海底電纜油泵站油流控制功能開發(fā)研究

黃小衛(wèi) 汪焰 吳青帥 韓坤 王尤河

摘要：海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中林詩島站和福山站油泵站的油流控制功能模塊由海纜計算模塊、泵計算模塊、泵運行模塊組成，通過對海底電纜內絕緣油的壓力、流量進行監(jiān)測和計算，可以準確調節(jié)海底電纜內的絕緣油壓力和流量，同時通過泵運行模塊可以優(yōu)化現(xiàn)場絕緣油泵的運行;當海底電纜遭到破壞時，油流功能模塊可以判斷到海底電纜運行出現(xiàn)異常，同時在異常情況下，加大絕緣油流量，確保海水不能進入海底電纜。

關鍵詞：海底電纜;油流控制模塊;緊急油流模式

0 引言

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[1]的林詩島站和福山站之間采用海底電纜進行輸電，海底電纜鋪設在海底，最深處距海平面100 m。海底電纜造價昂貴，維修困難，為避免來往船只拋錨損傷海底電纜，同時確保海底電纜的輸電效果，需要通過對海底電纜內部輸入絕緣油進行保護。

林詩島站和福山站分別配置了一座絕緣油泵站，每個絕緣油泵站包含6臺絕緣油泵（提供動力將絕緣油打入海底電纜內部）、1臺絕緣油罐（用于儲存絕緣油）、6臺液壓油泵（配套為絕緣油泵提供動力）、液壓油罐（儲存液壓油）、1套真空系統(tǒng)（保持絕緣油罐內真空度）、液壓油冷卻凈化系統(tǒng)（保持液壓油運行過程中溫度穩(wěn)定）。在林詩島站和南嶺站之間，絕緣油經過海底電纜來回流動，通過改變系統(tǒng)內參數(shù)來改變絕緣油的流動方向，如此往復進行，保證輸油電纜的正常工作。

海底電纜成本高昂，維修難度非常高，在保證海底電纜正常工作的前提下，需要對其運行情況進行實時監(jiān)控，遇到海底電纜被拋錨割破等突發(fā)情況時，控制系統(tǒng)能夠及時調節(jié)絕緣油流量和壓力，保證海水不會進入海底電纜內部，對海底電纜內部進行保護。

林詩島站和南嶺站內均設有一套控制系統(tǒng)，用于監(jiān)控海底電纜內部絕緣油壓力和流量，若出現(xiàn)運行不正常情況會自動報警，出現(xiàn)海底電纜由于漁船拋錨而割損情況時，會啟動緊急模式，加大絕緣油量，對海底電纜進行保護。

該控制系統(tǒng)包含真空模塊、油流控制功能模塊、冷卻系統(tǒng)模塊等，其中油流控制模塊是控制系統(tǒng)的最主要模塊，其功能是檢測并控制海底電纜內絕緣油的流動情況，確保海底電纜的正常運行。

1 功能塊介紹

整個功能塊采用模塊化[2]設計原理，油流控制功能由海纜計算模塊、泵計算模塊、泵運行模塊3個子程序組成。

（1）海纜計算模塊的主要功能是通過檢測到的海底電纜內絕緣油的壓力和流量，與設定值進行比較，根據(jù)比較結果判斷海底電纜當前的運行狀態(tài)，計算模塊將監(jiān)測到的壓力和流量與設定值進行比較，判斷當前運行狀態(tài)是否正常，根據(jù)判斷結果確定油流功能模塊的運行模式，若運行狀態(tài)正常，油流功能模塊處于正常油流模式;若海底電纜運行狀態(tài)異常，則油流功能模塊處于緊急油流模式。

（2）泵計算模塊是根據(jù)海底電纜中絕緣油壓力信號來計算開啟絕緣油泵的臺數(shù)，正常油流模式情況下，當監(jiān)測壓力大于油泵站出口壓力設定值（南嶺站為430 kPa且林詩島站為300 kPa或南嶺站400 kPa且林詩島站為530 kPa）時，開啟2臺絕緣油泵;當檢測到壓力低于設定值時，模塊會判斷開啟3臺絕緣油泵;當壓力繼續(xù)減少，開啟的絕緣油泵會繼續(xù)增加，最多可同時開啟6臺絕緣油泵;在緊急油流模式下，6臺絕緣泵全部打開。

（3）泵運行模塊可以監(jiān)測絕緣油泵的運行狀態(tài)，運行狀態(tài)分3種：正在運行、停止運行、故障狀態(tài)，泵的運行模塊會記錄各臺絕緣油泵的歷史運行時間，根據(jù)泵運行的數(shù)量和各個泵的運行時間、是否處于故障狀態(tài)等因素，最終判斷啟動幾號絕緣油泵。絕緣油泵運行的優(yōu)化處理，可避免出現(xiàn)某臺絕緣油泵閑置時間過長或某臺絕緣油泵運行時間過長。

2 功能塊的控制過程及原理

2.1 ? ?控制過程

油流模塊海纜控制流程如圖1所示，程序啟動并初始化以后進入系統(tǒng)參數(shù)設置階段，需人工設置的參數(shù)為油泵站的海底電纜出口處的絕緣油壓力，由于林詩島站和南嶺站兩地的海平面高度存在差別，當南嶺站出口壓力設定值在430 kPa，林詩島站出口壓力設定值在400 kPa時，海底電纜內絕緣油從林詩島站流向南嶺站。當南嶺站出口壓力設定值在530 kPa，林詩島站出口壓力設定值在300 kPa時，油流方向從南嶺流向林詩島。根據(jù)絕緣油泵的能力，絕緣油流量值在0～13.4 L/Min。

監(jiān)測到的海底電纜的絕緣油壓力傳輸?shù)接土骺刂颇K時，程序首先對該壓力值進行判斷，判斷該值是否錯誤，若傳輸信號為4～20 mA，則信號正常，考慮到線阻損耗導致的信號衰減以及信號干擾產生的偏差，會適當將監(jiān)測范圍上限及下限擴大5%，當超出該上下限值時，就判斷該監(jiān)測值錯誤，系統(tǒng)進行報警;若判斷該監(jiān)測值正常，則進行運行模式判斷。

系統(tǒng)運行模式分為兩種：正常油流模式和緊急油流模式。其判斷標準為：當南嶺站監(jiān)測到的海底電纜絕緣油出口壓力值低于430 kPa（林詩島站該數(shù)值為300 kPa），并且流量高于10 L/Min，這時系統(tǒng)發(fā)出報警。若在報警開始30 s內絕緣油出口壓力和流量恢復正常，系統(tǒng)取消報警，并恢復正常油流模式;若報警持續(xù)30 s后絕緣油出口壓力和流量情況持續(xù)異常，未恢復到正常運行狀態(tài)，此時系統(tǒng)繼續(xù)報警，同時系統(tǒng)自動判斷此時海底電纜處于緊急油流模式。

正常油流模式下，系統(tǒng)監(jiān)控海底電纜內部絕緣油的壓力和流量，并與設定值進行比較，比較計算后通過調節(jié)輸油閥門和絕緣油泵的啟停，來調節(jié)海底電纜內的油壓和流量。

緊急油流模式下，油流控制功能模塊第一時間全開輸油閥門且打開6臺絕緣油泵，將輸油量調至最大，確保海水不會進入海底電纜內部，然后逐漸減小流量，最后保持穩(wěn)定，在穩(wěn)定的壓力和流量條件下，使絕緣油從海底電纜內部流向海水，同時，油流流量最小，降低對海域的環(huán)境污染，同時減小經濟損失。

2.2 ? ?正常模式和緊急模式的計算方法

2.2.1 ? ?正常油流模式

正常油流模式通過比較設定值和實測值的差，輸出開啟的泵的臺數(shù)，關系如下：

y=23（x≤0）6（x≤0，且持續(xù)時間達到30 s以上）

式中，y為開啟的泵的臺數(shù);x為實測值與壓力設定值的差。

在正常情況下，有2臺絕緣油泵持續(xù)運行，系統(tǒng)根據(jù)各個絕緣油運行時間進行優(yōu)化配置，每個絕緣油泵輪流運行，保證在任何時候都有2臺絕緣油泵運行且每臺泵的運行時間基本相同;當實測值一旦小于設定值時，啟動3臺絕緣油泵，當壓力恢復正常后，系統(tǒng)啟動2臺絕緣油泵;當壓力實測值小于設定值，且持續(xù)30 s未能恢復正常，系統(tǒng)開啟6臺絕緣油泵。

泵的開啟臺數(shù)信號將輸出到泵控制模塊，泵控制模塊根據(jù)各絕緣油泵的狀態(tài)進行優(yōu)化配置，決定開啟6臺絕緣油泵中的哪幾臺，將啟動信號傳輸至相應的絕緣油泵。絕緣油泵控制的優(yōu)化過程分為兩部分：首先判斷泵是否處于故障狀態(tài)，如果泵處于故障狀態(tài)，則將該絕緣油泵排出;然后根據(jù)每臺泵的運行時間，優(yōu)先啟動運行時間短的絕緣油泵，從而最大限度保證各個絕緣油泵運行平衡。

2.2.2 ? ?緊急油流模式

緊急油流模式是海底電纜遭到破壞時，海水與絕緣油連通，若海水進入海底電纜內部，接觸到輸電元件，則會造成電力損耗，同時會造成海底電纜內部損壞，此時需要保證海水不能進入海底電纜內部，當系統(tǒng)判斷為緊急油流模式的情況下，系統(tǒng)將絕緣油泵全部打開，通過輸油閥門調節(jié)絕緣油流量，調節(jié)規(guī)律按照下式計算：

緊急油流模式最開始階段流量達到最大為13.43 L/Min，隨著時間慢慢減少，經過1 h后，流量降為8.88 L/Min，5 h后，流量降為1.76 L/Min，最后流量將降至0.1 L/Min。

緊急油流模式一旦啟動，除非手動解除，否則將一直按照上式進行海底電纜絕緣油流量的調節(jié)。如此調節(jié)的主要目的有兩個：（1）確保海水不能進入海底電纜內部，以免電纜內部損壞;（2）避免大量絕緣油流入海水而污染環(huán)境，同時避免造成過大的經濟損失。為了滿足上述兩點要求，需要保證海纜中壓力比海水大，保證絕緣油外流，同時其流量最小。

3 功能塊的測試分析

使用信號發(fā)生器和脈沖發(fā)生器來模擬現(xiàn)場壓力和流量，以測試功能塊的運行情況[3]。首先準備3個模擬量輸出信號和3個高速脈沖信號，分別模擬3根海纜中的壓力和流量信號，壓力量程為0～2 000 kPa，對應4～20 mA電流信號。當模擬量輸出為12 mA時，此時壓力顯示為1 000 kPa。流量信號為高速脈沖速率，即在周期時間內通過的脈沖數(shù)的速率，計算公式為：

式中，S為流量;R為高速脈沖速率。

改變信號大小，可以觀察到控制系統(tǒng)的反饋正常，可以正常行使其控制功能。

4 結語

本文介紹的海底電纜油泵站的油流控制模塊，既可以滿足正常情況下對海底電纜內絕緣油流量計壓力的自動控制，又可以在海底電纜破損的緊急情況下，加大油量對海底電纜進行保護。同時，各功能塊響應時間短，可快速進行系統(tǒng)調節(jié)，滿足海底電纜運行需求。

[參考文獻]

[1] 吳慶華，陳建康，鄭偉，等.中國首條500 kV海底電纜線路工程的設計[J].中國電業(yè)（技術版），2014（10）：46-54.

[2] 高強，常勇，李航，等.加壓泵站自動化系統(tǒng)程序的模塊化設計[J].自動化儀表，2014，35（9）：24-26.

[3] 趙偉，張劍輝.一種測試PLC邏輯功能的方法[J].儀器儀表用戶，2017，24（4）：70-73.

收稿日期：2020-04-27

作者簡介：黃小衛(wèi)（1985—），男，湖北黃岡人，高級工程師，主要從事海底電纜運行維護工作。