海上動力平臺電網“晃電”情況研究

摘要：首先，闡述了海上平臺電力系統的發展歷程，并對不同結構電網的優缺點進行了分析；然后，以岸電投用后的三次“晃電”情況為案例進行量化剖析，對比三則案例所造成的影響，找出影響生產的關鍵因素；最后，分別針對高壓盤、中壓盤、變頻柜等設備提出了相應的防“晃電”措施和改進方案，為后續海上平臺接入岸電適應性改造探明了方向，提供了問題解決思路。

關鍵詞：海上平臺；晃電；孤島模式；岸電

中圖分類號：TM774? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.001

1? ? 海上電力系統發展

渤海油田開發建設以來，海上油田電力系統從最開始的自發電模式，發展到近幾年逐步趨于成熟的岸電供電模式，經歷了三個階段——孤島模式、區域組網、岸電入海，每一次改變都代表著海上電力系統向更加可靠、更加穩定邁進一步[1]。

1.1? ? 孤島模式

渤海油田開發早期，油田的電能來源是海上自備發電機以天然氣或原油為燃料進行發電，以輻射結構向中心平臺及周邊小平臺供電，發電機所產生電能僅用于礦區內，不與外電網聯系，這種供電模式被稱為“孤島模式”。這種模式下，一旦燃料供應系統出現問題，或發電機本身發生故障，將導致整個礦區失電，生產中斷，與此同時，大型設備的啟停也會對電網造成較大沖擊，所以，孤島模式存在供電穩定性差、熱備容量低等缺陷。

1.2? ? 區域組網

渤海油田油氣勘探開發不斷發展，海上平臺數量持續增加，相鄰油礦間的距離也在逐漸拉近，讓區域組網成為可能。通過綜合評估，在距離相近的三到四個礦區間鋪設海底動力電纜，組成區域電網，實現不同油礦間發電機組互為備用，一定程度上提高了供電的穩定性，降低了大電機啟動帶來的電網沖擊，也為后續岸電接入打下了局部基礎，積累了運行經驗。

1.3? ? 岸電入海

隨著高壓海底電纜技術不斷成熟，為了克服海上油田開發電力瓶頸，助力海上油田綠色發展，海上平臺也迎來了電力系統發展的新階段。從陸地開關站敷設220 kV海底電纜至海上動力平臺，海上動力平臺間220 kV電網互聯，動力平臺經220 kV/35 kV變壓器降壓后，依托原區域電網送至各個油礦，至此，海上平臺步入岸電時代。

2? ? “晃電”分析

“晃電”是指電網電壓瞬間跌落，在1.5 s以內又恢復正常的現象。某海上動力平臺向各油田正式供電以來，已出現三次晃電情況，其中兩次是站外故障導致。三次故障嚴重程度不同，對電網造成的沖擊程度不同，對平臺設備運行及正常生產帶來的影響也不同。現對三次晃電情況進行定量分析，以便后續以此為依據進一步優化參數設置，提高設備應對電網晃電性能，提高生產流程運行的穩定性。

2.1? ? 第一次“晃電”

2022-12-19T19：36：56，陸地開關站上級變電站在為某風電項目并網時發生單相對地短路故障，安穩系統啟動故障錄波，錄波波形如圖1所示，由右側實線游標數據可見，220 kV線路A相電壓由正常運行時的131 kV拉低至30.6 kV（23.3%），35 kV線路C相電壓由正常運行時的20.7 kV拉低至12.6 kV（60.9%）。

如圖2所示，故障持續約60 ms后，220 kV和35 kV電壓均恢復至正常值。

2.2? ? 第二次“晃電”

此次“晃電”不是站外故障導致，而是動力平臺同一段母線相鄰線路故障導致，故障類型為單相對地短路故障，造成電網單相拉低1 038 ms。據統計，單相接地短路故障占電力系統故障比例高達65%，因此，本次案例具有一定的典型性，故在此引申出來。

2022-12-23T10：43：03，海上動力平臺在向某一油礦中心平臺初次送電時，發生單相對地擊穿故障，安穩系統啟動錄波，波形如圖3所示，該油礦中心平臺供電開關所在35 kVⅠ段母線A相電壓由正常運行時的20.7 kV拉低至1.02 kV（4.9%），由于35 kV系統為高阻抗接地系統，B、C兩相對地電壓提升至35 kV左右。35 kV Ⅱ段母線未受影響，位于35 kV Ⅱ段母線的另一油礦中心平臺供電未見異常。

如圖4所示，故障持續約1 038 ms后，供電開關綜保零序過流保護動作，供電開關分閘切斷故障，35 kV Ⅰ段母線電壓恢復至正常值。由于該油礦中心平臺供電線路為棧橋電纜，無光纖差動保護，而零序過流保護時限1 s，因此，故障持續時間為1 038 ms。

此故障發生時，與初次送電油礦中心平臺供電開關同在35 kV Ⅰ段母線的兩座無人平臺正處于調試階段，之前已在中控對高壓盤失壓信號設置延時1 s，但由于持續時間超過1 s（故障持續時間為1.038 s），所以WHPB平臺觸發關斷。WHPC平臺中控正在做功能調試，高壓盤失壓信號為旁通狀態，因此未觸發關斷，在35 kV供電線路A相低電壓的1 s內，現場電機、加熱器、控制盤等設備均未見異常動作。

2.3? ? 第三次“晃電”

2022-12-30T17：37：47，風電項目并網時對其他相鄰線路造成擾動，安穩系統啟動故障錄波，錄波波形如圖5所示，由右側實線游標數據可見，220 kV線路A相電壓由正常運行時的131 kV拉低至82.97 kV（63.3%），35 kV線路C相電壓由正常運行時的20.7 kV拉低至16.35 kV（79.0%）。

如圖6所示，故障持續約60 ms后，220 kV和35 kV電壓均恢復至正常值。

2.4? ? 對比分析

對比分析，第一次晃電發生時，某10.5 kV盤柜欠壓保護繼電器定值為90%，且中控接收到欠壓信號后無延時立即動作，故導致該平臺三級關斷發生。后將欠壓保護繼電器設定值調整為70%，與綜保定值一致，中控對中高壓盤柜失壓信號設置1 s延時，以躲過陸地開關站供電發生的常規“晃電”情況。

第二次晃電發生在調試階段，未對生產造成影響。根據波形分析和現場設備運行情況統計，1 038 ms的晃電時長對現場設備不會造成影響，因此將中控檢測到高壓盤、中壓盤失電信號邏輯觸發延時調整為5 s，與綜保定值失壓保護動作延時保持一致。因為如果失電超過5 s，綜保會觸發高壓盤失壓保護，觸發開關動作分閘，即使5 s后電網電壓恢復，生產平臺也無法立即恢復供電，需要人為恢復供電，此時就需要中控系統觸發相應關斷邏輯以保證生產流程安全停運[2]。

經過邏輯和保護參數調整優化，在第三次“晃電”發生時，對現場未造成影響，可以驗證邏輯、參數優化達到了躲過“晃電”的效果。

3? ? 防“晃電”措施

海上平臺供用電設備種類繁多，不同設備對于“晃電”情況的敏感程度不同，下面就海上平臺的幾種常用電氣設備列舉相應可以采取的防“晃電”措施，通過這些措施，可以將“晃電”情況對現場生產流程的影響降至最低。

3.1? ? 配電盤

海上平臺的主要配電設備由高壓盤、中壓盤、低壓盤組成，配電設備能否躲過“晃電”周期直接決定現場供電的穩定性，而且往往失電信號與中控關斷信號間存在邏輯關系，配電系統一旦發出失電信號，中控系統會判斷配電系統故障，根據邏輯關系觸發相應的現場設備關停，造成生產關斷。所以，防止“晃電”對現場設備造成影響的關鍵一步就是優化配電系統保護參數。

高、中壓盤柜的繼電保護系統一般采用綜保裝置，以渤海某油田為例，高、中壓盤柜均采用長園深瑞繼保自動化有限公司生產的ISA系列綜保裝置，失壓保護設定如表1所示。

由表1參數可以看出，該油田將電壓低于額定值的70%作為發生失電的電壓判定值，設定延時5 s，只有當電壓低于額定電壓70%持續時間超過5 s，才觸發失壓保護動作，以此來躲過電網電壓短時間內的大范圍波動。

3.2? ? 油井變頻器

多數變頻器的出廠默認設置中，當供電電壓降低時，變頻器直流母線電壓也會隨之降低，當直流母線電壓下降至欠壓保護電壓時，保護系統觸發欠壓報警并關停變頻器。針對該情況，需要從兩方面降低“晃電”情況對油井變頻器的影響：一方面，與高、中壓盤綜保定值修改思路一致，調低欠壓保護電壓定值，設定延時時間，以保證“晃電”期間不觸發變頻柜報警關停；另一方面，油井變頻器的負荷是井下潛油電泵機組，負荷具有較大的慣性動能，供電恢復正常后，負荷側電機仍在運行，為了保證供電恢復后變頻器能夠拖帶井下機組重新恢復到原設定工況，需要設置允許飛車重啟動。根據表2修改油井變頻器參數后，油井變頻器能夠穿越“晃電”周期，且保證井下機組運行不受影響。

4? ? 結語

本文針對渤海油田引入岸電后，電網“晃電”對現場正常生產造成的影響，對比了海上油田從孤島模式、區域組網到岸電入海三個階段供電結構的優缺點，以三次典型的“晃電”情況為案例進行定量、定性分析，最終從配電盤和油井變頻器兩個角度，闡明了消除“晃電”影響的兩個重要方面是失壓/欠壓設定值與延時時間。對于現場電機等慣性負載，還需在變頻器設置允許飛車重啟動，以保證電網恢復正常后，變頻器能重新拖帶電機恢復設定頻率。

岸電入海為海上油田開發提供了更加穩定、清潔的能源[3]，與此同時，也為海上電氣專業帶來了新的課題。一方面，結合岸電供電質量等特點，如何對海上設備、保護參數進行適應性優化，另一方面，探索動力平臺110 kV、220 kV高壓設備在海上的管理、運維模式，均將成為下一階段研究的重要課題。

[參考文獻]

[1] 李雪，高璇，魏澈.海上石油平臺引入岸電的應用探討[J].自動化應用，2018（2）：125-126.

[2] 雷歐納德·L.格雷斯比.電力系統穩定與控制[M].李相俊，李生虎，金恩淑，等譯.3版.北京：機械工業出版社，2017.

[3] 高璇，劉國鋒，李雪.海上油氣田岸電應用設計要點分析[J].電氣應用，2020，39（3）：74-77.

收稿日期：2023-03-07

作者簡介：王萌（1990—），男，天津人，電氣工程工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。