某海上生產(chǎn)設(shè)施優(yōu)先脫扣邏輯多次觸發(fā)動作故障分析及處理

周 昕

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

1 海洋石油某海上生產(chǎn)設(shè)施電網(wǎng)概況

海洋石油某海上生產(chǎn)設(shè)施，包含發(fā)電機及變配電系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)、海水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、生活系統(tǒng)等，具備電力、水資源等自給自足能力，是一座海上微型石油工廠。

某海上生產(chǎn)設(shè)施電網(wǎng)屬于孤島電站模式中的中小型電網(wǎng)，電網(wǎng)中共有三臺生產(chǎn)用發(fā)電機（PSG），兩臺船用發(fā)電機（SSG），一臺應(yīng)急發(fā)電機（EG）。[1]兩臺船用發(fā)電機由于使用時間長，帶載能力差，已暫停使用。三臺生產(chǎn)用發(fā)電機單機功率均為1800kW，使用經(jīng)處理后的原油或柴油作為燃料油。正常生產(chǎn)情況下，保持兩用一備的狀態(tài)。

三臺船用發(fā)電機自1996 年裝機投用以來已超20年，雖經(jīng)多次更換或升級改造，但輔助控制元器件故障率逐步增加，對電網(wǎng)穩(wěn)定運行造成較大影響，同時影響正常生產(chǎn)生活。

2 某海上生產(chǎn)設(shè)施優(yōu)先脫扣邏輯多次動作現(xiàn)象

某海上生產(chǎn)設(shè)施電網(wǎng)某一段時間內(nèi)多次出現(xiàn)優(yōu)先脫扣動作導致甩脫一級和二級負載，其中包括儀表空壓機、水力旋流器馬達等關(guān)鍵設(shè)備，對現(xiàn)場生產(chǎn)造成較大影響。

對最近一次發(fā)生優(yōu)先脫扣動作邏輯前后報警進行分析情況如下。

12 月6 日01:09:05.2 在第一次報警時3 號PSG 產(chǎn)生兩個警報：（1）CLOSE PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）CLOSE G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR。這兩個警報說明母線電壓頻率監(jiān)測回路信號通道出現(xiàn)故障，但是在1S 時間內(nèi)，兩個警報迅速自復位，并未能對電網(wǎng)造成影響。

12 月6 日01:57:55.2 在3 號PSG 第二次發(fā)出報警時，首先上位機出現(xiàn)CLOSE PSG03 Syncronizing voltage channel error 故障報警信息，但在1S 時間內(nèi)警報迅速自復位，并未能對電網(wǎng)造成影響。

三分二十六秒后，3 號PSG 出現(xiàn)第三次警報，首先上位機出現(xiàn)兩個警報：（1）CLOSE PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）CLOSE G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR。在1S 時間內(nèi)，兩個警報迅速復位。同時，觸發(fā)1 號發(fā)電機自動啟動并網(wǎng)加載，并甩脫一級和二級負載。

根據(jù)上述報警記錄分析，幾次出現(xiàn)的報警均在極短時間內(nèi)復位，說明該故障為軟故障，需要根據(jù)可能產(chǎn)生的原因逐項分析故障原因。

3 優(yōu)先脫扣邏輯多次動作故障原因分析

分析現(xiàn)場G30 模塊、UMT 模塊、PLC 模塊三者結(jié)構(gòu)示意圖可知，G30 僅采集發(fā)電機母線側(cè)電壓信號，UMT 采集發(fā)電機輸出端電壓及電流信號，兩個模塊將采集的信號轉(zhuǎn)換后將所有數(shù)據(jù)傳輸至PLC 模塊。因此，3 號發(fā)電機母線頻率故障報警及同步電壓故障報警均與PT、G30、PLC 及組成的回路有關(guān)。[2]

發(fā)電機過載達到110%Pn 即1980kW 時或發(fā)電機頻率低于90%fn 即54Hz 超過1S 才會產(chǎn)生自啟動及甩負載的情況，現(xiàn)場查看3 臺發(fā)電機功率參數(shù)曲線圖及頻率曲線圖可知，故障時3 號發(fā)電機各項參數(shù)正常，未出現(xiàn)過載及低頻現(xiàn)象。因此導致發(fā)電機母線側(cè)電壓信號通道錯誤報警及同步電壓信號通道錯誤報警信息原因初步確定為G30I/O 模塊故障或G30 模塊、PLC 模塊、PT 模塊回路中接線端子松動導致。

有功功率數(shù)值是通過UMT 從發(fā)電機采集的電壓及電流信號進行轉(zhuǎn)換傳輸進入PLC 分析處理后獲得。因此，考慮會不會是UMT 參數(shù)出錯導致PLC 判斷過載而動作。同時UMT 模塊經(jīng)第三方專業(yè)公司檢測確認為由于內(nèi)部設(shè)計問題導致內(nèi)部控制板溫度長期偏高，影響UMT 使用壽命，在運行過程中其故障率較高，經(jīng)統(tǒng)計分析可知近五年由于UMT 模塊而導致的故障共計5次，且當前3 號PSG 控制盤位于配電間角落位置，空調(diào)制冷效果不佳，這樣更可能導致UMT 出現(xiàn)異常而導致UMT 發(fā)出錯誤的信號給PLC，從而導致發(fā)電機出現(xiàn)故障。從這個角度考慮，UMT 故障也可能引起1 號發(fā)電機自啟動，且甩一級和二級負載。

由于現(xiàn)有PLC 模塊內(nèi)部程序為功能塊圖，現(xiàn)場人員無法直接讀取內(nèi)部的程序，現(xiàn)場PCU4 圖紙資料上沒有上述警報I/O 點。而發(fā)電機頻率信號的采集是UMT來采集的，發(fā)電機母線頻率則是由G30 來采集的。因此，發(fā)電機出現(xiàn)低頻報警信號有可能是PLC 模塊將發(fā)電機母線頻率與發(fā)電機頻率進行比較而產(chǎn)生。綜合以上分析，UMT 模塊回路和G30 模塊回路均有可能存在故障而導致此次事故的發(fā)生。

同時，由于故障時發(fā)電機母線側(cè)電壓信號通道錯誤報警及同步電壓信號通道錯誤報警信息同時出現(xiàn)，懷疑G30I/O 模塊故障概率較高。

4 某海上生產(chǎn)設(shè)施優(yōu)先脫扣邏輯多次動作故障原因現(xiàn)場排查

根據(jù)上述故障原因分析，現(xiàn)場對G30 回路及UMT回路分別進行檢查測試。

4.1 排查G30 回路接線

1.排查方法。在發(fā)電機停機狀態(tài)時，將發(fā)電機控制模式轉(zhuǎn)換到手動狀態(tài)，將下一臺自動啟動發(fā)電機切換到1 號SSG，在此狀態(tài)下插拔PT 模塊到G30 模塊再到PLC 模塊PCU4 的回路接線端子，在此情況下排查操作不會對正在運行的發(fā)電機造成影響。具體操作方法為：檢查回路接線端子導線，觀察是否有導線松動導致警報產(chǎn)生，回裝接線端子時確保接線牢固可靠。若未出現(xiàn)報警則判斷接線端子未松動，此時手動拆除接線查看所產(chǎn)生的 報警。

2.排查過程。根據(jù)制定的排查工作計劃，首先將3號發(fā)電機切換到手動位置，將1 號SSG 切換到自動位，并將NEXT START 選擇開關(guān)選擇4。

發(fā)電機母線電壓通過如下電氣設(shè)備最終將信號傳輸?shù)絇LC 模塊：發(fā)電機母線電壓—Q03—F11—PTR7030發(fā)電機保護柜內(nèi)MCB43—電壓互感器PT—MCB11—G30 I/O 模塊—PCU04。

將F11 開關(guān)輸入接線端子到PCU04 輸入接線端子使用尖嘴鉗用力拽動，發(fā)現(xiàn)接線牢固可靠。整個操作過程中上位機未出現(xiàn)警報。將所有接線端子再次確認緊固，嘗試手動拆除回路中導線觀察產(chǎn)生警報情況。

拆除3N G30 模塊的輸出U5a 導線，觀察上位機上出現(xiàn)下面三個報警：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR；（3）PSG03 Syncronizing voltage channel error，回接U5a 導線后警報消失。

拆除3N G30 模塊的輸出U6a 導線，觀察上位機上出現(xiàn)與上一步一樣的三個報警，回接U6a 導線后警報消失。

拆除3N G30 模塊的輸出U5c 導線，觀察上位機上出現(xiàn)下面兩個報警：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR，回接U5c導線后警報消失。

拆除3N G30 模塊的輸出U6c 導線，觀察上位機上出現(xiàn)一個報警：PSG03 Syncronizing voltage channel error，回接導線U6c 后警報消失。

根據(jù)上述現(xiàn)象，可知U5a、U6a 兩根導線為信號傳輸公共端。U5c 為母線頻率監(jiān)測信號輸出端，U6c 為同步電壓監(jiān)測信號輸出端。

拆除MCB11 出線3D19，觀察上位機上未產(chǎn)生警報信號。回接3D19 導線，直接斷開MCB 開關(guān)，觀察上位機上仍未有警報產(chǎn)生。根據(jù)這個現(xiàn)象可判斷3N G30輸入端口前的電路接線松動或開關(guān)跳閘均不會在上位機上產(chǎn)生報警信號。

3.排查結(jié)果分析。根據(jù)以上排查可知，3 號發(fā)電機故障時產(chǎn)生的警報：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR；（3）PSG03 Syncronizing voltage channel error 與G30 模塊本身有直接關(guān)系。

4.2 更換UMT 測試

1.排查方法如下。使用經(jīng)第三方專業(yè)公司改造過的UMT 更換3 號PSG 現(xiàn)有UMT 模塊，將3 號發(fā)電機切換到手動位置，將1 號SSG 切換到自動位，并將NEXT START 選擇開關(guān)選擇4，在更換UMT 及進行參數(shù)設(shè)置時不會影響運行中的發(fā)電機，更換過程中記錄相應(yīng)的警報信息。

2.排查過程如下。按照發(fā)電機UMT 更換的標準操作程序，我們制定了3#PSG UMT 的更換測試的方案，大致的更換測試流程為：（1）拆除3 號發(fā)電機舊UMT模塊；（2）記錄發(fā)電機拆除UMT 模塊后產(chǎn)生的警報；（3）安裝新的UMT 模塊；（4）回接UMT 模塊；（5）記錄發(fā)電機UMT 模塊恢復正常后的警報情況；（6）將記錄的報警與發(fā)生故障時的報警進行對比分析。

表1 電網(wǎng)母線頻率保護設(shè)定值及相應(yīng)動作

按照發(fā)電機UMT 模塊更換的標準操作程序?qū)Πl(fā)電機的UMT 模塊進行了更換，在拆開UMT 的接線后我們發(fā)電機的監(jiān)視系統(tǒng)出現(xiàn)了11 個警報。從警報信息描述可知，在UMT 拆除后，UMT 無法傳輸發(fā)電機電壓及電流數(shù)據(jù)到PLC 模塊，導致出現(xiàn)3 號PSG 電流、電流有效值、電壓、頻率、有功功率及無功功率信號通道故障報警。同時，由于PLC 隨機輸出一個有功功率值，達-7197kW，出現(xiàn)逆功率報警。

UMT 更換及參數(shù)設(shè)置完成以后，之前拆除UMT 后出現(xiàn)的11 個警報全部自動復位。

3.排查結(jié)果分析。（1）根據(jù)更換UMT 測試時上位機上產(chǎn)生的警報分析可知，UMT 或其回路出現(xiàn)故障時是不會出現(xiàn)發(fā)電機母線頻率通道錯誤和同步電壓通道錯誤警報的，即在12 月6 日凌晨出現(xiàn)的上述三個警報與UMT 模塊無關(guān)，而是由3#PSG 的G30 模塊或PLC模塊故障產(chǎn)生；（2）在發(fā)電機停機狀態(tài)下，更換UMT模塊不會出現(xiàn)自動啟動備用機和低頻故障報警。

4.3 調(diào)取PLC 程序進行故障確認

根據(jù)以上的排查過程，我們排除了UMT 模塊及各回路接線松動導致優(yōu)先脫扣邏輯動作原因，故障原因鎖定在了G30 模塊、PLC 模塊。為了進一步鎖定故障原因，與PLC 廠家工程師溝通調(diào)取了PLC 程序分析MSG3_23 和MSG3_41 兩個報警信號觸發(fā)的條件。

MSG3_23 CFN PSG03 Excess Load Auto.Start

MSG3_41 CFN PSG03 Underfrequency 3

MSG3_41 是當PLC 檢測到發(fā)電機母線頻率輸入信號低于54Hz 時觸發(fā)，其動作邏輯為經(jīng)過1s 的延時后啟動備用PSG，同時甩脫電力系統(tǒng)一級和二級負載。而MSG3_23 報警是當發(fā)電機出現(xiàn)過流、過載及母線頻率低等保護信號時均會觸發(fā)，PLC 根據(jù)發(fā)電機保護設(shè)定值與監(jiān)測值比較所得結(jié)果延時固定時間后觸發(fā)相應(yīng)的動作。[3]該描述與電網(wǎng)母線頻率保護設(shè)定值及相應(yīng)動作值相對應(yīng)。

發(fā)電機母線頻率信號的采集是電壓互感器采集母線電壓信號經(jīng)G30 模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后變成4-20mA的電流信號上傳到PLC（PCU4）。PCU4 根據(jù)所采集的信號，首先判斷發(fā)電機斷路器是否處于合閘位置。如果發(fā)電機斷路器處于合閘位置，則PCU4 根據(jù)發(fā)電機保護設(shè)定值進行數(shù)據(jù)比較，若達到動作值，則進行相應(yīng)的動作。

5 優(yōu)先脫扣邏輯多次動作原因分析結(jié)論及處理

根據(jù)上述分析可知，故障時觸發(fā)的三個報警：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR；（3）PSG03 Syncronizing voltage channel error，即發(fā)電機母線頻率通道故障、同步電壓信號通道故障、發(fā)電機母線頻率低均由G30 模塊故障導致參數(shù)錯誤引起的，進而導致PLC 輸出警報，從而觸發(fā)1 號發(fā)電機啟動并網(wǎng)，甩脫1 級負載及二級負載優(yōu)先脫扣動作邏輯。現(xiàn)場對G30 模塊進行了更換，經(jīng)測試及運行觀察后續(xù)未出現(xiàn)該故障，故障徹底消除。

6 結(jié)論

本文通過對某海上生產(chǎn)設(shè)施電網(wǎng)多次觸發(fā)優(yōu)先脫扣邏輯故障問題的分析，深入探討了發(fā)電機數(shù)據(jù)采集接收模塊對電網(wǎng)運行的巨大影響。通過逐項分析驗證，最終鎖定故障原因并有針對性地處理，最終徹底消除了故障，保證了電網(wǎng)的可靠性。