動力定位鉆井平臺快速降載策略

盛 利 國世乾 溫慶明

（1.廣州海洋地質調查局 廣州510095；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

動力定位鉆井平臺在作業過程中往往有管線或者電纜與海底的設備相連，平臺位置的保持尤為重要。在作業過程中可能會出現主配電板母聯開關、發電機開關故障跳閘，發電機意外急停等情況，這些故障將造成其他在線的發電機負荷突加、頻率下降甚至過載，極端情況下可導致局部或全船斷電，推進器失去動力，平臺失位等嚴重后果。本文重點討論在發電機發生負荷突加且超過其響應能力時，如何快速降低電網負荷，避免發電機過載和頻率過低，保證電站平穩安全運行。

動力定位（DP）船舶或平臺通常配有功率管理系統（PMS），其中集成了功率限制功能，PMS根據開關狀態、電網容量、消耗功率、電網頻率和負載優先級等參數計算各負載的可用功率并發送給負載，負載根據分配的可用功率來限制自己的負荷。由于傳感器響應時間，控制器執行周期，通信延遲等因素的限制，PMS可用功率更新的時間通常在0.5 s左右。為了彌補PMS對突加負載響應速度過慢的缺點，在推進器和鉆井變頻器控制系統采用了獨立于PMS的功率限制措施。該措施通過監控頻率的變化，快速限制功率輸出，大大提高了響應速度。不過，只有當頻率降低到設定點才會啟動減載功能，響應時間相對滯后，因此仍會導致電網頻率波動較大。

隨著數字化智能電子設備（IED）及IEC61850通信標準在DP平臺的配電、驅動系統中得到廣泛應用，使得基于事件的故障減載成為可能，該方案在鉆井和推進器變頻器控制系統中使用基于事件的功率限制功能代替基于頻率的功率限制。變頻器控制器通過GOOSE報文實時獲取配電板相關的信息，通過這些信息綜合判斷是否要需要減載以及減載的大小，且在故障發生時立刻執行，不必等待頻率下降到一定程度才開始減載，從而大大縮短故障響應時間，彌補PMS的不足，減小電網頻率波動范圍，提高電網的穩定性、可靠性。本文將探討基于功率的負載限制、基于頻率的負載限制以及基于事件觸發的負載限制并對其進行比較，從而突出基于事件觸發的負載限制的優點。

1 功率管理系統（PMS）的功率限制功能

1.1 動力定位半潛式鉆井平臺的電站結構

圖1為半潛式DP鉆井平臺典型的電力系統配置圖，為了滿足DP等級要求，電站被分割為幾個相對獨立的子系統。包括8臺發電機和4塊主配電板。負載主要包括8臺推進器和2臺鉆井變頻器，每塊主配電板連接2臺推進器，2臺鉆井變頻器分別由1和4號配電板供電。4塊主配電板之間由母聯開關互聯，通過母聯開關的閉合，電站可以運行在4段模式、2段模式、1段模式或者環網模式。

圖1 半潛式DP鉆井平臺電力系統圖

1.2 發電機在突加負荷時候的頻率響應

柴油發電機通常能夠容許的最大負荷突加量約為額定負荷的33%，這是由于增壓器、燃油供給閥門、油門拉桿以及調速器等一系列環節的限制因素導致發電機響應速度滯后。負荷的突加過程中將會導致發電機的頻率和電壓降低。其中頻率下降幅度主要取決于發電機的慣性時間常數以及柴油發電機突加負荷量。

發電機在突加負荷時頻率響應曲線見圖2。

圖2 發電機在突加負荷時頻率響應曲線

如圖2所示，當發電機發生故障跳閘時，故障發電機的負荷將轉移到其他在線的發電機上，在沒有任何減載措施的情況下，在線發電機頻率將由于負荷突加而快速下降直到欠頻保護設定值以下，繼電保護發出開關分閘指令，導致該段主配電板斷電。除頻率下降外，還可能導致發電機過載。為了避免這種情況發生，需要采取快速降低負荷的措施，在這種情況發生時能夠快速降低電網負荷。

1.3 PMS基于功率的負載限制

PMS集成了功率限制功能，通過限制負載的最大輸出功率來實現。鉆井平臺的主要負荷為推進器和鉆井設備，一般都采用變頻驅動，能夠靈活、快速的控制負荷變化。PMS根據負載的優先級為其分配可用功率，優先級別取決于設備重要程度，鉆井平臺上，推進器的優先級別高于鉆井設備。當電站可提供的功率能夠滿足所有負載要求時，功率限制功能不會起作用；只有當電網功率不能滿足所有負載要求時，功率管理系統將首先降低鉆井系統的負荷，如果還是不能滿足要求，則將進一步降低推進器的負荷。

PMS由通信或者輸入輸出（I/O）實時獲取電網開關狀態、負載大小以及電網容量等信息，結合負載設定的優先級來計算推進器和鉆井設備的可用功率，并將其發送至推進器和鉆井變頻器中。變頻器控制系統比較已用的功率和可用的功率，如果已用功率超過PMS計算的可用功率，變頻器將開始降低器負荷。下面是PMS一般采用的計算方法：

式中：Δ

P

為負載可增加的功率，kW；

K

為負載的權重；

K

為本段配電板上可用功率百分比；

K

為互聯配電板可用功率比；

Q

為負載優先級；

P

為本段配電板容量，kVA；

P

為本段配電板已用功率，kW；

P

為互聯段配電板可用功率，kW。

P

為互聯段配電板已用功率，kW。

1.4 PMS基于事件觸發的負載限制

PMS根據發電機功率和負載消耗功率來計算，此過程在控制器中周期性執行。通常情況下，當發生意外跳閘時，并不能立刻根據新的電網狀態計算負載可用功率。為此，PMS中采用了基于事件的減載功能。當發電機開關或者母聯開關發生故障跳閘時，將觸發信號；該信號由通信或者I/O傳輸到PMS，PMS立刻更新電站的配置，重新計算負載可用功率，并將更新后的值通過總線或I/O發送到負載，從而實現更快的減載響應。

圖3 PMS基于功率的減載響應時間

1.5 PMS基于頻率的負載限制

PMS還通過監測頻率來限制負荷。系統設定最小頻率，當頻率測量值低于該值時，所有負載都降低負荷，并根據頻率測量值與設定值的偏差量采用PI調節器來計算所需減載量。

無論是基于功率、事件，或是基于頻率的功率限制，PMS都是通過計算功率分配值來實現的。在意外跳閘而導致負載突加時，PMS能夠更新負載可用功率并限制推進器的負荷，但是由于PMS響應時間慢，不能很好地適應這種情況。

為了實現快速減載，PMS還具備負載的優先脫扣功能，當電網過載時，PMS能立即將不重要的負載脫開，從而達到快速降低負荷的目的。然而在鉆井船或者平臺上主要的負載是推進器和鉆井設備，可以脫開的負載往往局限于空調，生活設備等，他們所占的比例很小并不能達到降低負荷的目的。

2 動力定位控制系統功率限制功能

除PMS外，動力定位控系統有自己的功率限制功能。當某段配電板上的負荷超過DP系統中的設定值時，DP功率限制功能將限制推進器的輸出功率。另外，DP系統還可根據外界環境變化預測所需的負荷，當其估計的負載超過功率設定值時，動力定位系統將控制推進器進行減載，參見圖4。

圖4 動力定位控制系統的功率限制

DP控制系統的功率限制是對PMS功率限制功能的補充，其功率限制設定值通常小于PMS中的設定值。然而，DP系統的功率限制功能是基于PMS計算可用功率的基礎上，其響應速度約為1 s，不能適應負載突加的情況。

3 變頻器基于頻率的功率限制功能

如前所述，PMS和DP系統的功率限制功能由于響應時間的限制，不能很好地滿足快速減載要求，為此在重要負載變頻器控制系統中采用了獨立的基于頻率的功率限制功能作為PMS的后備系統。為了實現對發電機突加負載的快速響應，電網頻率被用來顯示發電機過載的狀態。變頻器通過頻率測量模塊獲得電網的頻率，頻率測量模塊與中壓配電板的電壓互感器相連，其響應時間小于20 ms，當推進器變頻器控制系統監測到電網頻率低于某個設定門檻值時，將啟動快速減載功能。推進器基于頻率的響應曲線如下頁圖5所示。

圖5 推進器基于頻率的響應曲線

當頻率高于57 Hz時或者頻率值低于40 Hz時（認為傳感器故障）功率限制功能將不起作用。當頻率在40～54 Hz之間時，推進器允許的輸出功率為0。當頻率在54～57 Hz之間時，功率限制對應為0%～100%的線性區間。由此可見，只有當頻率降低到一定范圍時，基于頻率的功率限制功能才開始工作。

另外，如圖6所示，從發電機故障分閘信號發出直至變頻器完成減載控制，約需300 ms，因此對故障響應是滯后的，仍然會造成電網較大的波動。

圖6 變頻器基于頻率的減載時間延遲

4 變頻器基于事件的功率限制功能

近年來采用IEC61850通信標準的數字化配電設備在DP鉆井平臺及其他船舶上得到廣泛應用，如Siemens和ABB都有支持IEC61850的繼電保護產品。IEC61850-7-2 標準定義的GOOSE服務模型，能夠實現在采用IEC61850標準的數字化設備之間進行實時、可靠的數據傳輸，使基于事件的快速減載方案得以實現。這種基于事件的快速負荷減載功能獨立于PMS系統，由主要負載各自的變頻器控制系統獨立完成。如圖7所示，發電機開關、母聯開關的智能繼電保護模塊與變頻器控制器分別通過IEC61850通信網絡互聯。變頻器控制器通過GOOSE報文快速實時獲取所有開關狀態信息和功率，周期約20 ms。

圖7 中壓配電板與變頻器之間的通信和信號傳輸

推進器和鉆井變頻器控制系統通過GOOSE報文通訊獲取的開關狀態、電網配置情況、實時功率大小等相關信息，并根據這些信息來判斷發電機開關或者母聯開關的分斷是否會導致在網的發電機過載，如圖8所示。

圖8 基于事件的故障減載原理

當發電機故障跳閘時，發電機繼電保護發出跳閘指令到開關，該跳閘指令同時被傳送到變頻器控制器中，變頻器控制器將基于主配電板當前的負荷來判斷該開關分斷是否導致其他在網發電機負載突加超限或者過載。若經過判斷結果為“是”，則變頻器控制系統將計算需要減載的負荷大小，并根據計算的結果更新推進器扭矩指令的上限值，同時發送至變頻器，變頻器將根據扭矩限制指令降低扭矩和輸出功率，從而實現快速減載。GOOSE通信基礎上的基于事件的負荷減載速度很快，如圖9所示，通常在50 ms左右完成，因此可有效避免發電機過載或者頻率下降超限。

圖9 基于事件的故障減載時間

如圖10中時序圖所示，當發電機開關在

t

時刻發出故障分閘指令后，該分閘指令通過I/O輸出控制開關的同時也通過GOOSE報文發送給推進器變頻器控制系統。在

t

時刻，發電機開關分閘完成，在分閘的同時變頻器控制器已將減載指令發送給推進器實現減載，因此，發電機跳閘后并不會導致其他在線發電機過載或頻率突降。約過1 s后，變頻器控制器收到來自PMS更新后的可用功率，隨后，變頻器在2 s內回到PMS功率限制的控制。

圖10 基于事件的故障減載時序圖

5 結 語

通過本文的分析結果可以看出，當配電系統采用GOOSE報文通信時，變頻器控制系統中基于事件的快速減載比基于頻率的快速減載性能更加突出，能夠在發電機發生負載突加超限或者過載的情況下快速響應，及時降低電網負荷，使電網平穩過度到平衡的狀態。因此，基于事件的功率限制系統更適合作為PMS功率限制功能的后備系統，以彌補PMS應對發電機負載突加超限或過載時響應速度過慢的不足。

隨著數字化、智能化繼電保護模塊和IEC61850通信在動力定位平臺電站系統中的普遍應用，推進器和鉆井變頻器控制系統中基于事件的快速減載功能將會代替基于頻率的減載功能。