動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)快速降載策略

盛 利 國(guó)世乾 溫慶明

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州510095；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)在作業(yè)過(guò)程中往往有管線或者電纜與海底的設(shè)備相連，平臺(tái)位置的保持尤為重要。在作業(yè)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)主配電板母聯(lián)開(kāi)關(guān)、發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)故障跳閘，發(fā)電機(jī)意外急停等情況，這些故障將造成其他在線的發(fā)電機(jī)負(fù)荷突加、頻率下降甚至過(guò)載，極端情況下可導(dǎo)致局部或全船斷電，推進(jìn)器失去動(dòng)力，平臺(tái)失位等嚴(yán)重后果。本文重點(diǎn)討論在發(fā)電機(jī)發(fā)生負(fù)荷突加且超過(guò)其響應(yīng)能力時(shí)，如何快速降低電網(wǎng)負(fù)荷，避免發(fā)電機(jī)過(guò)載和頻率過(guò)低，保證電站平穩(wěn)安全運(yùn)行。

動(dòng)力定位（DP）船舶或平臺(tái)通常配有功率管理系統(tǒng)（PMS），其中集成了功率限制功能，PMS根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電網(wǎng)容量、消耗功率、電網(wǎng)頻率和負(fù)載優(yōu)先級(jí)等參數(shù)計(jì)算各負(fù)載的可用功率并發(fā)送給負(fù)載，負(fù)載根據(jù)分配的可用功率來(lái)限制自己的負(fù)荷。由于傳感器響應(yīng)時(shí)間，控制器執(zhí)行周期，通信延遲等因素的限制，PMS可用功率更新的時(shí)間通常在0.5 s左右。為了彌補(bǔ)PMS對(duì)突加負(fù)載響應(yīng)速度過(guò)慢的缺點(diǎn)，在推進(jìn)器和鉆井變頻器控制系統(tǒng)采用了獨(dú)立于PMS的功率限制措施。該措施通過(guò)監(jiān)控頻率的變化，快速限制功率輸出，大大提高了響應(yīng)速度。不過(guò)，只有當(dāng)頻率降低到設(shè)定點(diǎn)才會(huì)啟動(dòng)減載功能，響應(yīng)時(shí)間相對(duì)滯后，因此仍會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動(dòng)較大。

隨著數(shù)字化智能電子設(shè)備（IED）及IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)在DP平臺(tái)的配電、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，使得基于事件的故障減載成為可能，該方案在鉆井和推進(jìn)器變頻器控制系統(tǒng)中使用基于事件的功率限制功能代替基于頻率的功率限制。變頻器控制器通過(guò)GOOSE報(bào)文實(shí)時(shí)獲取配電板相關(guān)的信息，通過(guò)這些信息綜合判斷是否要需要減載以及減載的大小，且在故障發(fā)生時(shí)立刻執(zhí)行，不必等待頻率下降到一定程度才開(kāi)始減載，從而大大縮短故障響應(yīng)時(shí)間，彌補(bǔ)PMS的不足，減小電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性。本文將探討基于功率的負(fù)載限制、基于頻率的負(fù)載限制以及基于事件觸發(fā)的負(fù)載限制并對(duì)其進(jìn)行比較，從而突出基于事件觸發(fā)的負(fù)載限制的優(yōu)點(diǎn)。

1 功率管理系統(tǒng)（PMS）的功率限制功能

1.1 動(dòng)力定位半潛式鉆井平臺(tái)的電站結(jié)構(gòu)

圖1為半潛式DP鉆井平臺(tái)典型的電力系統(tǒng)配置圖，為了滿足DP等級(jí)要求，電站被分割為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。包括8臺(tái)發(fā)電機(jī)和4塊主配電板。負(fù)載主要包括8臺(tái)推進(jìn)器和2臺(tái)鉆井變頻器，每塊主配電板連接2臺(tái)推進(jìn)器，2臺(tái)鉆井變頻器分別由1和4號(hào)配電板供電。4塊主配電板之間由母聯(lián)開(kāi)關(guān)互聯(lián)，通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)的閉合，電站可以運(yùn)行在4段模式、2段模式、1段模式或者環(huán)網(wǎng)模式。

圖1 半潛式DP鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)圖

1.2 發(fā)電機(jī)在突加負(fù)荷時(shí)候的頻率響應(yīng)

柴油發(fā)電機(jī)通常能夠容許的最大負(fù)荷突加量約為額定負(fù)荷的33%，這是由于增壓器、燃油供給閥門(mén)、油門(mén)拉桿以及調(diào)速器等一系列環(huán)節(jié)的限制因素導(dǎo)致發(fā)電機(jī)響應(yīng)速度滯后。負(fù)荷的突加過(guò)程中將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的頻率和電壓降低。其中頻率下降幅度主要取決于發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)以及柴油發(fā)電機(jī)突加負(fù)荷量。

發(fā)電機(jī)在突加負(fù)荷時(shí)頻率響應(yīng)曲線見(jiàn)圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)在突加負(fù)荷時(shí)頻率響應(yīng)曲線

如圖2所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障跳閘時(shí)，故障發(fā)電機(jī)的負(fù)荷將轉(zhuǎn)移到其他在線的發(fā)電機(jī)上，在沒(méi)有任何減載措施的情況下，在線發(fā)電機(jī)頻率將由于負(fù)荷突加而快速下降直到欠頻保護(hù)設(shè)定值以下，繼電保護(hù)發(fā)出開(kāi)關(guān)分閘指令，導(dǎo)致該段主配電板斷電。除頻率下降外，還可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過(guò)載。為了避免這種情況發(fā)生，需要采取快速降低負(fù)荷的措施，在這種情況發(fā)生時(shí)能夠快速降低電網(wǎng)負(fù)荷。

1.3 PMS基于功率的負(fù)載限制

PMS集成了功率限制功能，通過(guò)限制負(fù)載的最大輸出功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。鉆井平臺(tái)的主要負(fù)荷為推進(jìn)器和鉆井設(shè)備，一般都采用變頻驅(qū)動(dòng)，能夠靈活、快速的控制負(fù)荷變化。PMS根據(jù)負(fù)載的優(yōu)先級(jí)為其分配可用功率，優(yōu)先級(jí)別取決于設(shè)備重要程度，鉆井平臺(tái)上，推進(jìn)器的優(yōu)先級(jí)別高于鉆井設(shè)備。當(dāng)電站可提供的功率能夠滿足所有負(fù)載要求時(shí)，功率限制功能不會(huì)起作用；只有當(dāng)電網(wǎng)功率不能滿足所有負(fù)載要求時(shí)，功率管理系統(tǒng)將首先降低鉆井系統(tǒng)的負(fù)荷，如果還是不能滿足要求，則將進(jìn)一步降低推進(jìn)器的負(fù)荷。

PMS由通信或者輸入輸出（I/O）實(shí)時(shí)獲取電網(wǎng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、負(fù)載大小以及電網(wǎng)容量等信息，結(jié)合負(fù)載設(shè)定的優(yōu)先級(jí)來(lái)計(jì)算推進(jìn)器和鉆井設(shè)備的可用功率，并將其發(fā)送至推進(jìn)器和鉆井變頻器中。變頻器控制系統(tǒng)比較已用的功率和可用的功率，如果已用功率超過(guò)PMS計(jì)算的可用功率，變頻器將開(kāi)始降低器負(fù)荷。下面是PMS一般采用的計(jì)算方法：

式中：Δ

P

為負(fù)載可增加的功率，kW；

K

為負(fù)載的權(quán)重；

K

為本段配電板上可用功率百分比；

K

為互聯(lián)配電板可用功率比；

Q

為負(fù)載優(yōu)先級(jí)；

P

為本段配電板容量，kVA；

P

為本段配電板已用功率，kW；

P

為互聯(lián)段配電板可用功率，kW。

P

為互聯(lián)段配電板已用功率，kW。

1.4 PMS基于事件觸發(fā)的負(fù)載限制

PMS根據(jù)發(fā)電機(jī)功率和負(fù)載消耗功率來(lái)計(jì)算，此過(guò)程在控制器中周期性執(zhí)行。通常情況下，當(dāng)發(fā)生意外跳閘時(shí)，并不能立刻根據(jù)新的電網(wǎng)狀態(tài)計(jì)算負(fù)載可用功率。為此，PMS中采用了基于事件的減載功能。當(dāng)發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)或者母聯(lián)開(kāi)關(guān)發(fā)生故障跳閘時(shí)，將觸發(fā)信號(hào)；該信號(hào)由通信或者I/O傳輸?shù)絇MS，PMS立刻更新電站的配置，重新計(jì)算負(fù)載可用功率，并將更新后的值通過(guò)總線或I/O發(fā)送到負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)更快的減載響應(yīng)。

圖3 PMS基于功率的減載響應(yīng)時(shí)間

1.5 PMS基于頻率的負(fù)載限制

PMS還通過(guò)監(jiān)測(cè)頻率來(lái)限制負(fù)荷。系統(tǒng)設(shè)定最小頻率，當(dāng)頻率測(cè)量值低于該值時(shí)，所有負(fù)載都降低負(fù)荷，并根據(jù)頻率測(cè)量值與設(shè)定值的偏差量采用PI調(diào)節(jié)器來(lái)計(jì)算所需減載量。

無(wú)論是基于功率、事件，或是基于頻率的功率限制，PMS都是通過(guò)計(jì)算功率分配值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在意外跳閘而導(dǎo)致負(fù)載突加時(shí)，PMS能夠更新負(fù)載可用功率并限制推進(jìn)器的負(fù)荷，但是由于PMS響應(yīng)時(shí)間慢，不能很好地適應(yīng)這種情況。

為了實(shí)現(xiàn)快速減載，PMS還具備負(fù)載的優(yōu)先脫扣功能，當(dāng)電網(wǎng)過(guò)載時(shí)，PMS能立即將不重要的負(fù)載脫開(kāi)，從而達(dá)到快速降低負(fù)荷的目的。然而在鉆井船或者平臺(tái)上主要的負(fù)載是推進(jìn)器和鉆井設(shè)備，可以脫開(kāi)的負(fù)載往往局限于空調(diào)，生活設(shè)備等，他們所占的比例很小并不能達(dá)到降低負(fù)荷的目的。

2 動(dòng)力定位控制系統(tǒng)功率限制功能

除PMS外，動(dòng)力定位控系統(tǒng)有自己的功率限制功能。當(dāng)某段配電板上的負(fù)荷超過(guò)DP系統(tǒng)中的設(shè)定值時(shí)，DP功率限制功能將限制推進(jìn)器的輸出功率。另外，DP系統(tǒng)還可根據(jù)外界環(huán)境變化預(yù)測(cè)所需的負(fù)荷，當(dāng)其估計(jì)的負(fù)載超過(guò)功率設(shè)定值時(shí)，動(dòng)力定位系統(tǒng)將控制推進(jìn)器進(jìn)行減載，參見(jiàn)圖4。

圖4 動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的功率限制

DP控制系統(tǒng)的功率限制是對(duì)PMS功率限制功能的補(bǔ)充，其功率限制設(shè)定值通常小于PMS中的設(shè)定值。然而，DP系統(tǒng)的功率限制功能是基于PMS計(jì)算可用功率的基礎(chǔ)上，其響應(yīng)速度約為1 s，不能適應(yīng)負(fù)載突加的情況。

3 變頻器基于頻率的功率限制功能

如前所述，PMS和DP系統(tǒng)的功率限制功能由于響應(yīng)時(shí)間的限制，不能很好地滿足快速減載要求，為此在重要負(fù)載變頻器控制系統(tǒng)中采用了獨(dú)立的基于頻率的功率限制功能作為PMS的后備系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)突加負(fù)載的快速響應(yīng)，電網(wǎng)頻率被用來(lái)顯示發(fā)電機(jī)過(guò)載的狀態(tài)。變頻器通過(guò)頻率測(cè)量模塊獲得電網(wǎng)的頻率，頻率測(cè)量模塊與中壓配電板的電壓互感器相連，其響應(yīng)時(shí)間小于20 ms，當(dāng)推進(jìn)器變頻器控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)頻率低于某個(gè)設(shè)定門(mén)檻值時(shí)，將啟動(dòng)快速減載功能。推進(jìn)器基于頻率的響應(yīng)曲線如下頁(yè)圖5所示。

圖5 推進(jìn)器基于頻率的響應(yīng)曲線

當(dāng)頻率高于57 Hz時(shí)或者頻率值低于40 Hz時(shí)（認(rèn)為傳感器故障）功率限制功能將不起作用。當(dāng)頻率在40～54 Hz之間時(shí)，推進(jìn)器允許的輸出功率為0。當(dāng)頻率在54～57 Hz之間時(shí)，功率限制對(duì)應(yīng)為0%～100%的線性區(qū)間。由此可見(jiàn)，只有當(dāng)頻率降低到一定范圍時(shí)，基于頻率的功率限制功能才開(kāi)始工作。

另外，如圖6所示，從發(fā)電機(jī)故障分閘信號(hào)發(fā)出直至變頻器完成減載控制，約需300 ms，因此對(duì)故障響應(yīng)是滯后的，仍然會(huì)造成電網(wǎng)較大的波動(dòng)。

圖6 變頻器基于頻率的減載時(shí)間延遲

4 變頻器基于事件的功率限制功能

近年來(lái)采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化配電設(shè)備在DP鉆井平臺(tái)及其他船舶上得到廣泛應(yīng)用，如Siemens和ABB都有支持IEC61850的繼電保護(hù)產(chǎn)品。IEC61850-7-2 標(biāo)準(zhǔn)定義的GOOSE服務(wù)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)在采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化設(shè)備之間進(jìn)行實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使基于事件的快速減載方案得以實(shí)現(xiàn)。這種基于事件的快速負(fù)荷減載功能獨(dú)立于PMS系統(tǒng)，由主要負(fù)載各自的變頻器控制系統(tǒng)獨(dú)立完成。如圖7所示，發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)、母聯(lián)開(kāi)關(guān)的智能繼電保護(hù)模塊與變頻器控制器分別通過(guò)IEC61850通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。變頻器控制器通過(guò)GOOSE報(bào)文快速實(shí)時(shí)獲取所有開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息和功率，周期約20 ms。

圖7 中壓配電板與變頻器之間的通信和信號(hào)傳輸

推進(jìn)器和鉆井變頻器控制系統(tǒng)通過(guò)GOOSE報(bào)文通訊獲取的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電網(wǎng)配置情況、實(shí)時(shí)功率大小等相關(guān)信息，并根據(jù)這些信息來(lái)判斷發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)或者母聯(lián)開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嗍欠駮?huì)導(dǎo)致在網(wǎng)的發(fā)電機(jī)過(guò)載，如圖8所示。

圖8 基于事件的故障減載原理

當(dāng)發(fā)電機(jī)故障跳閘時(shí)，發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)發(fā)出跳閘指令到開(kāi)關(guān)，該跳閘指令同時(shí)被傳送到變頻器控制器中，變頻器控制器將基于主配電板當(dāng)前的負(fù)荷來(lái)判斷該開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗍欠駥?dǎo)致其他在網(wǎng)發(fā)電機(jī)負(fù)載突加超限或者過(guò)載。若經(jīng)過(guò)判斷結(jié)果為“是”，則變頻器控制系統(tǒng)將計(jì)算需要減載的負(fù)荷大小，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果更新推進(jìn)器扭矩指令的上限值，同時(shí)發(fā)送至變頻器，變頻器將根據(jù)扭矩限制指令降低扭矩和輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)快速減載。GOOSE通信基礎(chǔ)上的基于事件的負(fù)荷減載速度很快，如圖9所示，通常在50 ms左右完成，因此可有效避免發(fā)電機(jī)過(guò)載或者頻率下降超限。

圖9 基于事件的故障減載時(shí)間

如圖10中時(shí)序圖所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)在

t

時(shí)刻發(fā)出故障分閘指令后，該分閘指令通過(guò)I/O輸出控制開(kāi)關(guān)的同時(shí)也通過(guò)GOOSE報(bào)文發(fā)送給推進(jìn)器變頻器控制系統(tǒng)。在

t

時(shí)刻，發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)分閘完成，在分閘的同時(shí)變頻器控制器已將減載指令發(fā)送給推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)減載，因此，發(fā)電機(jī)跳閘后并不會(huì)導(dǎo)致其他在線發(fā)電機(jī)過(guò)載或頻率突降。約過(guò)1 s后，變頻器控制器收到來(lái)自PMS更新后的可用功率，隨后，變頻器在2 s內(nèi)回到PMS功率限制的控制。

圖10 基于事件的故障減載時(shí)序圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本文的分析結(jié)果可以看出，當(dāng)配電系統(tǒng)采用GOOSE報(bào)文通信時(shí)，變頻器控制系統(tǒng)中基于事件的快速減載比基于頻率的快速減載性能更加突出，能夠在發(fā)電機(jī)發(fā)生負(fù)載突加超限或者過(guò)載的情況下快速響應(yīng)，及時(shí)降低電網(wǎng)負(fù)荷，使電網(wǎng)平穩(wěn)過(guò)度到平衡的狀態(tài)。因此，基于事件的功率限制系統(tǒng)更適合作為PMS功率限制功能的后備系統(tǒng)，以彌補(bǔ)PMS應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)載突加超限或過(guò)載時(shí)響應(yīng)速度過(guò)慢的不足。

隨著數(shù)字化、智能化繼電保護(hù)模塊和IEC61850通信在動(dòng)力定位平臺(tái)電站系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，推進(jìn)器和鉆井變頻器控制系統(tǒng)中基于事件的快速減載功能將會(huì)代替基于頻率的減載功能。