PPM－3在鉆機電控系統(tǒng)中的應用

張聯(lián)國，田　斌，王文軍，張格立

（1.西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710061；2.西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊830011；3.西部鉆探青海鉆井公司，甘肅敦煌736200）

PPM－3在鉆機電控系統(tǒng)中的應用

張聯(lián)國1，田斌2，王文軍1，張格立3

（1.西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710061；2.西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊830011；3.西部鉆探青海鉆井公司，甘肅敦煌736200）

摘要：介紹了電源保護及電能管理器PPM－3的基本原理和主要功能，結(jié)合在石油鉆機數(shù)字發(fā)電系統(tǒng)中的工程應用，給出了PPM－3在CAT發(fā)電機組并網(wǎng)及負荷分配應用中的參數(shù)設置，并對運行數(shù)據(jù)進行測試比較，為石油鉆機動力控制提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：石油鉆機；數(shù)字發(fā)電系統(tǒng)；PPM－3；動力控制

1　引言

石油鉆機電控系統(tǒng)包含發(fā)電控制、傳動控制、低壓配電等幾個子系統(tǒng)，其中，發(fā)電機組的控制在傳統(tǒng)上采用模擬電路，同期并網(wǎng)采用手動同期系統(tǒng)。隨著國際石油裝備市場的技術(shù)進步，客戶對設備的自動化程度及可靠性提出了更高的要求。近年來，針對海洋平臺石油鉆機發(fā)電控制系統(tǒng)，開發(fā)了更加先進的數(shù)字式控制系統(tǒng)，并在同期控制部分采用了PPM－3控制單元，實現(xiàn)了發(fā)電機組并網(wǎng)控制和負荷分配的數(shù)字化、自動化。在CAT和MTU機組中得到很好的應用。

2　PPM－3功能簡述

PPM－3是一款基于微處理控制技術(shù)的保護與電能管理裝置，它與很多品牌的調(diào)速器和調(diào)壓器相兼容，適用于單相或三相交流發(fā)電機，可實現(xiàn)模擬量和開關(guān)量輸出信號調(diào)節(jié)頻率、相角、電壓匹配等自動控制功能，同時具有斷路器控制、負荷自動分配、功率因數(shù)控制、發(fā)電機組保護以及自動電站啟停車等管理功能。

PPM－3的調(diào)節(jié)特性分為開關(guān)量和模擬量輸出調(diào)節(jié)，前者通過開關(guān)量升／降手動控制速度／負荷以及電壓／功率因數(shù)；后者通過模擬量信號偏置來實現(xiàn)速度和電壓的自動調(diào)節(jié)，偏置信號可自由設定（±25mA范圍內(nèi)設定）。不但可以測量顯示發(fā)電機側(cè)電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)速、功率及功率因數(shù)和母線側(cè)電壓、頻率，實現(xiàn)自動同步并網(wǎng)功能，還具有豐富的保護功能，包括發(fā)電機過／欠電壓、發(fā)電機過／欠頻率、發(fā)電機逆功率、發(fā)電機過載／過流等。

3　應用連接

柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)包括柴油機的速度及發(fā)電機的電壓閉環(huán)控制，其均由相應的調(diào)速、調(diào)壓專用控制單元完成。一般的調(diào)速器和調(diào)壓器都留有標準的信號接口，這些接口可以改變柴油發(fā)電機的速度和電壓，在并網(wǎng)后可以改變功率。PPM－3就是通過這些接口調(diào)節(jié)機組之間的功率均衡，如圖1所示。

圖1　多臺柴油發(fā)電機組并網(wǎng)、調(diào)速、調(diào)壓單線示意圖

4　工程應用

4.1方案設計及應用

針對海洋300ft鉆井平臺項目，應用PPM－3控制單元對柴油發(fā)電機組（CAT3516B）進行控制和管理，具體的設計方案如下。

（1）自動啟停車及重載問詢

PPM－3單元作為柴油發(fā)電機組的控制核心，所有可用的發(fā)電機組控制單元均由功率管理系統(tǒng)控制?？筛鶕?jù)發(fā)電機優(yōu)先級和實際匯流排負荷情況，實現(xiàn)發(fā)電機組的自動啟停車功能。當運行狀態(tài)中的發(fā)電機一旦出現(xiàn)相關(guān)報警，系統(tǒng)將啟動下一臺發(fā)電機，使之與電網(wǎng)同步并車，然后讓故障機退出服務（安全停車報警）。如果故障直接導致發(fā)電機停車（即主開關(guān)立即跳閘并停車），系統(tǒng)會自動啟動下一臺發(fā)電機組并且同步并網(wǎng)。同時，系統(tǒng)會檢測發(fā)電機是否過載，一旦過載，優(yōu)先脫扣功能會啟動來保障匯流排正常的電力供應。

如果出現(xiàn)重載問詢，系統(tǒng)會計算所需功率，在允許重載連接到電站之前，有必要的話會啟動其它發(fā)電機。可以通過開關(guān)量輸入（可配置輸入）或通過重載的連接狀態(tài)來閉鎖依據(jù)負荷停車功能，具體的參數(shù)配置在參數(shù)列表PM菜單下設置。

（2）同步并網(wǎng)

PPM－3控制單元共有2種同步并網(wǎng)方式，分別為靜態(tài)同步和動態(tài)同步，而此項目的設計是以動態(tài)同步來實現(xiàn)的，通過模擬量輸出端口66（± 25mA調(diào)速輸出）和71（4mA－20mA調(diào)壓輸出）執(zhí)行此操作。

在動態(tài)同步中，待同步的發(fā)電機組與匯流排上的發(fā)電機組以不同的轉(zhuǎn)速運行（轉(zhuǎn)速差稱為轉(zhuǎn)差頻率）。一般來說，同步中的機組以正轉(zhuǎn)差率運行，這表示待同步發(fā)電機比匯流排上的發(fā)電機轉(zhuǎn)速要快，此目的是為了避免同步后該發(fā)電機出現(xiàn)逆功的情況。

動態(tài)同步器的設定是在控制菜單中選擇，具體設定參數(shù)如表1所示。

表1　動態(tài)同步器的設定參數(shù)

系統(tǒng)可以設定最小轉(zhuǎn)差頻率和最大轉(zhuǎn)差頻率，這將相對提高同步的速度。當控制單元將待同步發(fā)電機頻率向其設定值調(diào)整時，只要頻率在設定限值內(nèi)，就可以進行同步并網(wǎng)。

（3）負荷分配

在自動和半自動兩種模式下，有功負荷分配（和無功功率分配，選項D1）可通過CANbus通訊來執(zhí)行。有兩個CANbus端口供功率管理和負荷分配所用，若2端口同時被選，則兩條CANbus互為冗余。負載分配通?；谟冒俜直缺硎镜呢撦d均分，這意味著負荷分配可在不同型號的發(fā)電機之間進行。

當負載均分模式啟動后，PPM－3中的負載均分控制器即開始工作。負載分配控制器和系統(tǒng)中的其它控制器一樣都是PID控制器，其功能包含頻率控制和功率控制。在菜單2540（模擬量控制）或2590（繼電器控制）中可以進行負載分配控制器的調(diào)整。

（4）速度調(diào)節(jié)

PPM－3單元的GOV輸出（±25mA調(diào)速輸出）與2301D數(shù)字式電子調(diào)速器的模擬量信號給定端口進行連接，通過配置調(diào)速器和PPM－3控制單元的功能參數(shù)，實現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速（頻率、有功、有功均衡）的目的，具體的接線方式如圖2所示。

圖2　PPM－3與2301D調(diào)速接口

（5）電壓調(diào)節(jié)

本套系統(tǒng)采用DECS－200調(diào)壓器，其含有一個模擬量輸入接口，如圖3所示。該接口可接收4mA－20mA的電流信號，進行外部控制，每1mA的變化量可影響發(fā)電機端電壓2.5%的變化率。根據(jù)此特性，選擇PPM－3的AVR輸出特性來調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓，在并網(wǎng)試驗的過程中對PPM－3的速度調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)做了相應的調(diào)整，達到了并網(wǎng)的快速，穩(wěn)定，功率的均衡分配。

4.2效果及數(shù)據(jù)

在鉆井平臺現(xiàn)場試驗中，實現(xiàn)了五臺機組之間任意并網(wǎng)，且無須手動調(diào)節(jié)，也實現(xiàn)了機組的自動并網(wǎng)和功率均衡，實驗數(shù)據(jù)具體如表2所示。

圖3　PPM－3與DECS－200調(diào)壓接口

表2　GEN2與GEN3發(fā)電機組并網(wǎng)

5　結(jié)論

通過試驗驗證，PPM－3單元完全能夠?qū)崿F(xiàn)柴油發(fā)電機組的自動并車和負荷均衡分配功能，滿足鉆井工況的各種需求；同時也能很好地實現(xiàn)自動電站管理和重載問詢功能，為石油鉆機發(fā)電機組控制方案提供了更多的選擇。

參考文獻：

［1］楊冠城主編.電力系統(tǒng)自動裝置原理［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［2］蘇石川等.現(xiàn)代柴油發(fā)電機組的應用與管理［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［3］DEFI PPM－3 OPERATOR′S MANUAL.SW version 3.0X.X

中圖分類號：TE922

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）06—0026—03

作者簡介：

張聯(lián)國，男，西安寶美電氣工業(yè)有限公司，電氣工程師，現(xiàn)從事石油鉆機控制系統(tǒng)的研究設計工作。

田斌，男，西部鉆探工程有限公司，電氣工程師，現(xiàn)從事設備技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015－08－17

Application of PPM－3 in electric control system of oil drilling rigs

ZHANG Lian－guo1，TIAN Bin2，WANG Wen－jun1，ZHANG Ge－li3

（1.Xi＇an Bomay Electric Industries Co.，Ltd.，Xi＇an 710061，China；2.Xibu Drilling Engineering Company

Limited，Urumqi 830011，China；3.Xibu Drilling Qinghai Drilling Company，Dunhuang 736200，China）

Abstract：The basic principle and main functions of the PPM－3 power protector and power energy administrator are introduced.Combined with the engineering applications in the digital generating systems for the oil drilling rigs，the parameters setting of the PPM－3 in the grid connection and load distribution of the CAT generator sets are presented，the operating data are tested and compared，and it provides a new method of the power configuration for the oil drilling rigs.

Key words：oil drilling rig；digital generating system；PPM－3；power configuration