某海上生產設施優先脫扣邏輯多次觸發動作故障分析及處理

周 昕

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

1 海洋石油某海上生產設施電網概況

海洋石油某海上生產設施，包含發電機及變配電系統、生產工藝系統、海水系統、淡水系統、生活系統等，具備電力、水資源等自給自足能力，是一座海上微型石油工廠。

某海上生產設施電網屬于孤島電站模式中的中小型電網，電網中共有三臺生產用發電機（PSG），兩臺船用發電機（SSG），一臺應急發電機（EG）。[1]兩臺船用發電機由于使用時間長，帶載能力差，已暫停使用。三臺生產用發電機單機功率均為1800kW，使用經處理后的原油或柴油作為燃料油。正常生產情況下，保持兩用一備的狀態。

三臺船用發電機自1996 年裝機投用以來已超20年，雖經多次更換或升級改造，但輔助控制元器件故障率逐步增加，對電網穩定運行造成較大影響，同時影響正常生產生活。

2 某海上生產設施優先脫扣邏輯多次動作現象

某海上生產設施電網某一段時間內多次出現優先脫扣動作導致甩脫一級和二級負載，其中包括儀表空壓機、水力旋流器馬達等關鍵設備，對現場生產造成較大影響。

對最近一次發生優先脫扣動作邏輯前后報警進行分析情況如下。

12 月6 日01:09:05.2 在第一次報警時3 號PSG 產生兩個警報：（1）CLOSE PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）CLOSE G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR。這兩個警報說明母線電壓頻率監測回路信號通道出現故障，但是在1S 時間內，兩個警報迅速自復位，并未能對電網造成影響。

12 月6 日01:57:55.2 在3 號PSG 第二次發出報警時，首先上位機出現CLOSE PSG03 Syncronizing voltage channel error 故障報警信息，但在1S 時間內警報迅速自復位，并未能對電網造成影響。

三分二十六秒后，3 號PSG 出現第三次警報，首先上位機出現兩個警報：（1）CLOSE PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）CLOSE G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR。在1S 時間內，兩個警報迅速復位。同時，觸發1 號發電機自動啟動并網加載，并甩脫一級和二級負載。

根據上述報警記錄分析，幾次出現的報警均在極短時間內復位，說明該故障為軟故障，需要根據可能產生的原因逐項分析故障原因。

3 優先脫扣邏輯多次動作故障原因分析

分析現場G30 模塊、UMT 模塊、PLC 模塊三者結構示意圖可知，G30 僅采集發電機母線側電壓信號，UMT 采集發電機輸出端電壓及電流信號，兩個模塊將采集的信號轉換后將所有數據傳輸至PLC 模塊。因此，3 號發電機母線頻率故障報警及同步電壓故障報警均與PT、G30、PLC 及組成的回路有關。[2]

發電機過載達到110%Pn 即1980kW 時或發電機頻率低于90%fn 即54Hz 超過1S 才會產生自啟動及甩負載的情況，現場查看3 臺發電機功率參數曲線圖及頻率曲線圖可知，故障時3 號發電機各項參數正常，未出現過載及低頻現象。因此導致發電機母線側電壓信號通道錯誤報警及同步電壓信號通道錯誤報警信息原因初步確定為G30I/O 模塊故障或G30 模塊、PLC 模塊、PT 模塊回路中接線端子松動導致。

有功功率數值是通過UMT 從發電機采集的電壓及電流信號進行轉換傳輸進入PLC 分析處理后獲得。因此，考慮會不會是UMT 參數出錯導致PLC 判斷過載而動作。同時UMT 模塊經第三方專業公司檢測確認為由于內部設計問題導致內部控制板溫度長期偏高，影響UMT 使用壽命，在運行過程中其故障率較高，經統計分析可知近五年由于UMT 模塊而導致的故障共計5次，且當前3 號PSG 控制盤位于配電間角落位置，空調制冷效果不佳，這樣更可能導致UMT 出現異常而導致UMT 發出錯誤的信號給PLC，從而導致發電機出現故障。從這個角度考慮，UMT 故障也可能引起1 號發電機自啟動，且甩一級和二級負載。

由于現有PLC 模塊內部程序為功能塊圖，現場人員無法直接讀取內部的程序，現場PCU4 圖紙資料上沒有上述警報I/O 點。而發電機頻率信號的采集是UMT來采集的，發電機母線頻率則是由G30 來采集的。因此，發電機出現低頻報警信號有可能是PLC 模塊將發電機母線頻率與發電機頻率進行比較而產生。綜合以上分析，UMT 模塊回路和G30 模塊回路均有可能存在故障而導致此次事故的發生。

同時，由于故障時發電機母線側電壓信號通道錯誤報警及同步電壓信號通道錯誤報警信息同時出現，懷疑G30I/O 模塊故障概率較高。

4 某海上生產設施優先脫扣邏輯多次動作故障原因現場排查

根據上述故障原因分析，現場對G30 回路及UMT回路分別進行檢查測試。

4.1 排查G30 回路接線

1.排查方法。在發電機停機狀態時，將發電機控制模式轉換到手動狀態，將下一臺自動啟動發電機切換到1 號SSG，在此狀態下插拔PT 模塊到G30 模塊再到PLC 模塊PCU4 的回路接線端子，在此情況下排查操作不會對正在運行的發電機造成影響。具體操作方法為：檢查回路接線端子導線，觀察是否有導線松動導致警報產生，回裝接線端子時確保接線牢固可靠。若未出現報警則判斷接線端子未松動，此時手動拆除接線查看所產生的 報警。

2.排查過程。根據制定的排查工作計劃，首先將3號發電機切換到手動位置，將1 號SSG 切換到自動位，并將NEXT START 選擇開關選擇4。

發電機母線電壓通過如下電氣設備最終將信號傳輸到PLC 模塊：發電機母線電壓—Q03—F11—PTR7030發電機保護柜內MCB43—電壓互感器PT—MCB11—G30 I/O 模塊—PCU04。

將F11 開關輸入接線端子到PCU04 輸入接線端子使用尖嘴鉗用力拽動，發現接線牢固可靠。整個操作過程中上位機未出現警報。將所有接線端子再次確認緊固，嘗試手動拆除回路中導線觀察產生警報情況。

拆除3N G30 模塊的輸出U5a 導線，觀察上位機上出現下面三個報警：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR；（3）PSG03 Syncronizing voltage channel error，回接U5a 導線后警報消失。

拆除3N G30 模塊的輸出U6a 導線，觀察上位機上出現與上一步一樣的三個報警，回接U6a 導線后警報消失。

拆除3N G30 模塊的輸出U5c 導線，觀察上位機上出現下面兩個報警：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR，回接U5c導線后警報消失。

拆除3N G30 模塊的輸出U6c 導線，觀察上位機上出現一個報警：PSG03 Syncronizing voltage channel error，回接導線U6c 后警報消失。

根據上述現象，可知U5a、U6a 兩根導線為信號傳輸公共端。U5c 為母線頻率監測信號輸出端，U6c 為同步電壓監測信號輸出端。

拆除MCB11 出線3D19，觀察上位機上未產生警報信號?；亟?D19 導線，直接斷開MCB 開關，觀察上位機上仍未有警報產生。根據這個現象可判斷3N G30輸入端口前的電路接線松動或開關跳閘均不會在上位機上產生報警信號。

3.排查結果分析。根據以上排查可知，3 號發電機故障時產生的警報：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR；（3）PSG03 Syncronizing voltage channel error 與G30 模塊本身有直接關系。

4.2 更換UMT 測試

1.排查方法如下。使用經第三方專業公司改造過的UMT 更換3 號PSG 現有UMT 模塊，將3 號發電機切換到手動位置，將1 號SSG 切換到自動位，并將NEXT START 選擇開關選擇4，在更換UMT 及進行參數設置時不會影響運行中的發電機，更換過程中記錄相應的警報信息。

2.排查過程如下。按照發電機UMT 更換的標準操作程序，我們制定了3#PSG UMT 的更換測試的方案，大致的更換測試流程為：（1）拆除3 號發電機舊UMT模塊；（2）記錄發電機拆除UMT 模塊后產生的警報；（3）安裝新的UMT 模塊；（4）回接UMT 模塊；（5）記錄發電機UMT 模塊恢復正常后的警報情況；（6）將記錄的報警與發生故障時的報警進行對比分析。

表1 電網母線頻率保護設定值及相應動作

按照發電機UMT 模塊更換的標準操作程序對發電機的UMT 模塊進行了更換，在拆開UMT 的接線后我們發電機的監視系統出現了11 個警報。從警報信息描述可知，在UMT 拆除后，UMT 無法傳輸發電機電壓及電流數據到PLC 模塊，導致出現3 號PSG 電流、電流有效值、電壓、頻率、有功功率及無功功率信號通道故障報警。同時，由于PLC 隨機輸出一個有功功率值，達-7197kW，出現逆功率報警。

UMT 更換及參數設置完成以后，之前拆除UMT 后出現的11 個警報全部自動復位。

3.排查結果分析。（1）根據更換UMT 測試時上位機上產生的警報分析可知，UMT 或其回路出現故障時是不會出現發電機母線頻率通道錯誤和同步電壓通道錯誤警報的，即在12 月6 日凌晨出現的上述三個警報與UMT 模塊無關，而是由3#PSG 的G30 模塊或PLC模塊故障產生；（2）在發電機停機狀態下，更換UMT模塊不會出現自動啟動備用機和低頻故障報警。

4.3 調取PLC 程序進行故障確認

根據以上的排查過程，我們排除了UMT 模塊及各回路接線松動導致優先脫扣邏輯動作原因，故障原因鎖定在了G30 模塊、PLC 模塊。為了進一步鎖定故障原因，與PLC 廠家工程師溝通調取了PLC 程序分析MSG3_23 和MSG3_41 兩個報警信號觸發的條件。

MSG3_23 CFN PSG03 Excess Load Auto.Start

MSG3_41 CFN PSG03 Underfrequency 3

MSG3_41 是當PLC 檢測到發電機母線頻率輸入信號低于54Hz 時觸發，其動作邏輯為經過1s 的延時后啟動備用PSG，同時甩脫電力系統一級和二級負載。而MSG3_23 報警是當發電機出現過流、過載及母線頻率低等保護信號時均會觸發，PLC 根據發電機保護設定值與監測值比較所得結果延時固定時間后觸發相應的動作。[3]該描述與電網母線頻率保護設定值及相應動作值相對應。

發電機母線頻率信號的采集是電壓互感器采集母線電壓信號經G30 模塊進行數據轉換后變成4-20mA的電流信號上傳到PLC（PCU4）。PCU4 根據所采集的信號，首先判斷發電機斷路器是否處于合閘位置。如果發電機斷路器處于合閘位置，則PCU4 根據發電機保護設定值進行數據比較，若達到動作值，則進行相應的動作。

5 優先脫扣邏輯多次動作原因分析結論及處理

根據上述分析可知，故障時觸發的三個報警：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR；（3）PSG03 Syncronizing voltage channel error，即發電機母線頻率通道故障、同步電壓信號通道故障、發電機母線頻率低均由G30 模塊故障導致參數錯誤引起的，進而導致PLC 輸出警報，從而觸發1 號發電機啟動并網，甩脫1 級負載及二級負載優先脫扣動作邏輯。現場對G30 模塊進行了更換，經測試及運行觀察后續未出現該故障，故障徹底消除。

6 結論

本文通過對某海上生產設施電網多次觸發優先脫扣邏輯故障問題的分析，深入探討了發電機數據采集接收模塊對電網運行的巨大影響。通過逐項分析驗證，最終鎖定故障原因并有針對性地處理，最終徹底消除了故障，保證了電網的可靠性。