基于關鍵數據信息的油田群岸電故障識別及定位

黃浩軍，冀泓舟，孟凡磊

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；3.中海油安全技術服務有限公司，天津 300450）

0 引言

海上油田一般采用自備的發電機供電，隨著海上油田技術的進步，油田開發的規模越來越大，以海上平臺為基礎形成的負荷變得日益龐大。此外，部分油田沒有伴生氣或者伴生氣不足，需要采用原油發電機組，對原油的消耗量巨大，影響油田產出，污染嚴重，且發電機依賴進口，目前我國不具有自主生產能力[1]。借助岸電技術通過陸地電網為海上油田供電可很好地解決上述問題。

在秦皇島和曹妃甸油田群岸電應用工程中，建立兩個220 kV 開關站從電網引入220 kV 電源，通過高壓交流海底電纜送至兩個海上動力平臺，并通過110 kV海底電纜互聯實現電力互供，實現雙路電源[2]。穩定性是岸電系統中的核心問題，在交流輸電過程中易發生三相接地、單相接地、雙相接地問題，但是現有文獻尚未對岸電系統故障的識別問題和預防措施進行深入研究[3-6]。文獻［7］通過峭度值識別了超高電壓下的單相故障，但是未對其他種類故障的識別方法進行研究。文獻［8］提出海上平臺故障的供電恢復策略，但是系統建模和分析過程中忽略了線路阻抗的影響。文獻［9］通過沿線電壓分布規律快速鎖定故障位置，但是所提出的方法無法確定故障類型。文獻［10］通過電壓相位的波動特征，對單相永久性故障進行了研究，但未對海上油田系統進行研究。

為及時識別故障，減小故障發生率及連帶損失，保證輸電穩定性，通過建立秦皇島曹妃甸油田群岸電的電磁暫態仿真模型，模擬不同位置及不同類型故障，提取故障信息和故障發生前后的典型特征量，提出油田岸電運行故障識別算法，該算法可用于實際工程系統故障識別，極大提高了供電質量和安全性，在節能減排、周邊油田依托開發等方面的社會效益顯著，有利于推進碳達峰和碳中和計劃的國家戰略。

1 油田岸電等效模型及特點

根據渤海海域秦皇島和曹妃甸油田群岸電系統的設計圖建立油田岸電系統的拓撲結構（圖1）。

圖1 油田岸電系統拓撲結構

該系統采用HVAC（High Voltage Alternating Current，高壓交流輸電）技術，主要有曹妃甸和秦皇島兩個海上平臺。由唐山港和樂亭分別用42.8 km 和26.7 km的海底電纜輸送至曹妃甸和秦皇島海上平臺，曹妃甸和秦皇島海上平臺用62.3 km 的海底電纜相連，曹妃甸海上平臺的負載為120 MW，秦皇島海上平臺的負載為80 MW。

1.1 海底電纜等效模型

線路電壓為110～220 kV 的海底電纜采用中等長度輸電線路。此種線路由于分布電容不可忽略，電暈影響可以不計，即G=0，可得：

由于Π 形等效電路更為常用，這里采用圖2 中的Π 形等效電路。

圖2 交流輸電線等效電路

1.2 交流輸電技術特點

將HVAC 用于海上油田電力傳輸，由于交流海底電的分布電容遠遠大于架空線，電纜相當于一部分輸送能力被電容占用，當線路過于長時，電纜上的輸送能力會被電容占據，造成線路無法輸送電能，導致海上的輸電距離受到限制。交流電纜的電容效應會降低線路的輸電效率，電壓等級越高，交流電纜線路越長，充電功率越大，可在線路兩側裝設無功補償裝置保證線路功率的正常傳輸。對于海底電纜，線路位于海底，無法在線路中部進行補償，輸電距離受到限制，常用電壓等級電力輸電線路以及輸電距離的大致范圍見表1[11]。

表1 HVAC 電纜電壓等級與輸送容量、輸電距離間的關系

表1 中所示范圍內的交流輸電經濟性較高，從表1中可以看出HVAC 一般適用于小規模輸電例如海島供電和近岸石油平臺供電等[12]。

2 故障特性分析

2.1 系統模型

在PSCAD/EMTDC 中搭建如圖3 所示的油田岸電交流輸電系統。通過針對油田岸電系統，分析不同故障下的系統響應特性，搭建HVAC 輸電模型的具體參數見表2。

表2 秦皇島和曹妃甸油田岸電輸電系統參數

圖3 油田岸電交流輸電系統模型

2.2 仿真分析

在仿真模型中分析發生單相接地、雙相接地、三相斷路3 種故障時系統的動態響應。

2.2.1 單相接地和兩相接地

于5 s/10 s/15 s/20 s/25 s 在位置I/II/III/IV/V 發生暫時性單相和兩相接地故障，故障持續時間均為2 s，系統故障特性如圖4所示。在I/II（III/IV/V）點發生接地故障時，對V1（V2）產生更大影響，這是由于V1（V2）相對于故障發生點的距離不同。

圖4 不同位置發生單相/兩相接地故障時的動態特性

發生短路故障時，線路電流增大，流入故障點，在兩個變壓器中間的傳輸線發生短路時即位置II（III），短路電流I1（I2）增大最明顯，是由于此處距離故障點最近。

2.2.2 三相斷路

于5 s/10 s/15 s/20 s/25 s/30 s 在位置I/II/III/IV/V/VI 發生暫時性三相斷路故障，故障持續時間均為2 s，系統故障特性如圖5 所示。

圖5 不同位置發生三相斷路故障時的動態特性

在I 處發生斷路故障時，樂亭開關站供電中斷，導致V1和V2減小，V1距離故障點更近，電壓跌落更明顯。在II、III、IV、V 處發生斷路故障時，兩側開關站電源連接斷開，分別獨立向負載進行供電。在II 處發生斷路故障時，I1電流降為零。在III 處發生斷路故障時，I1電流減小，V1電壓上升，V2電壓下降。在IV 處發生斷路故障時，I2電流降為零。在V 處發生斷路故障時，I2電流減小，V1電壓上升，V2電壓上升。在VI 處發生斷路故障時，樂亭開關站供電中斷，導致V1和V2減小，V2距離故障點更近，電壓跌落更明顯。

3 故障識別

交流海底電纜發生故障概率相比架空線路低很多，但是由于交流輸電電纜位于海底，停電檢修和維護難度大，有必要針對交流海底輸電線路進行故障位置及類型的識別。在上述數據的基礎上，研究交流海底電纜輸電故障類型及位置的識別方法。

3.1 故障類型判斷

設置電壓電流的基準值，Iset=1pu，Vset=1pu。結合實驗數據對故障類型做出判斷，如圖6 所示，為之后的故障位置判斷奠定基礎。

圖6 故障類型識別

數據輸入后，當I1＜10Iset，故障為三相斷路，當I1＞10Iset，故障為單相短路或兩相短路，當V1＜0.4Vset，故障為單相短路，否則判斷V2＜0.4Vset，如果符合則為單相短路，不符合為兩相短路。

3.2 故障位置判斷

當交流輸電發生故障時，通過圖6 流程進行判斷得到故障類型，根據不同故障類型通過圖7 進行相應的判斷，得出故障位置。

圖7 故障位置識別

發生單相短路（兩相短路）故障時，當V1＜0.8Vset（V1＜0.4Vset），故障位置為I 或II，當I1＜100Iset，故障位置為I，否則故障位置為II。當V1＜0.8Vset（V1＜0.4Vset），故障位置為III、IV 或V，當V2＞0.67Vset（V2＞0.2Vset），故障位置為V，否則判斷I2＞100Iset，如果符合為III 處發生故障，如果不符合為IV 處發生故障。

發生三相斷路故障時，當I1＜Iset，故障位置為III或II，當V1＞1.01Vset，為II 處發生故障，否則為III 處發生故障。當I1＞Iset，故障位置為I、VI、IV 或V，當V1＜0.99Vset，為I 處發生故障，否則為VI、IV 或V 處發生故障，當V2＜0.99Vset，故障位置為VI，否則判斷I2＜0.2Iset，如果符合為V 處發生故障，不符合為IV 處發生故障。

3.3 識別方法

通過故障類型和故障位置的判斷，提出交流海底電纜輸電的故障識別方法如圖8 所示。數據輸入后，進行邏輯判斷，判定系統是否發生故障，再判斷故障類型，最后判斷故障位置并發出故障類型和位置。

圖8 故障識別

4 結論與展望

針對秦皇島和曹妃甸油田群岸電案例對交流輸電進行研究，建立交流海底電纜的線路模型并選取交流輸電過程中的故障類型和故障位置。在PSCAD/EMTDC中搭建交流輸電模型，對3 種故障的不同位置進行仿真并選取測量位置進行分析。

根據交流輸電模型的故障結果進一步提出來對故障的識別，根據不同的故障所得的4 個變量測量值，可以有效識別故障發生的位置和類型，電站工作人員可以根據故障發生的位置和類型進行精準搶修，減小故障時間，減少故障所帶來的損失，提高交流輸電的經濟效益。