數字電站與模擬傳動系統功率限制的實現

李文磊，孫龍林，周宏宇，劉晉雷，王 倫

（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201208）

1 項目背景

“勘探四號”半潛式鉆井平臺電站系統為ROSS HILL 80年代產品，該系統核心部件為AC模塊，AC模塊集柴油發電機組控制、保護、監控于一體。因年代久遠，AC模塊內電氣元件老化嚴重，系統故障頻發，備件供貨困難。為恢復系統功能，并使之穩定運行，需將AC模塊進行升級改造。改造方案為：柴油機速度控制使用Woodward 2301E，發電機電壓控制使用CAT CDVR，功率分配與系統保護使用Woodward Easy Gen 3200，改造完成后，模擬系統升級為數字系統。

系統改造的難點在于功率限制的實現，功率限制分為有功限制與總電流限制兩部分。當平臺消耗的總有功功率高于在網柴油機總有功功率，或總電流高于在網發電機總電流，功率限制功能需及時投入。功率限制發生時，會有司鉆臺功率百分比表與功率限制指示燈提醒司鉆，司鉆將根據提示做減負荷操作，司鉆臺百分比表與指示燈見圖1。功率限制信號還會通過功率限制板傳送至傳動系統SCR模塊，限制直流負載輸出，避免柴油機或發電機過載，造成設備損壞或全船失電，功率限制板見圖2。

2 原系統功率限制實現原理

圖 1 功率限制指示Fig. 1 Indiation of power limitation

AC模塊采集有功功率和總電流信號，采集信號進入功率限制板進行運算，功率限制板原理示意圖見圖3。有功功率或總電流信號超過額定值，就會使直流系統的可控硅觸發角后移，降低SCR直流輸出電壓，減小負載，從而減小交流電網負載，確保柴油發電機組不會過載。

當電網上所有發電機的有功功率小于額定值的總和的75%時，Z3組成的PI調節器輸出負電平，此負電平信號經12端輸出后對SCR直流模塊不起作用。圖3中Z1、Z2組成斜坡電路，對功率變化起到延時緩沖作用，其中Z1組成比較器，Z1同相端輸入電平小于反相端固定電平，具有正反饋特性的Z1輸出接近負電源電壓，輸至Z2反

圖 2 功率限制板Fig. 2 Power limitation PCB

相端，Z2輸出正電平，并被D5和導通的Q1箝位。此時D7截止，Z2輸出對D3不起作用，Z3的輸出跟隨kW變化而變化。

當kW信號大于發電機總額定值的75%但小于100%時，Z1的同相端輸入電平大于反相端電平，輸出接近正電源的電壓。此電壓信號經過爬坡延時，并預加功率限制，此時Z2仍然輸出負電平，Z3仍然輸出負電平信號，Z3不對kW信號進行限制，同時，Z3的輸出信號經12端輸出至SCR柜DC模塊，使SCR導通角滯后，減低直流輸出電壓，達到限制直流負載功率的目的。

圖 3 功率限制板原理示意圖Fig. 3 Power limitation principle

同時，Z3輸出送至Z6同相端，當Z3的負電平信號低于D14的正向壓降時，Z6輸出負電平，Q2截止。當kW信號大于等于100%總額定功率時，Z3輸出的電平高于D14的正向壓降，Z6輸出正電平，Q2導通，使繼電器K1-B線圈通電吸合，接通司鉆臺和控制柜面板上功率限制報警指示燈。

另外，在功率限制板的10端，有總電流I tot信號輸入，總電流信號輸至PI調節器Z5，Z5的工作狀況與Z3相同，指示省略了由Z1和Z2組成的斜坡電路，對Z5的調試與對Z3的調試相同，即令kW最小，I tot最大時，為了安全，總是選擇R29、R30、R31，使12端輸出為零。Z3輸出和Z5輸出都起功率限制的作用，為了安全，總是選擇其中較大的一個輸出起控制作用，這種選擇功能由D9和D13組成的“或”門實現。

從以上分析可知，在網有功功率達到總功率的75%時，功率限制開始起作用，限制直流負載輸出。當有功功率大于等于總額定有功功率的100%時，直流負載的輸出完全被限制。功率限制的實現，需要將數字系統的有功信號和總電流信號發送到功率限制板，由功率限制板再將限制信號發送到SCR傳動系統，而傳動系統仍為ROSS HILL的模擬系統。因此，要實現功率限制功能，首先要明確功率限制板的輸入、輸出信號值，再采取可行方案將這些值加至功率限制板。

用泥漿泵打高壓的方法測試功率限制板10點（總電流輸入信號）、11點（有功輸入信號）、12點（功率限制輸出信號）的實際值，功率限制板輸入、輸出值對應的功率百分比見圖4，根據這些值選擇有效的功率限制方案。

3 功率限制的實現

功率限制作為平臺能量管理的一部分，控制依據是將柴油機組容量和當前負載容量進行比較，以有功為例，并網運行的柴油機組有功功率減去當前負載有功功率得出剩余有功功率，并以此作為有功功率限制的額度[1]。這個額度就代表負載還能夠申請到的功率大小，當可用額度下降到小于25%時，那么電網就要進入有功功率限制狀態。當系統處于有功功率限制狀態，當額度為零時，直流負載將不隨司鉆控制指令的增加而增加，直到可用有功功率變為正值且功率限制功能退出運行為止[2]。

圖 4 功率限制板實際輸入、輸出值Fig. 4 Input and output signals of power limitation PCB

平臺直流負載主要有兩種：泥漿泵引起的穩定負載和鉆井絞車引起的突變負載。“勘探四號”平臺4臺柴油機額定功率分別為：1#機1 050 kW，2#機1 650 kW，3#機1 450 kW，4#機1 450 kW，4臺發電機額定電流都為2 625 A。因4臺柴油機功率不同，因此有功限制的前提是用Easy Gen 3200將在網柴油機功率按比例均分，在均分的條件下做有功限制[3]。另考慮到柴油機已運行近12×105h，為保證電站安全，將有功功率限制值設定為額定值的80%，總電流限制設定為額定值的100%。在選擇控制方案時，優先考慮實現有功功率限制，避免因柴油機過載而引起全船失電。有功功率限制實現后，再通過同樣的控制方式實現總電流限制。

3.1 加固定電位值實現

Easy Gen 3200可監測在網運行機組的有功功率，把有功功率當前值的信號經過處理，處理信號作為可變指令，選取一個可編程DO做邏輯輸出，該DO點觸發可調電位模塊，輸出限制電位值。

Easy Gen 3200具有可編輯邏輯輸出點，這些點不是簡單的靠輸入信號觸發，而是可以通過各種指令或功能的組合，通過邏輯變換，得到想要的輸出。其邏輯結構見圖5。

圖 5 3200可編輯邏輯輸出結構Fig. 5 Logic output of 3200

以1號機為例，在Easy Gen 3200參數設置軟件（Tool kit）里選Config_Monitoring -Flex Limit-16，將功率限制值取為800 kW，設置參數見圖6。選擇Config_ IO- Discrete _ Output-08，將該輸出點設置邏輯為：當Flex Limit-16達到800 kW時，DO 08動作，設置邏輯見圖7。用DO 08的邏輯觸發電位模塊輸出6.2 V（80%額定功率，800 kW）到11點。

設置完成后，當1#機有功功率達到800 kW時，6.2 V電壓將作用于功率限制板11點位。經實際負載測試，該方式對穩定負載起作用，但對絞車引起的突變負載，限制不及時，會引起全船失電。

圖 6 Flex Limit-16功率設置參數Fig. 6 Parameter set up of Flex Limit-16

圖 7 DO 08輸出邏輯設置Fig. 7 Logic output of DO 08

3.2 用PLC通訊實現

Easy Gen 3200有4個通訊口、2個CAN bus口、1個RS-232口、1個RS-485口（Modbus），其中RS-485口可以與PLC建立通訊。選用SIEMENS S7-300系列PLC及PROFIBUS轉MODBUS模塊進行硬件組態，組態完成后建立通訊，根據Easy Gen 3200通訊規程，讀取每臺柴油機的有功功率參數，并將參數比較得出最大值，通過AO模塊輸出相應的電位值，用以實現功率限制。

選用PS 307電源模塊（6ES7307-1EA01-0AA0）、CPU 315-2DP（6ES7315-2AH14-0AB0）、A08X-12bit模擬量模塊（6ES7332-5HF00-0AB0）、鼎實科技PB-B-MODBUS總線橋進行硬件組態，用以實現PLC與Easy Gen 3200之間的通訊，PLC組態完成見圖8[4]。根據Easy Gen 3200通訊規程，采集有功功率（地址 50009）數據，其地址設置見圖9。

因4臺機組額定有功功率不同，因此需編程將有功功率數據進行百分化并比較，取4臺機組有功百分比最大值[5]。最后將最大值轉化為需要電位的數字量（0～17 142）并在AO點輸出（0 ～6.2 V），功率百分比比較段程序如下：

圖 8 PLC組態完成Fig. 8 Configuration of plc

圖 9 有功功率地址設置Fig. 9 Power parameter ID set up

編程結束并建立PLC與Easy Gen 3200通訊后，加載測試。經泥漿泵穩定負載測試，AO輸出至功率限制板11點電位信號正常，功率限制功能起作用。但用絞車突變負載測試，Easy Gen 3200所顯示功率值超前于11點電位值。功率限制無法實現，會引起全船失電。現場判斷無法實現對突變負載的限制，可能是因通訊速率低導致響應不及時，將通訊速率由187.5 kbps更改為6 Mbps，仍然無法限制絞車引起的突變負載。

3.3 用功率變送器實現

丹控TAS-331DG功率變送器可以監測交流電網有功功率。該變送器可以通過軟件（Transducer Configuration Software Ver122 Setup）進行電壓互感器、電流互感器的變比設置，同時可以設置功率范圍與輸出電壓范圍，其設置界面非常友好。

在本項目中，以1#機為例，將電壓互感器設置為600 V/120 V，電流互感器設置為3000 A/5 A，功率范圍設置為0～800 kW，輸出電壓范圍設置為0 ～6.2 V，設置后的界面見圖10。

圖 10 功率變送器參數設置Fig. 10 Parameter set up of power transducer

將功率變送器輸出接至功率限制板11點，經泥漿泵穩定負荷，絞車突變負荷的測試，由功率變送器輸出的電位信號響應及時，能夠很好地完成功率限制功能。

使用同樣的方法，以1#機為例，用DEIF TAS-321DG電流變送器采集發電機電流信號，將電壓互感器設置為600 V/120 V，電流互感器設置為3 000 A/5 A，電流范圍設置為0～2 625 A，輸出電壓范圍設置為0～8.3 V，設置后的界面見圖11。通過調低電流范圍至0～1 000 A，模擬測試電流限制功能，經穩定負載與突變負載測試，電流限制功能正常。

圖 11 電流變送器參數設置Fig. 11 Parameter set up of current transducer

4 結論

對鉆井平臺負載來講，功率限制實現的難點在于有效限制鉆井絞車的突變負載，本文描述了三種功率限制實現方式，經現場測試，證明使用功率變送器具有良好的動態響應，限制功能穩定可靠。電站數字化改造完成后，“勘探四號”平臺經過NB8-1-1井的實際作業，進一步驗證了所實施的方法和控制策略的可靠性，為確保平臺電站穩定運行提供了非常重要的保障。