流花11-1FPS電站電源管理系統(tǒng)（PMS）的設(shè)計與開發(fā)

高奇

摘 要 流花11-1FPS海上平臺電站是典型的孤島電站，通過該電源管理系統(tǒng)（PMS），主要實現(xiàn)了兩個功能：1）機(jī)組出力管理，PMS系統(tǒng)通過PLC采集機(jī)組數(shù)據(jù)，然后按照機(jī)組出力偏差和頻率偏差對發(fā)電機(jī)出力進(jìn)行調(diào)整；2）負(fù)荷優(yōu)先脫扣，當(dāng)PMS系統(tǒng)檢測到發(fā)電機(jī)開關(guān)跳閘后，然后按照系統(tǒng)預(yù)先計算的卸載范圍進(jìn)行脫扣，以保障孤島電站的平穩(wěn)運(yùn)行和設(shè)備的安全。

關(guān)鍵詞 電源管理系統(tǒng)；PMS；安全生產(chǎn)

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0211-03

流花11-1油田位于南中國海珠江口外海海域，距香港東南約220km，水深約310m左右。平臺電站由3臺進(jìn)口小功率機(jī)組和一臺大功率國產(chǎn)機(jī)組并網(wǎng)供電，對運(yùn)維人員來說，保持電站平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)具有很大的挑戰(zhàn)性。

流花11-1FPS電站電源管理系統(tǒng)（PMS）由發(fā)電機(jī)組PLC控制系統(tǒng)，與VSD PLC系統(tǒng)，鉆機(jī)SCR PLC和集成在FPS生產(chǎn)控制系統(tǒng)（FCS）的電源管理PLC組成，實現(xiàn)對平臺現(xiàn)有電源管理功能。

電站電源管理系統(tǒng)（PMS）要切實保障油田電站正常生產(chǎn)和生活用電的需求，所以必須滿足以下條件：

1）確保人身安全和設(shè)備安全。

2）確保持續(xù)供電和可靠性供電。

3）確保電能質(zhì)量和減少能源浪費(fèi)。

4）盡可能做到節(jié)能減排，提高能源效率。

油田電站安全可靠運(yùn)行、提供優(yōu)質(zhì)電能和提高電能經(jīng)濟(jì)性，是PMS系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營的一項最基本任務(wù)。

1 設(shè)計原則

流花11-1FPS電站PMS系統(tǒng)按照以下原則進(jìn)行設(shè)計：

1）符合國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定，嚴(yán)格按照國家或者國際及行業(yè)最新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求

2）性價比高，系統(tǒng)具有較高的性能價格比，使管道以最低的運(yùn)行成本、最優(yōu)的工況正常運(yùn)行。

3）技術(shù)先進(jìn)，功能強(qiáng)大，系統(tǒng)采用羅克韋爾自動化公司軟硬件產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，其產(chǎn)品在工業(yè)應(yīng)用中已被證明是成熟的產(chǎn)品。系統(tǒng)具有強(qiáng)大的人機(jī)對話能力，能滿足各種現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下的連續(xù)監(jiān)控的功能。

4）系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠。PMS系統(tǒng)的PLC控制器、控制電源、I/O系統(tǒng)、HMI等都采用冗余的架構(gòu)，重復(fù)利用率可達(dá)到99.99%，當(dāng)某一節(jié)點發(fā)生故障時，可自動進(jìn)行切換，電站系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

5）可擴(kuò)展性強(qiáng)，硬件是模塊化的，允許將來在容量和功能上的擴(kuò)展。

2 硬件架構(gòu)（圖1）

流花11-1FPS電站PMS系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件采用A-BPLC的ControlLogix系統(tǒng)，ControlLogix系統(tǒng)封裝外形小，不僅可提供離散、驅(qū)動、過程和安全控制，還具有可靠的通信功能和最先進(jìn)的I/O，系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使開發(fā)者能高效的進(jìn)行設(shè)計、構(gòu)建和修改，從而大幅節(jié)省培訓(xùn)和工程設(shè)計成本。

2.1 過程信號采集

系統(tǒng)輸入信號：

1）發(fā)電機(jī)輸出功率。

2）發(fā)電機(jī)組出線斷路器狀態(tài)。

3）4160V A/B段母線頻率。

4）ESP，生產(chǎn)管匯及測試管匯運(yùn)行優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)。

5）鉆/修井工況時，SCR系統(tǒng)斜率控制和相位控制。系統(tǒng)輸出參數(shù)：

1）以百分比柱狀圖形顯示的發(fā)電機(jī)功率。

2）VSD/ESP運(yùn)行功率。

3）發(fā)電機(jī)組接入和停機(jī)提示信號。

4）系統(tǒng)錯誤，事件及故障報警信號及打印。

5）鉆機(jī)SCR系統(tǒng)模擬相控信號。

6）ESP/VSD 速度降低至預(yù)設(shè)低頻信號。

2.2 軟硬件配置

PMS系統(tǒng)的硬件要求配置如下：

1）ControlLogix系統(tǒng)采用雙環(huán)ControlNet網(wǎng)絡(luò)。

2）CPU采用冗余配置。

3）各控制子站的交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用冗余環(huán)網(wǎng)架構(gòu)。

4）由不間斷電源供電（即UPS），信號電源采用獨(dú)立的DV24V電源供電。

5）DO信號輸出的繼電器需確保可靠性。

6）HMI服務(wù)器由主服務(wù)器和備用服務(wù)器構(gòu)成。

7）PLC程序基于RSLogix5000開發(fā)，上位機(jī)基于FactoryTalk View Studio開發(fā)。

3 系統(tǒng)功能（圖2）

3.1 電源管理及負(fù)荷分配

PMS系統(tǒng)與5臺機(jī)組通過以太網(wǎng)通訊交換數(shù)據(jù)，包括有功功率、無功功率、頻率、電壓等。并根據(jù)不同的在線發(fā)電機(jī)配置，PMS系統(tǒng)可與發(fā)電機(jī)的調(diào)速器和AVR協(xié)調(diào)工作，并實現(xiàn)以下功能。

1）有功功率和無功功率分配控制：在電站中發(fā)生負(fù)荷波動時，為了防止個別發(fā)電機(jī)的頻率和電壓可能會接近其PQ圖的邊界，此時PMS系統(tǒng)將分配各發(fā)電機(jī)組之間的出力，以提高系統(tǒng)在擾動下的穩(wěn)定性。

2）功率需量和功率因數(shù)控制：PMS系統(tǒng)會實時各發(fā)電機(jī)相對于母線的輸入/輸出功率，并計算功率差額。然后根據(jù)功率因數(shù)的范圍，在滿足發(fā)電機(jī)基本出力的前提下，調(diào)整AVR控制無功功率輸出，以維持系統(tǒng)的功率因數(shù)在合理范圍內(nèi)。

3）母線頻率和電壓控制：當(dāng)電站負(fù)荷發(fā)生變化時，系統(tǒng)調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無功功率，以維系電站的頻率和電壓穩(wěn)定。

3.2 負(fù)荷優(yōu)先脫扣

PMS系統(tǒng)會實時監(jiān)測電站電氣設(shè)備的狀態(tài)，如發(fā)電機(jī)的出力、負(fù)載消耗的功率以及斷路器的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)電機(jī)斷路器跳閘，則會根據(jù)預(yù)計算的能量平衡結(jié)果，如果超過了電站所能承受的最大出力，則切除部分負(fù)荷，以確保電站發(fā)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

優(yōu)先脫扣系統(tǒng)可設(shè)置多個優(yōu)先級，由運(yùn)行人員預(yù)先定義。在系統(tǒng)中針對不同的優(yōu)先脫扣觸發(fā)條件，形成一個優(yōu)先級別卸載表，當(dāng)優(yōu)先脫扣觸發(fā)后，將系統(tǒng)計算得到的卸載級別與優(yōu)先級別表對比后，發(fā)出卸載指令，卸載時間在80ms以內(nèi)。

3.3 重載啟動時負(fù)荷的保證及分配

一些重載設(shè)備（大負(fù)載）都可在HMI上設(shè)定額定負(fù)載及啟動沖擊系數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組剩余功率、要啟動的重載設(shè)備額定功率及啟動沖擊系數(shù)，實時計算發(fā)電機(jī)功率余量，以判斷此重載能否啟動。重載啟動后，機(jī)組按照前述負(fù)荷分配模式自動分配負(fù)荷。

3.4 斷路器的控制及自動同步控制

斷路器與控制系統(tǒng)之間通過硬接線，連接斷路器狀態(tài)、手車位置、分合閘指令等信號，實現(xiàn)包含基本的狀態(tài)監(jiān)視、控制等功能。當(dāng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)并車時，系統(tǒng)會判斷邏輯條件，發(fā)出發(fā)電機(jī)斷路器合閘指令，并最終由同期裝置完成并車。

3.5 備用發(fā)電機(jī)組自啟動控制

當(dāng)在線機(jī)組發(fā)生故障停機(jī)，或過載，過流，過壓，低頻等極限情況時，處于備用狀態(tài)的機(jī)組自動啟動。

3.6 電站監(jiān)控和報警系統(tǒng)

系統(tǒng)監(jiān)視整個電站主要電氣設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)報警時，會有多種報警提醒方式，包括蜂鳴器，指示燈，旋轉(zhuǎn)報警燈，同時HMI上會有詳細(xì)的報警信息文字。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題介紹

4.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制技術(shù)

發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)頻器的作用在于，當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷發(fā)生改變時，手動或者自動的操作調(diào)頻器，使發(fā)電機(jī)的靜態(tài)特性發(fā)生改變。如果負(fù)荷變動時，調(diào)速系統(tǒng)使原動機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，則稱之為無差調(diào)節(jié)（Isoch）；而如果負(fù)荷變動時，原動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著負(fù)荷增大而降低，則稱之為有差調(diào)節(jié)（Droop）。多臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行時，為了實現(xiàn)對其調(diào)節(jié)的有效性及避免系統(tǒng)震蕩，都會采用單機(jī)Droop模式運(yùn)行，調(diào)速系統(tǒng)完成部分調(diào)速任務(wù)，剩下的由機(jī)組控制系統(tǒng)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差調(diào)整。

4.2 發(fā)電機(jī)頻率調(diào)整策略

區(qū)域發(fā)電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)時，可分為按頻率偏差調(diào)整、按交換頻率偏差調(diào)整和按頻率和交換功率偏差調(diào)整三種。按頻率偏差調(diào)整時，只能保證系統(tǒng)頻率不變，不能控制聯(lián)絡(luò)線上流通的功率；按交換功率偏差調(diào)整時，只能保證聯(lián)絡(luò)線上的交換功率不變，而不能控制系統(tǒng)的頻率。只有按頻率和交換功率偏差調(diào)整時，才可以保證區(qū)域范圍內(nèi)功率的就地平衡。在PMS系統(tǒng)，對影響發(fā)電機(jī)頻率的各個調(diào)整因素進(jìn)行邏輯排序，當(dāng)發(fā)電機(jī)的頻率和對電站的有功貢獻(xiàn)發(fā)生偏差時，便對其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

5 結(jié)論

流花11-1FPS電站PMS系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，給整個電站提供了完整的安穩(wěn)策略，極大地減少了故障停產(chǎn)的損失，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為整個油田安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了可靠的保障。

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