海洋石油平臺電力組網管理系統設計探討

劉 琳 魏春先 周 雷 徐建東

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

隨著海洋石油平臺電網規模的增大，一般情況下，一個海洋區域電網有可能涉及多個電站（中心平臺）及用電平臺（井口平臺）。電站運行方式多樣，用電設備數量多，運行工況復雜，電站管理工作極為復雜。EMS（Electrical management system）即電站管理系統，已廣泛應用于海洋石油平臺，主要作用是根據現場實際負荷需求，有效管理電站中投入發電機的數量和功率，使得發電機輸出經濟效益最大化，碳排放量最小化。所以，完善的設計方案對海洋石油平臺電網的安全運行也就顯得尤為重要。

1 電力組網的構成

本開發項目電力組網共涉及Ⅰ期油田七個平臺和Ⅱ期油田四個新平臺。

Ⅰ期油田主要包括Ⅰ期S CEP、Ⅰ期S WHPA、Ⅰ期S WHPB三個平臺。Ⅰ期S CEP與Ⅰ期S WHPA通過棧橋連接，電力及通信經過通過棧橋的電纜和光纖傳輸；Ⅰ期S CEP與Ⅰ期S WHPB間連接海纜，電力及通信通過海纜傳輸；Ⅰ期CEP、Ⅰ期WHPA兩個平臺及Ⅰ期J CEPA、Ⅰ期J WHPB兩個平臺，Ⅰ期CEP與Ⅰ期WHPA棧橋連接，電力及通信經過通過棧橋的電纜和光纖傳輸，Ⅰ期J CEPA、Ⅰ期J WHPB與Ⅰ期S CEP間連接海纜，電力及通信通過海纜傳輸。

Ⅱ期油田包括綜合處理平臺Ⅱ期S CEPF、井口平臺Ⅱ期S WHPC、Ⅱ期S WHPD和Ⅱ期S WHPE，其中Ⅱ期S CEPF與井口平臺Ⅱ期S WHPE通過棧橋連接，電力及通信經過通過棧橋的電纜和光纖傳輸；井口平臺Ⅱ期S WHPC和Ⅱ期S WHPE間連接海纜，電力及通信通過海纜傳輸；Ⅱ期S WHPD和Ⅱ期S WHPE間連接海纜，電力及通信通過海纜傳輸。

該油氣田有三個電站，分別設在三個平臺上——Ⅰ期CEP（兩臺發電機）和Ⅰ期S CEP（四臺發電機）、Ⅱ期S CEPF（三臺發電機），其余井口平臺均為受電平臺，與對應的CEP平臺通過海纜或電纜連接，接受電力和通信。平臺分布圖如圖1所示。

本項目Ⅰ期S CEP平臺的EMS工作站作為全網的EMS中心站，可對其他各平臺的設備進行遠方遙控；其他各平臺的主機/操作員工作站經授權，也要求具備中心站功能，以便在Ⅰ期S中心站失效情況下，承擔中心站的任務。

2 EMS系統的功能要求及控制內容

本油田群內多電站組網運行，提高了區域供電穩定性，降低了生產平臺孤網供電的斷電風險，可根據生產平臺實際運行負荷，合理調整發電機運行數量和輸出功率，使發電機高效運行，降低能耗。綜合考慮現有海上平臺用電負荷需求和海底電纜長度，海上平臺基本使用35 kV進行電力組網。組網設施硬件主要包括：35 kV變壓器、海底電纜、電抗器、電阻器、電容器、EMS系統等，其中EMS系統是電力組網的中樞系統，EMS系統的好壞直接影響電力組網的安全性和穩定性。

圖1 平臺分布圖

EMS系統至少需具備以下功能：

（1）監控組網硬件狀態。對組網設備進行數據采集和安全監視（SCADA）、頻率（有功）調整和控制、電壓（無功）調整和控制，掌控電網中潮流走向，對電網進行整體保護。

（2）監控各電站內發電機。對發電機進行數據采集和安全監視（SCADA）、頻率（有功）調整和控制、電壓（無功）調整和控制，根據電網內實際運行負荷多少和潮流方向有效控制各電站中發電機運行臺數、功率輸出，使發電機高效運行，減少燃料浪費。

（3）對電網內用電設備狀態進行數據采集和安全監視（SCADA），根據電網容量控制用電設備的投入，有效抑制大設備的啟動，對突發事件進行優先脫扣控制，保證整個電網穩定安全。

對于EMS信息處理層的要求：具備數據采集、數據處理、控制和調節、保存歷史數據、接受調度員操作、記錄事件和發出告警、形成趨勢曲線、事件追憶、SOE功能，對于保護功能實現有效閉鎖和解鎖，對于發電和用電可進行量測，根據電網潮流模式自動平衡；另外，EMS主站和子站應具有打印輸出功能。

3 本項目中EMS分布

如圖2所示，本開發項目Ⅰ期油田：Ⅰ期S CEP設置主站，Ⅰ期S WHPA設置二級子站，Ⅰ期S WHPB設置二級子站；Ⅰ期CEP設置一級子站，Ⅰ期WHPA及Ⅰ期J CEPA、Ⅰ期J WHPB分別設置二級子站；Ⅱ期油田：Ⅱ期S CEPF設置一級子站，Ⅱ期S WHPC、Ⅱ期S WHPD和Ⅱ期S WHPE分別設置二級子站。主站與子站之間通過光纖和組網復合海纜中的光纖連接。

圖2 EMS分布框圖

4 控制實現方式

單平臺中電氣設備分布較為零散，控制網絡特別是站控層網絡必須滿足本項目電網調節的實時性要求，所有關鍵數據的傳輸必須能在不中斷任何系統通信的條件下優先傳送。環裝EMS控制系統框圖如圖3所示。

圖3 環裝EMS控制系統框圖

本框圖適用于EMS主站，通常設于有電站平臺。對于非主站無數據庫服務器、服務器的中心平臺及井口平臺可不設置工程師站。電站、各電壓等級盤柜、海纜等可根據項目實際情況調整配置。

（1）本框圖采用遠程I/O柜形式。遠程I/O柜安裝于系列盤中，一般建議安裝于母聯柜或PT柜內，與一次設備隔離，以節省盤柜數量，避免電磁干擾。

（2）主通信網絡通常采用以太網TCP/IP通信協議或IEC 61850通信協議。

（3）I/O單元與各間隔層設備間可采用以太網接口，Modbus TCP/IP通信協議或IEC 61850通信協議。也可根據項目特點選用其他形式：如規模較小的系統可選用RS485/Modbus RTU；根據智能MCC情況可選用DeviceNet、Profibus等形式。

（4）與主發電機接口型式及協議由EMS與發電機廠家協商確定，通常為以太網TCP/IP協議。

（5）低壓負載中功率在100 kW及以上的可由EMS直接通過硬線完成卸載控制；其他負載的卸載控制由EMS通過硬線發控制信號至CCS，由ESD實現分組卸載，運行狀態從CCS讀取，與CCS間通信可采用RS485/Modbus RTU形式。

（6）配電盤柜與EMS間信號：分合閘、合閘抑制等控制信號采用硬接線；開關狀態、各故障/報警狀態、開關小車位置、接地開關狀態等狀態信號可通過硬接線，也可通過多功能繼電器轉換后通過通信線采集；模擬量信號由多功能測量儀表/多功能繼電器經通信線采集。

（7）變壓器與EMS間信號：有載調壓升降檔控制信號采用硬接線；有載調壓開關狀態、風機狀態、故障/報警信號等狀態信號可通過硬接線，也可通過盤柜多功能繼電器轉換后通過通信線接入；變壓器溫控器數據經通信線采集。

（8）發電機與EMS間信號：調壓調速控制信號采用硬接線；運行狀態、故障/報警信號等狀態信號可通過硬接線；轉速、溫度等模擬量數據經通信線采集。

5 結語

根據海上石油發展現狀，單個石油平臺用電負荷小，距離海岸線較遠，使用陸地大電網供電的經濟費用較高，因此海上石油平臺之間通過海底復合海纜組成區域電網逐漸成為主流，希望此次電力組網能為以后的組網形式提供借鑒，使得海上區域電網更加安全、穩定。

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