動力定位鉆井平臺快速降載策略

盛 利 國世乾 溫慶明

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州510095；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

動力定位鉆井平臺在作業(yè)過程中往往有管線或者電纜與海底的設(shè)備相連，平臺位置的保持尤為重要。在作業(yè)過程中可能會出現(xiàn)主配電板母聯(lián)開關(guān)、發(fā)電機開關(guān)故障跳閘，發(fā)電機意外急停等情況，這些故障將造成其他在線的發(fā)電機負荷突加、頻率下降甚至過載，極端情況下可導(dǎo)致局部或全船斷電，推進器失去動力，平臺失位等嚴重后果。本文重點討論在發(fā)電機發(fā)生負荷突加且超過其響應(yīng)能力時，如何快速降低電網(wǎng)負荷，避免發(fā)電機過載和頻率過低，保證電站平穩(wěn)安全運行。

動力定位（DP）船舶或平臺通常配有功率管理系統(tǒng)（PMS），其中集成了功率限制功能，PMS根據(jù)開關(guān)狀態(tài)、電網(wǎng)容量、消耗功率、電網(wǎng)頻率和負載優(yōu)先級等參數(shù)計算各負載的可用功率并發(fā)送給負載，負載根據(jù)分配的可用功率來限制自己的負荷。由于傳感器響應(yīng)時間，控制器執(zhí)行周期，通信延遲等因素的限制，PMS可用功率更新的時間通常在0.5 s左右。為了彌補PMS對突加負載響應(yīng)速度過慢的缺點，在推進器和鉆井變頻器控制系統(tǒng)采用了獨立于PMS的功率限制措施。該措施通過監(jiān)控頻率的變化，快速限制功率輸出，大大提高了響應(yīng)速度。不過，只有當頻率降低到設(shè)定點才會啟動減載功能，響應(yīng)時間相對滯后，因此仍會導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動較大。

隨著數(shù)字化智能電子設(shè)備（IED）及IEC61850通信標準在DP平臺的配電、驅(qū)動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，使得基于事件的故障減載成為可能，該方案在鉆井和推進器變頻器控制系統(tǒng)中使用基于事件的功率限制功能代替基于頻率的功率限制。變頻器控制器通過GOOSE報文實時獲取配電板相關(guān)的信息，通過這些信息綜合判斷是否要需要減載以及減載的大小，且在故障發(fā)生時立刻執(zhí)行，不必等待頻率下降到一定程度才開始減載，從而大大縮短故障響應(yīng)時間，彌補PMS的不足，減小電網(wǎng)頻率波動范圍，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性。本文將探討基于功率的負載限制、基于頻率的負載限制以及基于事件觸發(fā)的負載限制并對其進行比較，從而突出基于事件觸發(fā)的負載限制的優(yōu)點。

1 功率管理系統(tǒng)（PMS）的功率限制功能

1.1 動力定位半潛式鉆井平臺的電站結(jié)構(gòu)

圖1為半潛式DP鉆井平臺典型的電力系統(tǒng)配置圖，為了滿足DP等級要求，電站被分割為幾個相對獨立的子系統(tǒng)。包括8臺發(fā)電機和4塊主配電板。負載主要包括8臺推進器和2臺鉆井變頻器，每塊主配電板連接2臺推進器，2臺鉆井變頻器分別由1和4號配電板供電。4塊主配電板之間由母聯(lián)開關(guān)互聯(lián)，通過母聯(lián)開關(guān)的閉合，電站可以運行在4段模式、2段模式、1段模式或者環(huán)網(wǎng)模式。

圖1 半潛式DP鉆井平臺電力系統(tǒng)圖

1.2 發(fā)電機在突加負荷時候的頻率響應(yīng)

柴油發(fā)電機通常能夠容許的最大負荷突加量約為額定負荷的33%，這是由于增壓器、燃油供給閥門、油門拉桿以及調(diào)速器等一系列環(huán)節(jié)的限制因素導(dǎo)致發(fā)電機響應(yīng)速度滯后。負荷的突加過程中將會導(dǎo)致發(fā)電機的頻率和電壓降低。其中頻率下降幅度主要取決于發(fā)電機的慣性時間常數(shù)以及柴油發(fā)電機突加負荷量。

發(fā)電機在突加負荷時頻率響應(yīng)曲線見圖2。

圖2 發(fā)電機在突加負荷時頻率響應(yīng)曲線

如圖2所示，當發(fā)電機發(fā)生故障跳閘時，故障發(fā)電機的負荷將轉(zhuǎn)移到其他在線的發(fā)電機上，在沒有任何減載措施的情況下，在線發(fā)電機頻率將由于負荷突加而快速下降直到欠頻保護設(shè)定值以下，繼電保護發(fā)出開關(guān)分閘指令，導(dǎo)致該段主配電板斷電。除頻率下降外，還可能導(dǎo)致發(fā)電機過載。為了避免這種情況發(fā)生，需要采取快速降低負荷的措施，在這種情況發(fā)生時能夠快速降低電網(wǎng)負荷。

1.3 PMS基于功率的負載限制

PMS集成了功率限制功能，通過限制負載的最大輸出功率來實現(xiàn)。鉆井平臺的主要負荷為推進器和鉆井設(shè)備，一般都采用變頻驅(qū)動，能夠靈活、快速的控制負荷變化。PMS根據(jù)負載的優(yōu)先級為其分配可用功率，優(yōu)先級別取決于設(shè)備重要程度，鉆井平臺上，推進器的優(yōu)先級別高于鉆井設(shè)備。當電站可提供的功率能夠滿足所有負載要求時，功率限制功能不會起作用；只有當電網(wǎng)功率不能滿足所有負載要求時，功率管理系統(tǒng)將首先降低鉆井系統(tǒng)的負荷，如果還是不能滿足要求，則將進一步降低推進器的負荷。

PMS由通信或者輸入輸出（I/O）實時獲取電網(wǎng)開關(guān)狀態(tài)、負載大小以及電網(wǎng)容量等信息，結(jié)合負載設(shè)定的優(yōu)先級來計算推進器和鉆井設(shè)備的可用功率，并將其發(fā)送至推進器和鉆井變頻器中。變頻器控制系統(tǒng)比較已用的功率和可用的功率，如果已用功率超過PMS計算的可用功率，變頻器將開始降低器負荷。下面是PMS一般采用的計算方法：

式中：Δ

P

為負載可增加的功率，kW；

K

為負載的權(quán)重；

K

為本段配電板上可用功率百分比；

K

為互聯(lián)配電板可用功率比；

Q

為負載優(yōu)先級；

P

為本段配電板容量，kVA；

P

為本段配電板已用功率，kW；

P

為互聯(lián)段配電板可用功率，kW。

P

為互聯(lián)段配電板已用功率，kW。

1.4 PMS基于事件觸發(fā)的負載限制

PMS根據(jù)發(fā)電機功率和負載消耗功率來計算，此過程在控制器中周期性執(zhí)行。通常情況下，當發(fā)生意外跳閘時，并不能立刻根據(jù)新的電網(wǎng)狀態(tài)計算負載可用功率。為此，PMS中采用了基于事件的減載功能。當發(fā)電機開關(guān)或者母聯(lián)開關(guān)發(fā)生故障跳閘時，將觸發(fā)信號；該信號由通信或者I/O傳輸?shù)絇MS，PMS立刻更新電站的配置，重新計算負載可用功率，并將更新后的值通過總線或I/O發(fā)送到負載，從而實現(xiàn)更快的減載響應(yīng)。

圖3 PMS基于功率的減載響應(yīng)時間

1.5 PMS基于頻率的負載限制

PMS還通過監(jiān)測頻率來限制負荷。系統(tǒng)設(shè)定最小頻率，當頻率測量值低于該值時，所有負載都降低負荷，并根據(jù)頻率測量值與設(shè)定值的偏差量采用PI調(diào)節(jié)器來計算所需減載量。

無論是基于功率、事件，或是基于頻率的功率限制，PMS都是通過計算功率分配值來實現(xiàn)的。在意外跳閘而導(dǎo)致負載突加時，PMS能夠更新負載可用功率并限制推進器的負荷，但是由于PMS響應(yīng)時間慢，不能很好地適應(yīng)這種情況。

為了實現(xiàn)快速減載，PMS還具備負載的優(yōu)先脫扣功能，當電網(wǎng)過載時，PMS能立即將不重要的負載脫開，從而達到快速降低負荷的目的。然而在鉆井船或者平臺上主要的負載是推進器和鉆井設(shè)備，可以脫開的負載往往局限于空調(diào)，生活設(shè)備等，他們所占的比例很小并不能達到降低負荷的目的。

2 動力定位控制系統(tǒng)功率限制功能

除PMS外，動力定位控系統(tǒng)有自己的功率限制功能。當某段配電板上的負荷超過DP系統(tǒng)中的設(shè)定值時，DP功率限制功能將限制推進器的輸出功率。另外，DP系統(tǒng)還可根據(jù)外界環(huán)境變化預(yù)測所需的負荷，當其估計的負載超過功率設(shè)定值時，動力定位系統(tǒng)將控制推進器進行減載，參見圖4。

圖4 動力定位控制系統(tǒng)的功率限制

DP控制系統(tǒng)的功率限制是對PMS功率限制功能的補充，其功率限制設(shè)定值通常小于PMS中的設(shè)定值。然而，DP系統(tǒng)的功率限制功能是基于PMS計算可用功率的基礎(chǔ)上，其響應(yīng)速度約為1 s，不能適應(yīng)負載突加的情況。

3 變頻器基于頻率的功率限制功能

如前所述，PMS和DP系統(tǒng)的功率限制功能由于響應(yīng)時間的限制，不能很好地滿足快速減載要求，為此在重要負載變頻器控制系統(tǒng)中采用了獨立的基于頻率的功率限制功能作為PMS的后備系統(tǒng)。為了實現(xiàn)對發(fā)電機突加負載的快速響應(yīng)，電網(wǎng)頻率被用來顯示發(fā)電機過載的狀態(tài)。變頻器通過頻率測量模塊獲得電網(wǎng)的頻率，頻率測量模塊與中壓配電板的電壓互感器相連，其響應(yīng)時間小于20 ms，當推進器變頻器控制系統(tǒng)監(jiān)測到電網(wǎng)頻率低于某個設(shè)定門檻值時，將啟動快速減載功能。推進器基于頻率的響應(yīng)曲線如下頁圖5所示。

圖5 推進器基于頻率的響應(yīng)曲線

當頻率高于57 Hz時或者頻率值低于40 Hz時（認為傳感器故障）功率限制功能將不起作用。當頻率在40～54 Hz之間時，推進器允許的輸出功率為0。當頻率在54～57 Hz之間時，功率限制對應(yīng)為0%～100%的線性區(qū)間。由此可見，只有當頻率降低到一定范圍時，基于頻率的功率限制功能才開始工作。

另外，如圖6所示，從發(fā)電機故障分閘信號發(fā)出直至變頻器完成減載控制，約需300 ms，因此對故障響應(yīng)是滯后的，仍然會造成電網(wǎng)較大的波動。

圖6 變頻器基于頻率的減載時間延遲

4 變頻器基于事件的功率限制功能

近年來采用IEC61850通信標準的數(shù)字化配電設(shè)備在DP鉆井平臺及其他船舶上得到廣泛應(yīng)用，如Siemens和ABB都有支持IEC61850的繼電保護產(chǎn)品。IEC61850-7-2 標準定義的GOOSE服務(wù)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)在采用IEC61850標準的數(shù)字化設(shè)備之間進行實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使基于事件的快速減載方案得以實現(xiàn)。這種基于事件的快速負荷減載功能獨立于PMS系統(tǒng)，由主要負載各自的變頻器控制系統(tǒng)獨立完成。如圖7所示，發(fā)電機開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)的智能繼電保護模塊與變頻器控制器分別通過IEC61850通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。變頻器控制器通過GOOSE報文快速實時獲取所有開關(guān)狀態(tài)信息和功率，周期約20 ms。

圖7 中壓配電板與變頻器之間的通信和信號傳輸

推進器和鉆井變頻器控制系統(tǒng)通過GOOSE報文通訊獲取的開關(guān)狀態(tài)、電網(wǎng)配置情況、實時功率大小等相關(guān)信息，并根據(jù)這些信息來判斷發(fā)電機開關(guān)或者母聯(lián)開關(guān)的分斷是否會導(dǎo)致在網(wǎng)的發(fā)電機過載，如圖8所示。

圖8 基于事件的故障減載原理

當發(fā)電機故障跳閘時，發(fā)電機繼電保護發(fā)出跳閘指令到開關(guān)，該跳閘指令同時被傳送到變頻器控制器中，變頻器控制器將基于主配電板當前的負荷來判斷該開關(guān)分斷是否導(dǎo)致其他在網(wǎng)發(fā)電機負載突加超限或者過載。若經(jīng)過判斷結(jié)果為“是”，則變頻器控制系統(tǒng)將計算需要減載的負荷大小，并根據(jù)計算的結(jié)果更新推進器扭矩指令的上限值，同時發(fā)送至變頻器，變頻器將根據(jù)扭矩限制指令降低扭矩和輸出功率，從而實現(xiàn)快速減載。GOOSE通信基礎(chǔ)上的基于事件的負荷減載速度很快，如圖9所示，通常在50 ms左右完成，因此可有效避免發(fā)電機過載或者頻率下降超限。

圖9 基于事件的故障減載時間

如圖10中時序圖所示，當發(fā)電機開關(guān)在

t

時刻發(fā)出故障分閘指令后，該分閘指令通過I/O輸出控制開關(guān)的同時也通過GOOSE報文發(fā)送給推進器變頻器控制系統(tǒng)。在

t

時刻，發(fā)電機開關(guān)分閘完成，在分閘的同時變頻器控制器已將減載指令發(fā)送給推進器實現(xiàn)減載，因此，發(fā)電機跳閘后并不會導(dǎo)致其他在線發(fā)電機過載或頻率突降。約過1 s后，變頻器控制器收到來自PMS更新后的可用功率，隨后，變頻器在2 s內(nèi)回到PMS功率限制的控制。

圖10 基于事件的故障減載時序圖

5 結(jié) 語

通過本文的分析結(jié)果可以看出，當配電系統(tǒng)采用GOOSE報文通信時，變頻器控制系統(tǒng)中基于事件的快速減載比基于頻率的快速減載性能更加突出，能夠在發(fā)電機發(fā)生負載突加超限或者過載的情況下快速響應(yīng)，及時降低電網(wǎng)負荷，使電網(wǎng)平穩(wěn)過度到平衡的狀態(tài)。因此，基于事件的功率限制系統(tǒng)更適合作為PMS功率限制功能的后備系統(tǒng)，以彌補PMS應(yīng)對發(fā)電機負載突加超限或過載時響應(yīng)速度過慢的不足。

隨著數(shù)字化、智能化繼電保護模塊和IEC61850通信在動力定位平臺電站系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，推進器和鉆井變頻器控制系統(tǒng)中基于事件的快速減載功能將會代替基于頻率的減載功能。