PPM－3在鉆機電控系統中的應用

張聯國，田　斌，王文軍，張格立

（1.西安寶美電氣工業有限公司，陜西西安710061；2.西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊830011；3.西部鉆探青海鉆井公司，甘肅敦煌736200）

PPM－3在鉆機電控系統中的應用

張聯國1，田斌2，王文軍1，張格立3

（1.西安寶美電氣工業有限公司，陜西西安710061；2.西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊830011；3.西部鉆探青海鉆井公司，甘肅敦煌736200）

摘要：介紹了電源保護及電能管理器PPM－3的基本原理和主要功能，結合在石油鉆機數字發電系統中的工程應用，給出了PPM－3在CAT發電機組并網及負荷分配應用中的參數設置，并對運行數據進行測試比較，為石油鉆機動力控制提供了一種新的思路。

關鍵詞：石油鉆機；數字發電系統；PPM－3；動力控制

1　引言

石油鉆機電控系統包含發電控制、傳動控制、低壓配電等幾個子系統，其中，發電機組的控制在傳統上采用模擬電路，同期并網采用手動同期系統。隨著國際石油裝備市場的技術進步，客戶對設備的自動化程度及可靠性提出了更高的要求。近年來，針對海洋平臺石油鉆機發電控制系統，開發了更加先進的數字式控制系統，并在同期控制部分采用了PPM－3控制單元，實現了發電機組并網控制和負荷分配的數字化、自動化。在CAT和MTU機組中得到很好的應用。

2　PPM－3功能簡述

PPM－3是一款基于微處理控制技術的保護與電能管理裝置，它與很多品牌的調速器和調壓器相兼容，適用于單相或三相交流發電機，可實現模擬量和開關量輸出信號調節頻率、相角、電壓匹配等自動控制功能，同時具有斷路器控制、負荷自動分配、功率因數控制、發電機組保護以及自動電站啟停車等管理功能。

PPM－3的調節特性分為開關量和模擬量輸出調節，前者通過開關量升／降手動控制速度／負荷以及電壓／功率因數；后者通過模擬量信號偏置來實現速度和電壓的自動調節，偏置信號可自由設定（±25mA范圍內設定）。不但可以測量顯示發電機側電壓、電流、頻率、轉速、功率及功率因數和母線側電壓、頻率，實現自動同步并網功能，還具有豐富的保護功能，包括發電機過／欠電壓、發電機過／欠頻率、發電機逆功率、發電機過載／過流等。

3　應用連接

柴油發電機組控制系統包括柴油機的速度及發電機的電壓閉環控制，其均由相應的調速、調壓專用控制單元完成。一般的調速器和調壓器都留有標準的信號接口，這些接口可以改變柴油發電機的速度和電壓，在并網后可以改變功率。PPM－3就是通過這些接口調節機組之間的功率均衡，如圖1所示。

圖1　多臺柴油發電機組并網、調速、調壓單線示意圖

4　工程應用

4.1方案設計及應用

針對海洋300ft鉆井平臺項目，應用PPM－3控制單元對柴油發電機組（CAT3516B）進行控制和管理，具體的設計方案如下。

（1）自動啟停車及重載問詢

PPM－3單元作為柴油發電機組的控制核心，所有可用的發電機組控制單元均由功率管理系統控制。可根據發電機優先級和實際匯流排負荷情況，實現發電機組的自動啟停車功能。當運行狀態中的發電機一旦出現相關報警，系統將啟動下一臺發電機，使之與電網同步并車，然后讓故障機退出服務（安全停車報警）。如果故障直接導致發電機停車（即主開關立即跳閘并停車），系統會自動啟動下一臺發電機組并且同步并網。同時，系統會檢測發電機是否過載，一旦過載，優先脫扣功能會啟動來保障匯流排正常的電力供應。

如果出現重載問詢，系統會計算所需功率，在允許重載連接到電站之前，有必要的話會啟動其它發電機。可以通過開關量輸入（可配置輸入）或通過重載的連接狀態來閉鎖依據負荷停車功能，具體的參數配置在參數列表PM菜單下設置。

（2）同步并網

PPM－3控制單元共有2種同步并網方式，分別為靜態同步和動態同步，而此項目的設計是以動態同步來實現的，通過模擬量輸出端口66（± 25mA調速輸出）和71（4mA－20mA調壓輸出）執行此操作。

在動態同步中，待同步的發電機組與匯流排上的發電機組以不同的轉速運行（轉速差稱為轉差頻率）。一般來說，同步中的機組以正轉差率運行，這表示待同步發電機比匯流排上的發電機轉速要快，此目的是為了避免同步后該發電機出現逆功的情況。

動態同步器的設定是在控制菜單中選擇，具體設定參數如表1所示。

表1　動態同步器的設定參數

系統可以設定最小轉差頻率和最大轉差頻率，這將相對提高同步的速度。當控制單元將待同步發電機頻率向其設定值調整時，只要頻率在設定限值內，就可以進行同步并網。

（3）負荷分配

在自動和半自動兩種模式下，有功負荷分配（和無功功率分配，選項D1）可通過CANbus通訊來執行。有兩個CANbus端口供功率管理和負荷分配所用，若2端口同時被選，則兩條CANbus互為冗余。負載分配通常基于用百分比表示的負載均分，這意味著負荷分配可在不同型號的發電機之間進行。

當負載均分模式啟動后，PPM－3中的負載均分控制器即開始工作。負載分配控制器和系統中的其它控制器一樣都是PID控制器，其功能包含頻率控制和功率控制。在菜單2540（模擬量控制）或2590（繼電器控制）中可以進行負載分配控制器的調整。

（4）速度調節

PPM－3單元的GOV輸出（±25mA調速輸出）與2301D數字式電子調速器的模擬量信號給定端口進行連接，通過配置調速器和PPM－3控制單元的功能參數，實現調節轉速（頻率、有功、有功均衡）的目的，具體的接線方式如圖2所示。

圖2　PPM－3與2301D調速接口

（5）電壓調節

本套系統采用DECS－200調壓器，其含有一個模擬量輸入接口，如圖3所示。該接口可接收4mA－20mA的電流信號，進行外部控制，每1mA的變化量可影響發電機端電壓2.5%的變化率。根據此特性，選擇PPM－3的AVR輸出特性來調節發電機電壓，在并網試驗的過程中對PPM－3的速度調節器和電壓調節器動態參數做了相應的調整，達到了并網的快速，穩定，功率的均衡分配。

4.2效果及數據

在鉆井平臺現場試驗中，實現了五臺機組之間任意并網，且無須手動調節，也實現了機組的自動并網和功率均衡，實驗數據具體如表2所示。

圖3　PPM－3與DECS－200調壓接口

表2　GEN2與GEN3發電機組并網

5　結論

通過試驗驗證，PPM－3單元完全能夠實現柴油發電機組的自動并車和負荷均衡分配功能，滿足鉆井工況的各種需求；同時也能很好地實現自動電站管理和重載問詢功能，為石油鉆機發電機組控制方案提供了更多的選擇。

參考文獻：

［1］楊冠城主編.電力系統自動裝置原理［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［2］蘇石川等.現代柴油發電機組的應用與管理［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［3］DEFI PPM－3 OPERATOR′S MANUAL.SW version 3.0X.X

中圖分類號：TE922

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）06—0026—03

作者簡介：

張聯國，男，西安寶美電氣工業有限公司，電氣工程師，現從事石油鉆機控制系統的研究設計工作。

田斌，男，西部鉆探工程有限公司，電氣工程師，現從事設備技術管理工作。

收稿日期：2015－08－17

Application of PPM－3 in electric control system of oil drilling rigs

ZHANG Lian－guo1，TIAN Bin2，WANG Wen－jun1，ZHANG Ge－li3

（1.Xi＇an Bomay Electric Industries Co.，Ltd.，Xi＇an 710061，China；2.Xibu Drilling Engineering Company

Limited，Urumqi 830011，China；3.Xibu Drilling Qinghai Drilling Company，Dunhuang 736200，China）

Abstract：The basic principle and main functions of the PPM－3 power protector and power energy administrator are introduced.Combined with the engineering applications in the digital generating systems for the oil drilling rigs，the parameters setting of the PPM－3 in the grid connection and load distribution of the CAT generator sets are presented，the operating data are tested and compared，and it provides a new method of the power configuration for the oil drilling rigs.

Key words：oil drilling rig；digital generating system；PPM－3；power configuration