海上石油平台电网运行可靠性探讨

陈 洁，张 争，李天斌

（1.武汉大学，武汉 430072；2.长江工程职业技术学院，武汉 430212；（3.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

中海油边际油田的开发大多数是建造井口平台，此类平台不设立发电机，依托附近中心平台电网对其提供电力，这样有利于提高中心平台发电机利用率，减少不必要的备用容量，也符合国家节能减排的政策，但逐渐增多的井口平台，使得用电设备、海底电缆的增长，给中心平台的发电机组和电网运行可靠性带来了不可忽视的问题［1］。这时若能在能量管理系统（EMS）中加入安全稳定控制系统，将为提升整个电网可靠运行提供可靠保障。

1 概 述

W油田群位于南海北部湾Z岛西南方向，初期电力联网由A、B、C、D4座中心平台和各自卫星井口平台通过海底电缆组成，随着边际油田的开发，又有a、b、c等井口平台陆续加入。电力组网的构造为：主干线路电压等级35kV，透平发电机电压等级6.3kV；A平台配置2台12 500kVA有载调压变压器、4台功率均为4 281kW发电机，B平台、C平台各配置1台12 500kVA有载调压变压器，B平台配置3台功率均为4 281kW发电机，C平台不配置发电机，D平台配置2台功率均为2 834kW发电机。变压器均采用消弧线圈接地方式［2］。A平台至B平台，B平台至C平台，C平台至D平台分别采用三芯截面各为3×185mm2、3×95mm2和3×150mm2的海底电缆联网，各段电缆带复合24芯光纤供电网控制系统及别的通信使用。后续增加的井口a平台、b平台加在电网B平台段，c平台加在电网C平台段，其中a平台配置1台2 500kVA有载调压变压器，采用三芯截面为3×70mm2的海底电缆；b平台配置2台3 150kVA有载调压变压器，采用三芯截面为3×95mm2的海底电缆；c平台配置1台2 000kVA有载调压变压器，采用三芯截面为3×70mm2的海底电缆。其电网主线和各平台电力系统及负荷配置见图1和表1。

图1 电网主线示意图

表1 各平台电力系统及负荷配置

2 EMS在电网控制中的作用

在A平台设置主机／操作员工作站、工程师工作站和EMS工作站，B平台、C平台、D平台设置操作员工作站，主要功能是：数据采集和安全监视（SCADA）；频率（有功）调整和控制；电压（无功）调整和控制；优先脱扣等。其中，频率（有功）调整和控制、电压（无功）调整和控制在电网正常情况下由A平台主站对电网进行优化和控制。在电网发生故障时，由各控制站的EMS对发电机有功功率、无功功率、优先脱扣进行控制。

2.1 频率（有功）调整策略

在EMS的控制中考虑了各平台处于联网状态、独立运行状态等各种运行方式的频率控制策略。总体是以电网频率（有功功率）大小为依据，在保持平台上各台透平发电机出力差距在10%或更小范围，调整出力最大或者最小的机组实现平衡。

以B平台在联网情况下的频率（有功）调整和控制策略为例。在正常情况下，单台发电机的最大有功输出设定值（Pmax）、最小有功输出设定值（Pmin）在各机组PLC控制系统中被预设定。各发电机的有功功率实际值不能超过该设定值。B平台的总有功功率由EMS自动按各机组的Pmax成比例在线分配到各机组。电网频率发生偏移时调整步骤如下：

（1）识别电网中Pmax最大的发电机；（2）识别电网中Pmin最小的发电机；（3）如果总发电功率大于总预设值，减小B平台上Pmax最大的发电机频率；（4）如果总发电功率小于总预设值，增大B平台上Pmin最小的发电机频率；（5）如果总发电功率等于总预设值，并且电网中Pmin／Pmax值小于0.9，则增加B平台上的Pmin最小的发电机频率。

2.2 电压（无功）调整策略

电压（无功）调整和控制以电网的母线电压为依据，在PLC中预设定调整发电机的最大无功输出设定值（Qmax）、最小无功输出设定值（Qmin），限制实际值不能超过该设定值；B平台总无功功率在线控制时由EMS自动按照各机组的Qmax成比例分配到各发电机。电网电压发生偏移时调整步骤如下：

（1）识别电网中Qmax最大的发电机；（2）识别电网中Qmin最小的发电机；（3）如果系统电压大于母线额定电压的1.01倍，减小Qmax最大的发电机励磁；（4）如果系统电压小于母线额定电压的0.99倍，增大Qmin最小的发电机励磁；（5）如果系统电压是在标准值的限定范围内，并且电网中Qmin／Qmax值小于0.9，则增加B平台上的Qmin最小的发电机励磁。

2.3 优先脱扣控制策略

当发生海底电缆故障跳闸等情况，实施EMS中紧急制定的相应优先脱扣方案。优先脱扣对象为6.3kV回路上的辅助生产设备注水泵及注水增压泵等，其负荷约占平台总负荷的30%左右。EMS在故障发生6个周波时间120ms内，即故障发生到优先脱扣I／O继电器出口时间，应可靠动作，以保证电网的稳定。当前EMS的优先脱扣控制策略，针对电网可能出现的6种故障情况：

（1）A平台一台发电机故障退出电网；（2）B平台一台发电机故障退出电网；（3）A平台与B平台主线路之间35kV线路断路器跳闸；（4）B平台与C平台主线路之间35kV线路断路器跳闸；（5）C平台与D平台分线路之间6.3kV线路断路器跳闸；（6）D平台一台发电机故障退出电网。

根据各平台辅助生产设备注水泵及注水增压泵等重要性制定脱扣优先级；当脱扣条件满足时，靠近故障跳闸发电机或海底电缆线路距离越近，级别越低，优先卸载［3］。

另外还有高周切机控制策略和通信中断控制策略。

透平发电机装设有高周保护装置，在频率高于52Hz时会自动切除机组。当海底电缆故障跳闸，转供的负荷平台被切除时，发电有功功率富余的平台将发生高周情况。这时如果透平发电机高周保护装置动作，电网中的所有机组都会退出运行，电网崩溃。所以EMS应根据各平台运行工况在发生高周后自动切除部分机组，在透平高周保护装置动作之前将频率降低到安全水平。

EMS对电网的控制是通过海底电缆中的光纤通信完成的，为避免在光纤断芯、通信设备故障等引起通信中断EMS失控，各平台必须根据本平台的发电机功率和海底电缆有功潮流逐渐减少海底电缆的交换功率，实现各自平台的供电平衡，以保证电网稳定运行。

3 电网安全稳定控制系统的组成构想

目前的EMS系统对电网虽然能完成电网稳定运行控制，但依靠目标单一、稳定控制装置单一，随着平台的增多，设备的增加，以及将来在A与C间铺设一条新海底电缆，电网构成环状后，这时油田群电网如出现不可预见的故障，需要更多的依赖多目标、多稳定控制装置的控制方式，就有必要在EMS中加入安全稳定控制系统。

3.1 整体构成

可在A平台设置主站，在A平台、B平台、C平台设置子站，在A平台、B平台、D平台设置执行站。

各站由光纤通道进行通信。为避免装置在数据接收中出现周期滑码现象，主站和子站之间应采用2Mbps或64kbps高速数据同步通信方式，并保证数据发生、接收时钟同步。

由于电网稳定控制具有控制速度快、信息量大、范围广等特点，稳定控制一般采用开环预测离散控制。可将各站与EMS进行接口，利用已有的通讯通道、数据资源及稳定控制装置，避免设备与资源的浪费。站间通信连接方式见图2。

主站负责与各子站的信息交换，数据采集、计算和判别线路（变压器、发电机）是否运行、判别（变压器、发电机、海底电缆）是否跳闸及故障、判别变压器或线路的过负荷、判别电网运行方式、实施稳定控制策略转发有关命令。

图2 站间通信连接方式示意图

子站负责监视本站出线及主变等设备运行状态，将信息发送给主站，接收主站下发的运行方式及控制命令，进行本站当地控制及向执行站发送控制命令。

执行站将本站控制量发送给子站或主站，接收主站下发命令，并按要求选择被控机组，进行输出控制。根据需要具有母线过载切负荷、电网低压切负荷功能。

电网稳定控制技术的研发需要建立大量的网络结构与监测庞大的系统运行参数，这就需要高速可靠的硬件平台和通信通道以及快速准确的稳定分析软件和合适的控制策略［4］。电网稳定控制装置要满足以下特点：

（1）控制对象以功角稳定为主，带有电压越限辅助功能；（2）采用分平台控制、集中管理模式；（3）采用开环预测控制；（4）充分利用已有的数据资源和通行通道；（5）技术上借鉴已有成熟的数据采集、故障辨识、状态预测、事故预想、灵敏度分析等技术。

3.2 对子站在电网中的要求

子站在电网稳定控制系统中起着承上启下的关键作用，应具备以下功能：

（1）实现稳定观测，数据采集的可靠性与准确无误的稳定执行机构；（2）可维护性、可扩展性好、开放灵活的对策表管理系统；（3）较为合理、完善的稳定启动判据，准确快速地判断故障线路、故障类型；（4）完备、冗余式的通讯。

3.3 安全稳定控制装置的构成和配置

按一般的构成分为3部分：

（1）起动装置：检测电力系统中出现的事故扰动情况；（2）测量装置：自动确定控制作用方式和控制量的大小；（3）执行装置：实施控制作用，切机和切负荷。

安全稳定控制系统的模式分为集中式、分散式、集中和分散相结合式3种。本系统可采用集中式，主站集中制定所有的决策并发出控制命令由子站执行。

4 安全稳定控制系统对电网故障决策方式

本电网采用集中稳定控制系统，根据电力系统的拓扑结构以及发电机、主变和海底电缆等参数（总称结构参数）和运行时的潮流和电压等参数（总称运行参数）以及事故情况，确定所采取的控制对策。

决策如下：X表示结构参数集合，Y表示运行参数集合，V表示事故扰动集合，U表示稳定控制集合。控制决策根据实际的结构参数X1、运行参数Y1和故障情况V1，确定相应的稳定控制对策U1［5］。

由于本电网系统属于小电网，所以可以采取离线决策控制方式，根据X、Y、V可能出现的各种组合离线算出各种组合方式，以维持稳定的控制对策表U＝（X，Y，V）存于控制装置的存储器中。实际运行时，装置采集结构参数X1和运行参数Y1，当检测到故障V1，则立即从控制对策表中查出相应的控制措施 U1＝（X1，Y1，V1），如图3所示。

图3 离线决策控制系统

5 结 语

根据以上构想，在电力组网的能量管理系统（EMS）中，增加安全稳定控制系统对提升整个电网的稳定性、监视电网运行的实时性、处理故障的及时性都有极大的帮助，也对提升电能质量，在电网出现故障及时进行控制，避免电网解列，减少黑启动，提高电网的抗冲击性，并在面对不断增多的井口平台电网运行的高度自动化减少人工控制等方面提供了有力保障。EMS在目前海上油田电网的运用能实现电站的高效利用，但在面临海底电缆断裂、电站故障、大型设备的启停对电网的冲击还是有局限的，加入安全稳定控制系统后对油田电网运行有更加可靠的保障，从而保证油田的安全生产。

［1］李 鑫，等.电力组网技术在海洋油气田平台开发中的应用［J］.中国海洋平台，2011，（26）.

［2］张继芬.海上石油平台电网安全稳定控制系统［J］.石油勘探与开发，2009，（36）.

［3］张继芬.海上石油平台电力组网及其EMS系统设计与实现［J］.电力勘测设计，2008，（2）.

［4］陈 最，等.电力系统稳定控制方式探讨［J］.东北电力技术，2004，（7）.

［5］孙光辉.区域稳定控制中的若干技术问题［J］.电力系统自动化，1999，23，（3）.