DP2海上風(fēng)電安裝平臺(tái)電站管理模式設(shè)計(jì)

摘" " 要：以DP2附加標(biāo)志的平臺(tái)功率管理系統(tǒng)為分析對(duì)象，從規(guī)范要求尋找設(shè)計(jì)要點(diǎn)，分析DP2海上風(fēng)電安裝平臺(tái)功率管理系統(tǒng)的配置，探討電站在不同管理模式下發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，以及配電板母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)的分合閘狀態(tài)，為相關(guān)設(shè)計(jì)部門提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電安裝平臺(tái)；功率管理系統(tǒng)；動(dòng)力定位

中圖分類號(hào)：U674.35 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DP2 Offshore Wind Turbine Installation Platform

Power Plant Management Mode Design

ZHANG Jincong

（ Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co.， Ltd.，" Shanghai 201612，" China ）

Abstract： Taking the platform power management system with DP2 additional notation as the analysis object， the design key points are found from the rules requirements， to study the configuration of the power management system for DP2 offshore wind turbine installation platform， the operation status of the generator sets in different management modes and the on-off state of switchboard bus-ties are discussed， so as to provide technical reference for the relevant design departments.

Key words： wind turbine installation platform;" power management system;" dynamic positioning

1" " "引言

近年來，國家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，社會(huì)用電量急劇增加，對(duì)清潔能源的需求也在迅速增長(zhǎng)。伴隨著國家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的發(fā)布，沿海各省政府部門和社會(huì)各界紛紛積極響應(yīng)，將海上風(fēng)電作為新能源發(fā)展的重要方向。由于海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源豐富、可開發(fā)空間大、不占用土地資源、風(fēng)力平穩(wěn)、適用機(jī)型大等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此受到政府的重視，成為我國政府主推發(fā)展的電力行業(yè)之一。在沿海風(fēng)場(chǎng)安裝風(fēng)機(jī)，用于海上風(fēng)機(jī)安裝的風(fēng)電安裝平臺(tái)也需求強(qiáng)勁。

由于海上風(fēng)機(jī)造價(jià)昂貴，海上的環(huán)境對(duì)風(fēng)電作業(yè)設(shè)施影響極大，稍有不慎，極有可能造成重大事故。配置DP2動(dòng)力定位的風(fēng)電安裝平臺(tái)，通過精準(zhǔn)的定位能力，在規(guī)定的海況下，可以滿足最大水深70 m的海域進(jìn)行風(fēng)機(jī)的安裝作業(yè)。DP2動(dòng)力定位不僅操作簡(jiǎn)便，節(jié)能環(huán)保，而且可以降低海上風(fēng)電施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高海上風(fēng)機(jī)安裝的效率，因此在海上風(fēng)機(jī)安裝領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。

本文通過對(duì)某DP2自航自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)功率管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PMS）的配置，PMS對(duì)不同工況下發(fā)電機(jī)組的控制，以及對(duì)配電板母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)的分合閘的控制，探討DP2海上風(fēng)電安裝平臺(tái)電站管理模式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際案例，總結(jié)了DP2平臺(tái)電站管理模式設(shè)計(jì)方法，為類似船型的設(shè)計(jì)提供參考。

2" " 規(guī)范要求

CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2022）第8篇第11章對(duì)DP2附加標(biāo)志的船舶有明確要求：安裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，在出現(xiàn)單一故障（不包括一個(gè)艙室或幾個(gè)艙室的損失）后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船位和首向[1]。冗余設(shè)計(jì)原則參照《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2021）的11.2.2。表1為CCS規(guī)范對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的功率管理系統(tǒng)的冗余要求。

3" " 平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）本平臺(tái)電站由三套6 600 V高壓配電板、一套690V配電板、一套400 V配電板和一套230 V配電板組成。在DP2模式下，6 600 V、400 V、230 V配電板的聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，電力系統(tǒng)分成三個(gè)獨(dú)立冗余組運(yùn)行。

2）6 600 V高壓配電板由三套配電板組成，配電板之間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接，每套配電板各連接兩臺(tái)3300kW主發(fā)電機(jī)，供電給一個(gè)艏側(cè)推和一個(gè)艉推進(jìn)器。DP2模式下最大單一故障設(shè)計(jì)意圖為 6 600V Bus A或6600V Bus B或6 600 V Bus C完全停電，導(dǎo)致一個(gè)艏側(cè)推和一個(gè)艉推進(jìn)器失效，船舶用其余兩個(gè)艏側(cè)推和兩個(gè)艉推進(jìn)器保持船舶位置和首向。

3）690 V配電板設(shè)置兩段母排，分別由二臺(tái)1600kVA動(dòng)力變壓器（PTR1 amp; PTR2）供電； 這兩段配電板主要用于平臺(tái)的輔助吊機(jī)、高壓沖樁泵、壓載泵等設(shè)備的供電。由于這些負(fù)載的功率較大，單個(gè)設(shè)備的功率在150 kW至600 kW左右，起動(dòng)電流較大，因此這些設(shè)備采用軟起動(dòng)，并且分別連接到兩段690V配電板，采用軟起動(dòng)而不是變頻起動(dòng)的設(shè)計(jì)，可以減少這些設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波，在確保設(shè)備供電冗余分組的同時(shí)，降低設(shè)備的成本，從而達(dá)到最優(yōu)的性價(jià)比。

4）400V配電板設(shè)置三段母排，分別由三臺(tái)2500kVA日用變壓器（STR1 amp; STR2 amp; STR3）和一臺(tái)800kW停泊發(fā)電機(jī)（HG）供電。任意兩臺(tái)日用變壓器可以短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，用于負(fù)載轉(zhuǎn)移；停泊發(fā)電機(jī)可與任意一臺(tái)日用變壓器短時(shí)并聯(lián)，用于負(fù)載轉(zhuǎn)移。在非DP模式下，三臺(tái)日用變壓器一用兩備。在斷路器的分?jǐn)嗄芰x擇時(shí)，一般需要考慮日用變壓器的短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)所饋送的最大短路電流。

5）230 V配電板由兩臺(tái)350 kVA主照明變壓器（LTR1 amp; LTR2）和一臺(tái)80 kVA副照明變壓器（ATR）供電。在非DP模式下，兩臺(tái)主照明變壓器一用一備；副照明變壓器獨(dú)立運(yùn)行。允許2臺(tái)主照明變壓器短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行。

6）低壓岸電向400 V配電板供電，岸電與停泊發(fā)電機(jī)及三臺(tái)日用變壓器副邊開關(guān)互鎖。

通過如上的設(shè)計(jì)，本船的發(fā)電機(jī)、配電板、變壓器等與DP相關(guān)的電力系統(tǒng)，分成了三個(gè)獨(dú)立的冗余分組，最大單一故障只會(huì)丟失一個(gè)DP分組，另外運(yùn)行的兩個(gè)DP分組可以自動(dòng)保持船舶位置和首向，滿足DP2的要求。

4" " PMS冗余配置

具有DP2附加標(biāo)志的船舶，PMS必須滿足DP2冗余要求。本DP2風(fēng)電安裝平臺(tái)，具有三套高壓配電板，每套高壓配電板內(nèi)設(shè)置了PMS及關(guān)聯(lián)采集模塊。在1號(hào)高壓配電板和3號(hào)高壓配電板各安裝了一套CPU，每套高壓配電板安裝了冗余的兩套交換機(jī)，高壓配電板的每一屏的綜保都通過內(nèi)部A/B以太網(wǎng)接到對(duì)應(yīng)的冗余交換機(jī)。三套配電板的I/O信號(hào)采集模塊，通過環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)連接到兩套CPU。每套配電板的兩個(gè)發(fā)電機(jī)屏，安裝的功率管理模塊PPU，也是通過環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)連接到兩套CPU。安裝在2號(hào)高壓板的就地HMI以及安裝在集控臺(tái)的PMS工作站，也是通過不同交換機(jī)的A/B以太網(wǎng)通訊。

在整個(gè)PMS的冗余設(shè)計(jì)中，單一故障結(jié)果如下：

1）如果一個(gè)CPU出現(xiàn)故障，則熱備用的CPU直接接管，整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行；

2）如果某套高壓配電板內(nèi)一個(gè)交換機(jī)出了故障，則可以自動(dòng)切換到備用的交換機(jī)與CPU通訊，整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行；

3）如果連接設(shè)備的A網(wǎng)、B網(wǎng)的其中一路網(wǎng)線連接故障，則設(shè)備可以通過另外一路繼續(xù)通訊，整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行；

4）如果某套配電板的PPU出現(xiàn)故障、損壞、斷電，則對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)控制丟失，此時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警，對(duì)平臺(tái)位置和首向保持無影響；

5）如果某套配電板的I/O信號(hào)采集模塊出現(xiàn)故障、損壞、斷電，則對(duì)應(yīng)的高壓配電板控制丟失，此時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警，對(duì)平臺(tái)位置和首向保持無影響。

從上面的PMS冗余分組分析可以看出，任何的單一故障都不會(huì)對(duì)兩個(gè)冗余分組產(chǎn)生影響，未產(chǎn)生超過本平臺(tái)規(guī)定的最大單一故障，滿足規(guī)范關(guān)于DP-2附加標(biāo)志的要求。

5" " 電站管理模式

為了便于電站的自動(dòng)操作，結(jié)合DP2風(fēng)電安裝平臺(tái)的工作特點(diǎn)，將平臺(tái)電站的管理模式分為手動(dòng)、半自動(dòng)、PMS自動(dòng)模式[2]。PMS自動(dòng)模式又可以分為非DP模式、DP2模式、停泊模式， 三種工作模式可通過觸摸屏或工作站上按鈕選擇進(jìn)入，如沒有選擇上述任意一種工作模式，則電站默認(rèn)處于半自動(dòng)模式。

在AC6 600 V配電板發(fā)電機(jī)屏和主聯(lián)絡(luò)開關(guān)屏均設(shè)置模式選擇開關(guān)，可以選擇就地模式和遙控模式。當(dāng)模式選擇開關(guān)選在遙控時(shí)，由PMS進(jìn)行控制。

AC6 600V配電板三臺(tái)日用變壓器和兩臺(tái)動(dòng)力變壓器原邊開關(guān)均設(shè)置模式選擇開關(guān)，可以選擇就地和遙控模式。日用變壓器帶預(yù)充磁變壓器，以便減少開關(guān)合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流。在遙控模式下，PMS可對(duì)變壓器原邊開關(guān)進(jìn)行控制。正常情況下，均選擇在遙控模式。

AC690 V配電板兩臺(tái)動(dòng)力變壓器副邊開關(guān)均設(shè)置模式選擇開關(guān)，可以選擇就地和遙控模式。在遙控模式下，PMS可對(duì)動(dòng)力變壓器副邊開關(guān)進(jìn)行控制。

AC400 V配電板停泊發(fā)電機(jī)、日用變壓器副邊開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)均設(shè)置模式選擇開關(guān)，可以選擇就地和遙控模式。在遙控模式下，PMS可對(duì)停泊發(fā)電機(jī)、日用變壓器副邊開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行控制。

AC230 V配電板主照明變壓器副邊開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)均設(shè)置模式選擇開關(guān)，可以選擇就地和遙控模式。在遙控模式下，PMS可對(duì)主照明變壓器副邊開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行控制。

5.1" "管理模式——手動(dòng)模式

在手動(dòng)模式下，可以手動(dòng)起、停發(fā)電機(jī)，手動(dòng)合、分閘發(fā)電機(jī)主開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)和其他負(fù)載開關(guān)，手動(dòng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)并車、變壓器并車 ，手動(dòng)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移， 需要借助配電板的同步表進(jìn)行同步操作。

當(dāng)有重載問詢時(shí)，人為判斷，手動(dòng)發(fā)出允許信號(hào)。

5.2" "管理模式——半自動(dòng)模式

半自動(dòng)模式，在PMS就地HMI或者PMS工作站人工操作指令，手動(dòng)起、停發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)組半自動(dòng)進(jìn)行負(fù)載分配，半自動(dòng)完成發(fā)電機(jī)組的同步、解列功能，以及聯(lián)絡(luò)開關(guān)的半自動(dòng)同步功能[3]。

當(dāng)有重載問詢時(shí)，人為判斷，手動(dòng)發(fā)出允許信號(hào)。

5.3" "管理模式——PMS自動(dòng)模式

PMS自動(dòng)模式下，常規(guī)的自動(dòng)控制功能，本文不再進(jìn)行詳細(xì)的描述，下文主要列舉了一些需要注意事項(xiàng)或比較實(shí)用的功能設(shè)置：

1）當(dāng)?shù)蛪喊峨姽╇姇r(shí)，自動(dòng)功能無效；

2）當(dāng)有發(fā)電機(jī)開關(guān)的電站模式選擇開關(guān)打在“遙控”時(shí)，如果沒有選擇3個(gè)工作模式中的任一模式時(shí)，則電站處于半自動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)沒有任何自動(dòng)控制功能。（延時(shí)30 s，發(fā)出“PMS模式未選擇”報(bào)警提示）；

3）當(dāng)大功率設(shè)備主起重機(jī)、輔起重機(jī)、升降系統(tǒng)、沖樁泵在運(yùn)行時(shí)，不可以模式切換；

4）觸摸屏和工作站上設(shè)置發(fā)電機(jī)備車順序選擇，每臺(tái)發(fā)電機(jī)可以選擇數(shù)字1～6，且每臺(tái)發(fā)電機(jī)有一個(gè)唯一的數(shù)字，數(shù)字越小，發(fā)電機(jī)的優(yōu)先級(jí)越高；

5）觸摸屏和工作站上設(shè)置輕載解列抑制按鈕，當(dāng)抑制功能激活時(shí)，即使電站功率到達(dá)了設(shè)定的解列值，也不會(huì)輕載解列；

6）當(dāng)變壓器或負(fù)載開關(guān)模式選擇在遙控時(shí)，可以通過觸摸屏和工作站上的合/分閘按鈕，進(jìn)行遙控操作；

7）觸摸屏和工作站上設(shè)置發(fā)電機(jī)最小臺(tái)數(shù)選擇，可以根據(jù)需要任意設(shè)置1～6臺(tái)；

8）觸摸屏和工作站上設(shè)置“所有發(fā)電機(jī)投入”選擇按鈕，在DP工況下可以根據(jù)實(shí)際需求選擇關(guān)閉或打開，默認(rèn)是關(guān)閉。當(dāng)選擇打開時(shí)，電站自動(dòng)將所有可用的主發(fā)電機(jī)全部投入電網(wǎng)，并且不會(huì)根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行增減機(jī)，以確保電力系統(tǒng)運(yùn)行安全。

配電板本地觸摸屏及工作站的控制權(quán)限原則：配電板本地觸摸屏優(yōu)先于集控臺(tái)工作站。當(dāng)本地觸摸屏選擇遙控，集控臺(tái)工作站才可以控制。在顯示屏上顯示控制權(quán)限位置，有控制權(quán)限的才能操作；沒有控制權(quán)限不能操作，僅可以查看狀態(tài)及參數(shù)顯示以及確認(rèn)屏幕上的報(bào)警，不能復(fù)位PMS。

1）非DP模式

配電由主發(fā)電機(jī)供電，聯(lián)絡(luò)開關(guān)均處于合閘狀態(tài)，在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)船舶的不同運(yùn)行工況，比如航行模式，進(jìn)出港模式，拔樁、升樁模式，升平臺(tái)模式等，操作人員可以在HMI或工作站上設(shè)置發(fā)電機(jī)最小臺(tái)數(shù)。

2）DP2模式

自動(dòng)功能1：聯(lián)絡(luò)開關(guān)均處于分閘狀態(tài)，在網(wǎng)主發(fā)電機(jī)的數(shù)量根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，至少保證每段主匯流排有1臺(tái)主發(fā)電機(jī)在網(wǎng)。

自動(dòng)功能2：6臺(tái)主發(fā)電機(jī)供電，聯(lián)絡(luò)開關(guān)均處于分閘狀態(tài)。

本平臺(tái)可通過“非DP模式”和“DP2模式”按鈕，快速切換模式，對(duì)應(yīng)的配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)在非DP模式自動(dòng)地進(jìn)行分閘，在DP2模式自動(dòng)地進(jìn)行合閘，并且根據(jù)實(shí)際海況的電網(wǎng)負(fù)載，自動(dòng)調(diào)整在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的數(shù)量。對(duì)于同一個(gè)風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定的海況，非DP模式時(shí)可通過“輕載解列抑制”按鈕，減少發(fā)電機(jī)的頻繁啟動(dòng)和停車；在DP2模式正常海況時(shí)，可選擇自動(dòng)功能2，6臺(tái)發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行，快速地備足電站容量，此時(shí)電站不再進(jìn)行增減機(jī)，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。非DP模式和DP2模式的一鍵切換功能，極大地便利了船員的操作，也降低了船員誤操作可能導(dǎo)致全船失電，從而使施工的平臺(tái)失去定位和首向的風(fēng)險(xiǎn)。

3）停泊模式

停泊發(fā)電機(jī)供電，6 600 V配電板處于失電狀態(tài)，400V、230V聯(lián)絡(luò)開關(guān)均處于合閘狀態(tài)。

6" " "結(jié)語

對(duì)于DP2 海上風(fēng)電安裝平臺(tái)，在風(fēng)電場(chǎng)作業(yè)的過程中，需要在DP2模式和非DP模式頻繁切換，比如下樁入泥的時(shí)候，一般采用DP2模式，而在脫離水面抬升平臺(tái)或者立樁起吊作業(yè)的時(shí)候，則是非DP模式。安全、穩(wěn)定，便于操作的功率管理系統(tǒng)，將極大地提高全船的電站管理水平，確保風(fēng)電安裝平臺(tái)的作業(yè)安全，提高施工效率。

本文依據(jù)實(shí)際平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照規(guī)范要求、平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PMS冗余配置、 電站管理模式等幾個(gè)方面，對(duì)DP2海上風(fēng)電安裝平臺(tái)電站管理模式進(jìn)行研究分析，可供DP2級(jí)船舶和平臺(tái)設(shè)計(jì)參考，它一定程度上提升了自動(dòng)電站管理的清晰度，同時(shí)對(duì)風(fēng)電安裝平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)也有積極的指導(dǎo)作用。

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