深水半潛式平臺(tái)DP環(huán)網(wǎng)失電快速恢復(fù)策略

王世偉，孫小草，徐領(lǐng)峰

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司， 江蘇 南通 226006)

0 引 言

目前國際上的深水半潛船支持平臺(tái)配電系統(tǒng)正在由標(biāo)準(zhǔn)的孤島式向環(huán)網(wǎng)形式轉(zhuǎn)化，現(xiàn)已開發(fā)出多種動(dòng)力定位(Dynamic Positioning，DP)模式的環(huán)形電力系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的孤島式DP配電盤模式，環(huán)形電網(wǎng)的組態(tài)更靈活，實(shí)用價(jià)值更高。母聯(lián)閉合型配電系統(tǒng)可減少在網(wǎng)機(jī)組數(shù)量、油耗和廢氣排放，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、檢修的便利性和工作的舒適性，降低工作噪聲。但是，這種供電模式有可能導(dǎo)致全船失電。這是傳統(tǒng)孤島式DP模式的特點(diǎn)，因?yàn)槠涓鱀P組是相互獨(dú)立的，最大單點(diǎn)故障只丟失1個(gè)DP組別。雖然環(huán)網(wǎng)配電的要求中有對(duì)隱含故障的判斷，大大降低了此類故障發(fā)生的可能性，但仍無法完全避免。在此情況下，相比無限制地通過增加成本增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，不如在工程上尋找安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡點(diǎn)，通過研究全船失電快速恢復(fù)方案，使平臺(tái)在允許的時(shí)間范圍內(nèi)恢復(fù)電力和DP能力。由此，通過對(duì)平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，編制作業(yè)手冊，限定環(huán)網(wǎng)DP模式允許使用的工況[1]，從而使環(huán)網(wǎng)DP供電模式成為既經(jīng)濟(jì)環(huán)保又可靠的供電模式。

本文主要對(duì)失電快速恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)環(huán)網(wǎng)DP模式提供參考[2]。

1 不同DP模式配電系統(tǒng)的要求

通過對(duì)4種DP模式進(jìn)行分析可知：

1) DP1模式無冗余要求，配電系統(tǒng)無孤島和環(huán)網(wǎng)的區(qū)別。

2) DP2模式要求每個(gè)DP動(dòng)力組的運(yùn)行都不受其他組故障的影響，任何單一部件(如電控閥、泵等)出現(xiàn)故障最多影響1個(gè)DP組，動(dòng)態(tài)部分和靜態(tài)部分(如純機(jī)械、管路、電纜和風(fēng)管等)盡量在物理空間上分開布置。

3) DP3模式要求每個(gè)DP動(dòng)力組的運(yùn)行都不受其他組故障的影響，任何動(dòng)態(tài)或靜態(tài)單一故障最多影響1個(gè)DP組。動(dòng)態(tài)部分和靜態(tài)部分嚴(yán)格按防水和A60防火要求分開布置。

4) DP ER模式除了需滿足以上要求以外，每臺(tái)主機(jī)都要配有獨(dú)立的燃油、冷卻、壓縮空氣和配電等輔助系統(tǒng)[3]。

DP2模式、DP3模式和DP ER模式都可設(shè)計(jì)成傳統(tǒng)的孤島式、 “C”型和“O”型環(huán)網(wǎng)電站。孤島式電站由于具有純物理分割特性，幾個(gè)DP組配電盤是相互獨(dú)立的，電站具有良好的防故障穿越能力?！癈”型電站和“O”型電站是將幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小電站通過配電盤之間的母聯(lián)開關(guān)相互聯(lián)系起來形成的，其中：“C”型電站是指各配電盤之間通過母聯(lián)開關(guān)形成一個(gè)直線供電系統(tǒng)；“O”型電站是指將“C”型供電系統(tǒng)首尾相連構(gòu)成一個(gè)環(huán)形，使系統(tǒng)的冗余程度更高，維護(hù)操作更靈活。

DP2 模式下的環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求為：考慮隱含故障(傳統(tǒng)DP模式無需考慮)、配電盤保護(hù)策略、主機(jī)過載保護(hù)策略、發(fā)電機(jī)調(diào)試器控制保護(hù)策略、電站管理系統(tǒng)(Power Management System, PMS)控制保護(hù)策略、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(Automatic Voltage Regulator, AVR)控制保護(hù)策略和短路電流故障穿越。

DP ER 模式下的環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求為：考慮隱含故障(傳統(tǒng)DP模式無需考慮，且高于DP2和DP3環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求，因其允許考慮備用機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)需考慮n-1原則(見圖1)，即當(dāng)某一電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)存在一個(gè)隱含故障，導(dǎo)致1臺(tái)備用機(jī)無法工作)[1]、配電盤保護(hù)策略、AVR控制保護(hù)策略、發(fā)電機(jī)調(diào)試器控制保護(hù)策略、獨(dú)立的發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、PMS(需考慮全船失電快速恢復(fù))和短路電流故障穿越。

DP3 模式下的環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求為：考慮隱含故障(傳統(tǒng)DP模式無需考慮)、配電盤保護(hù)策略、AVR控制保護(hù)策略、發(fā)電機(jī)調(diào)試器控制保護(hù)策略、獨(dú)立的發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、PMS(需考慮全船失電快速恢復(fù))、短路電流故障穿越和實(shí)船短路試驗(yàn)(近期推出新的DP3環(huán)網(wǎng)短路試驗(yàn)可選做符號(hào))。

2 失電快速恢復(fù)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置

失電快速恢復(fù)功能涉及的硬件系統(tǒng)見表1，其中：

1) 動(dòng)力系統(tǒng)包含PMS、主機(jī)、配電盤、變壓器、變頻器、推進(jìn)器及相關(guān)的輔助設(shè)備，為平臺(tái)提供DP所需動(dòng)力，其拓?fù)鋱D見圖2；

2) DP控制系統(tǒng)包含控制臺(tái)、推進(jìn)器控制器、動(dòng)力定位傳感器及相關(guān)的輔助系統(tǒng)，為平臺(tái)提供DP定位控制功能，其拓?fù)鋱D見圖3；

3) PMS主要用于對(duì)配電系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)和動(dòng)力輔助系統(tǒng)進(jìn)行管理，通常采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，各DP組內(nèi)配雙CPU熱備份，網(wǎng)絡(luò)配置圖見圖4。

PMS通常與DP系統(tǒng)配合使用：DP系統(tǒng)根據(jù)PMS提供的電站工作模式、配電組態(tài)、當(dāng)前電力負(fù)荷、推力需求和可用的備用電力等信息預(yù)判故障發(fā)生之后的動(dòng)力是否滿足定位要求；同時(shí)，配合PMS快速恢復(fù)動(dòng)力定位必要設(shè)備的供電，從而快速恢復(fù)定位能力。

表1 失電快速恢復(fù)功能涉及的硬件系統(tǒng)

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖3 DP控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3 失電快速恢復(fù)策略

失電情況包括部分失電和全船失電2種，其中部分失電包括最大單點(diǎn)故障允許范圍內(nèi)的失電和超過最大允許失電范圍的失電。

當(dāng)出現(xiàn)“最大單點(diǎn)故障允許范圍內(nèi)的失電”時(shí)，按常規(guī)故障處理；當(dāng)出現(xiàn)“超過最大允許失電范圍”的失電和“全船失電”時(shí)，首先利用故障監(jiān)測系統(tǒng)判斷故障點(diǎn)，并將其有效隔離，若情況過于復(fù)雜，無法精確判斷故障發(fā)生的位置，可直接將所有配電盤之間的母聯(lián)開關(guān)斷開，PMS自動(dòng)切換為孤島模式運(yùn)行。

當(dāng)配電系統(tǒng)配有應(yīng)急發(fā)電機(jī)時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)可同步啟動(dòng)。若應(yīng)急發(fā)電機(jī)所在配電組在設(shè)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電，則應(yīng)急發(fā)電機(jī)停機(jī)，否則由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電。當(dāng)配電系統(tǒng)主發(fā)電機(jī)啟動(dòng)必須由輔助系統(tǒng)配合時(shí)(如燃油或滑油必須強(qiáng)制供給，且需外加電源時(shí))，需考慮輔機(jī)啟動(dòng)策略。為縮短啟動(dòng)時(shí)間，推薦主機(jī)燃油采用重力式或機(jī)帶泵；若需強(qiáng)制潤滑，可考慮由UPS供電或在DP控制策略中考慮配置足夠的備機(jī)。主配電系統(tǒng)通電之后，PMS和DP系統(tǒng)組態(tài)判斷、可用電力情況判斷、主機(jī)和推進(jìn)器輔助系統(tǒng)供電同步進(jìn)行; 同時(shí)，判斷是否滿足失電快速恢復(fù)條件，是否可執(zhí)行故障信息自動(dòng)復(fù)位和推進(jìn)器主電源重新啟動(dòng)等操作。

圖4 PMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

圖5為配電系統(tǒng)恢復(fù)供電的總體思路簡圖，以4個(gè)DP組為例，具體分析如下。

圖5 配電系統(tǒng)恢復(fù)供電的總體思路簡圖

失電快速恢復(fù)過程要求從失電開始到推進(jìn)器能提供推力的時(shí)間不得超過45 s。若按正常的順序啟動(dòng)設(shè)備，很難滿足該要求，需在系統(tǒng)啟動(dòng)順序、啟動(dòng)方式、故障判斷和故障連鎖信號(hào)消除等方面做特殊調(diào)整。

將失電快速恢復(fù)供電與常規(guī)啟動(dòng)和普通的應(yīng)急發(fā)電機(jī)45 s恢復(fù)供電相對(duì)比，結(jié)果見表2。從表2中可明顯看出，失電快速恢復(fù)的過程比應(yīng)急發(fā)電機(jī)恢復(fù)供電的過程復(fù)雜得多，對(duì)時(shí)間的要求比常規(guī)啟動(dòng)嚴(yán)苛很多。

表2 3種恢復(fù)供電模式對(duì)比

平臺(tái)上各系統(tǒng)通常會(huì)配備大量的報(bào)警和故障連鎖控制邏輯，在出現(xiàn)重大故障時(shí)不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)工作，起到保護(hù)設(shè)備或平臺(tái)的作用。因此，PMS應(yīng)考慮如何快速、自動(dòng)地做好各重要系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)的準(zhǔn)備工作，一旦電力系統(tǒng)恢復(fù)供電，立刻恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，如何快速建立電力系統(tǒng)、采取何種組態(tài)、如何縮短或緩解大量重要的大型負(fù)載(如推進(jìn)器變壓器等)突加對(duì)電網(wǎng)的沖擊等問題都是制訂快速恢復(fù)供電策略時(shí)需考慮的。

下面簡要介紹幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的具體策略：

1) 主機(jī)啟動(dòng)。

所有發(fā)電機(jī)都處于自動(dòng)模式，出現(xiàn)失電情況時(shí)自動(dòng)投入運(yùn)行，建立電壓并為配電盤供電。此時(shí)配電盤保持孤島模式，在需切換配電盤組態(tài)和供電模式時(shí)手動(dòng)操作。每個(gè)DP組投入的發(fā)電機(jī)數(shù)量根據(jù)負(fù)載情況確定。若某機(jī)艙設(shè)備被ESD(Electro-Static Discharge)應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)切斷，此時(shí)主機(jī)需手動(dòng)復(fù)位，避免在失電快速恢復(fù)過程中啟動(dòng)故障機(jī)。

2) 配電系統(tǒng)電力恢復(fù)。

失電之后，無論是部分失電還是全船失電，配電系統(tǒng)都會(huì)由母聯(lián)閉合狀態(tài)拆分為孤立的DP組段。以4 DP組為例，配電盤兩側(cè)的母聯(lián)開關(guān)全部斷開，將配電系統(tǒng)分成4組。母聯(lián)開關(guān)和推進(jìn)器電源在監(jiān)測到母線失電壓電信號(hào)之后斷開(需考慮一定的延時(shí)設(shè)定)。各組段上的發(fā)電機(jī)立即自動(dòng)啟動(dòng)并連接到網(wǎng)段，這些發(fā)電機(jī)處于自動(dòng)備車且可用的狀態(tài)?；謴?fù)供電之后，各組段上的配電變壓器自動(dòng)連接，包括與低壓側(cè)的輔助配電板和推進(jìn)器的輔助供電系統(tǒng)。圖6為DP B組母線短路故障。

圖6 DP B組母線短路故障

推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)器、推進(jìn)器控制系統(tǒng)、滑油和液壓油恢復(fù)之后，向DP系統(tǒng)發(fā)出可用信號(hào)，用來自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)各組段上的驅(qū)動(dòng)器。此時(shí)平臺(tái)的電源系統(tǒng)處于4段模式(若所有網(wǎng)段均可用)。發(fā)電機(jī)的同步操作可手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，將配電模式改為3段、2段或環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。若因發(fā)電機(jī)組、配電盤段或配電變壓器出現(xiàn)問題而導(dǎo)致某網(wǎng)段無法使用或沒有自動(dòng)恢復(fù)，則該網(wǎng)段不會(huì)從相鄰網(wǎng)段自動(dòng)供電。作業(yè)人員可根據(jù)實(shí)際情況判斷是否可通過手動(dòng)操作將無法自動(dòng)恢復(fù)的DP供電組中的可用部分通過主配電盤或輔助配電盤連接供電。當(dāng)配電變壓器通過匯流排為其他負(fù)載供電時(shí)，至少需要2臺(tái)發(fā)電機(jī)在線，以保證最大壓降保持在15%以內(nèi)(假定推進(jìn)器單機(jī)額定容量約為發(fā)電機(jī)額定容量的80%)。變壓器在連接負(fù)載時(shí)需要一個(gè)暫時(shí)的短路保護(hù)延時(shí)(小于1 s)，避免因誤動(dòng)作而跳閘。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)也是斷電恢復(fù)的一部分。當(dāng)有應(yīng)急配電板供電的網(wǎng)段全部失電或部分失電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)會(huì)在45 s內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng)并連接到應(yīng)急配電盤上。此時(shí)若主配電系統(tǒng)可自動(dòng)恢復(fù)并已將應(yīng)急配電盤從正常電源中恢復(fù)供電，則應(yīng)急發(fā)電機(jī)不會(huì)自動(dòng)投入運(yùn)行。

3) 推進(jìn)器重新連接。

推進(jìn)器快速恢復(fù)推力有2個(gè)難點(diǎn)：

(1) 推進(jìn)器通常是船上的大負(fù)載，變壓器的容量通常超過發(fā)電機(jī)容量的60%，要考慮推進(jìn)器變壓器上電瞬間沖擊，通常此類變壓器會(huì)配備預(yù)充磁系統(tǒng)，但快速恢復(fù)供電的時(shí)間有限，可考慮逐步升壓或調(diào)整配電系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)合閘的先后順序和延時(shí)設(shè)定；

(2) 推進(jìn)器受DP系統(tǒng)的控制，DP控制系統(tǒng)首先要確認(rèn)發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)均無嚴(yán)重故障或應(yīng)急停止連鎖等，只有在該條件下才能發(fā)出推進(jìn)器啟動(dòng)命令。

在失電情況下，雖然各主要控制系統(tǒng)均有UPS供電，但輔助系統(tǒng)的動(dòng)力電源丟失會(huì)導(dǎo)致大量故障報(bào)警，嚴(yán)重影響DP系統(tǒng)對(duì)各動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)的判斷。因此，通常可通過PMS判斷故障發(fā)生原因，一旦確定故障原因是母線失電，便可通過特殊的失電快速恢復(fù)信號(hào)“blackout recovery”直接復(fù)位 IAS(Integration Alarm and Safety)自動(dòng)化、DP和推進(jìn)器等控制系統(tǒng)故障。

推進(jìn)器的驅(qū)動(dòng)器通常具有欠壓脫扣功能。一旦匯流排斷電，其供電系統(tǒng)就會(huì)跳閘。在全部失電或部分失電之后，PMS首先將輔助配電系統(tǒng)重新接入電網(wǎng)，當(dāng)各系統(tǒng)故障報(bào)警復(fù)位和設(shè)備均已達(dá)到就位狀態(tài)時(shí)，DP控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出推進(jìn)器啟動(dòng)命令；推進(jìn)器液壓油泵和滑油泵啟動(dòng)之后，當(dāng)壓力達(dá)到啟動(dòng)要求時(shí)，DP系統(tǒng)會(huì)收到推進(jìn)器就位信號(hào)，此時(shí)可認(rèn)為失電快速恢復(fù)過程完成。此后，推進(jìn)器將根據(jù)DP系統(tǒng)的要求恢復(fù)推力。

為優(yōu)化快速恢復(fù)程序，縮短恢復(fù)時(shí)間，可考慮在推進(jìn)器控制系統(tǒng)中增加快速恢復(fù)功能，當(dāng)收到“blackout recovery”信號(hào)且推進(jìn)器輔助系統(tǒng)得電時(shí)，直接啟動(dòng)，無需等待DP系統(tǒng)的指令。

4 結(jié) 語

上述失電快速恢復(fù)研究滿足規(guī)范的要求，最終目的是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成動(dòng)力恢復(fù)，提高環(huán)形電網(wǎng)的實(shí)用性。目前先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可將失電恢復(fù)時(shí)間控制在30 s左右，該時(shí)間已接近失電快速恢復(fù)供電的控制極限(因?yàn)橹行痛冒l(fā)電機(jī)啟動(dòng)合閘固有時(shí)間為25～30 s)。失電快速恢復(fù)的時(shí)間越短，環(huán)網(wǎng)DP工作模式能適用的作業(yè)海況越多。當(dāng)然，該時(shí)間沒有必要無限壓縮，當(dāng)海況較為惡劣時(shí)，電網(wǎng)正常工作時(shí)的負(fù)荷通常會(huì)很高，在高負(fù)荷工況下，環(huán)網(wǎng)工作模式的優(yōu)勢不明顯[1]，而平臺(tái)因失去動(dòng)力而失位的程度受海況和作業(yè)工況(如浮吊在海上起吊重物的過程相當(dāng)于水上漂浮物與固定錨點(diǎn)的反向拉應(yīng)力抗衡，DP負(fù)載很大)的影響。因此，在快速恢復(fù)供電設(shè)計(jì)中，只需考慮環(huán)形電網(wǎng)在優(yōu)勢海況下的恢復(fù)時(shí)間要求，通常參考規(guī)范的要求，該時(shí)間不超過45 s。此類設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)失電快速恢復(fù)功能，為DP環(huán)網(wǎng)工作模式的應(yīng)用提供安全保障，對(duì)海工項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備建造有一定的參考價(jià)值。