。

圖3 PPM-3連接示意

2 新型海洋平臺電站管理系統的組成

新型海洋平臺電站管理系統是一個集中控制系統，包含 PPM-3控制單元、調壓器、調速器、PLC和MP377觸摸屏。對每臺發電機來說，安裝在主機屏上的PPM-3控制裝置用于功率管理、電網的控制和保護。

主機保護功能完全由PPM-3實現，在這種方式下，一旦系統崩潰，只需1臺主機正常運行即可保證電網的安全性。

主機信息包括電流、頻率、電壓及功率等信號和電氣數據，這些信息既可直接送入中控，通過中控直接控制，也可通過觸摸屏MP377來操作。

應用PPM-3的海洋平臺電站由6臺發電機組成，分2段母排，每段母排連接3臺發電機組（如圖3所示），整個電網6臺機組安裝6個PPM-3控制裝置、調速器和調壓器，此外應急發電機進線屏和690V母聯屏也安裝該控制裝置。

3 PPM-3模塊在海洋平臺電站中的應用功能

PPM-3模塊的主要功能是實現海洋平臺電站的保護和電站系統的管理，具有主機的控制、監控及保護和發電機的保護、自動同步及負載分配等功能[4]。在該模塊上可選擇主機的并網順序，以及其他功率管理功能。一旦某個模塊發生故障，功率管理計算將自動轉入下一個可用模塊。一旦正在運行的主機發出報警信號，系統將在故障主機退出電網之前自動啟動下一臺主機，然后同步并網。若出現故障停機的情況（開關脫扣、主機切斷），系統將直接啟動下一臺主機并網[5]。

PPM-3模塊具有PPU-3模塊的控制功能，可控制發動機調速控制器調整發動機的轉速（并網后調節發動機輸出有功功率），可控制發電機自動電壓調節器（AVR）調整發動機的電壓（并網后調節發電機機輸出無功功率），并實現機組的并網和保護。

PPM-3模塊具有發電機組啟動控制功能，按下發電機組啟動按鈕，首先檢測發電機是否滿足啟動條件（即油、氣、水是否滿足主機啟動條件，主機是否有報警），若滿足條件，PPM-3發出啟動命令，主機啟動；隨后檢測主機電壓和頻率是否滿足要求，若滿足，則并入電網，否則發出報警信號。

PPM-3模塊具有的主要功率管理功能有：優先脫扣、優先選擇順序啟動、母排斷開和配合變頻器（VFD）控制系統完成功率限制。

1) 優先脫扣：PPM-3可自動實現非重要的負載在應急情況下自動脫扣，將這些非重要負載分為一級脫扣和二級脫扣2級。當一臺主機的輸出功率超過設置值，且電網中無備用發電機可使用時，相關的非重要負載組可自動被脫扣。設置值可根據現場實際需求，由客戶來修改和設定。

2) 優先順序啟動選擇：可用2種方式選擇順序。一種是通過手動設置發電機組的號碼來設置發電機組的優先順序，這些設置僅能在主機模塊上進行調節，調節之后優先順序必須通過傳輸模塊來手動傳輸給其他主機。另一種是使用顯示屏上的第一優先按鈕，推薦在半自動模式下設置所有主機，以免主機出現不必要的啟動情況。

3) 母排斷開：690V主網通過母聯開關（BUS-TIE）分為2段母排，母排斷開有2種方式，一種是通過母排開關上的OFF按鈕手動操作，另一種是通過數字量輸入或自動操作按鈕來完成。

在斷開母排之前，PPM-3會通過檢測2段母排的功率來自動啟動柴油發電機組，若柴油發電機組無法承擔載荷的變化，會發出“母排無法斷開”信號。

若一段母排的所有發電機組都處在故障或不可用狀態，則母聯開關也會發出“無法斷開”信號，PPM-3不會進入母排斷開控制模式，因為分段母排上所連的柴油發電機組無法承擔母排上的相應載荷。一旦母排開關斷開，各段母排上將會實現機組正常啟停功能。

4) 配合VFD控制系統完成功率限制：在海洋平臺上，鉆井設備都是大功率負載，因此需具有防止主電網過載和黑啟動的過載保護功能，該功能由鉆井系統的電力系統和主要設備來實現。

功率管理系統從每個發電機屏的PPM-3控制傳感器中獲得4～20mA信號，這些信號被送至變頻器控制單元，主機的最高負荷率被送至變頻器控制的PLC。其他必要設備和功率限制所需的邏輯也被送至變頻器系統。在負荷率達到預設值之后，變頻器內的功率限制功能將快速響應，抑制負載的增加，以便將主機負荷控制在合適的范圍之內。

該系統的穩定性關系到整個電網的安全，故必須獨立于 PMS之外，即使在功率管理系統失效的情況下該系統也能正常運行。此外，當主網可用功率減少時，為防止電站系統崩潰，PMS需做出快速響應。從實際載荷增加時開始，到發動機的載荷狀況又回到正常水平為止，系統的總反應時間在150～200ms[5]。

4 結 語

在設計海洋平臺主電站系統時，通常采用PLC與PPU-3組合的方式，由PLC實現電站管理和自動化的功能；也可采用PPM-3與PLC組合的方式，本文所述方案中電站管理和自動化的功能由PPM-3模塊來完成，簡化了系統設計，提高了經濟性和可靠性。為每臺發電機組配置一個PPM-3模塊，除完成電站管理和自動化的功能以外，實時監測主網和每臺發電機的電氣參數，既可根據電網負荷動態調整發電機的在網臺數，也可根據發電機組的在線時間合理安排發電機組保養計劃。