DP-3鉆井平臺閉環(huán)電網(wǎng)技術綜述

盛 利 王 瀚

（1.廣州海洋地質調查局 廣州 510095；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

引 言

DP-3動力定位系統(tǒng)的電站要求采用冗余的設計以滿足安全性、可靠性，發(fā)電機和推進器分別連接到3個或4個配電板上形成多個分組，配電板之間設置母聯(lián)開關以組成不同分段模式。DP-3船舶在動力定位模式下，每個主配電板之間相互隔離，避免單一配電板的故障影響到其他配電板，每個配電板上至少有一臺發(fā)電機在線。在普通氣象條件下，大部分時間中發(fā)電機的負荷都低于30%，柴油機效率低，油耗高。

為了節(jié)能減排，節(jié)約運營成本，近年來閉環(huán)電網(wǎng)開始應用于DP-3鉆井平臺上。相比傳統(tǒng)電網(wǎng)，閉環(huán)電網(wǎng)能夠實現(xiàn)發(fā)電機共享負載，減少運行發(fā)電機的數(shù)量，增加發(fā)電機的負荷，提高運行效率，節(jié)約燃油和滑油，減少發(fā)電機運行時間。為了迎合市場的需求，各船級社先后發(fā)布了閉環(huán)電網(wǎng)技術的指導意見，一些公司也相繼開發(fā)出閉環(huán)電網(wǎng)的產(chǎn)品并在實船上應用。目前閉環(huán)電站在DP-3動力定位系統(tǒng)上的應用已日趨成熟，新建項目大多考慮閉環(huán)系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的船舶也考慮進行改造。本文將就閉環(huán)電網(wǎng)的特點及相關技術進行分析。

1 研究現(xiàn)狀

閉環(huán)電網(wǎng)為多個配電板通過母聯(lián)開關和電纜互聯(lián)組成的環(huán)形網(wǎng)絡，主要應用于對電力系統(tǒng)可靠性要求較高的動力定位船舶上。挪威船級社（DNV·GL）和美國船級社（ABS）較早對船舶閉環(huán)電站提出了基本的技術要求。由于技術的原因，閉環(huán)電站開始只應用在DP-2船舶上。直到2006年國際海事組織（IMO）通過了RESOLUTION 645決議，指出在不影響平臺安全運行的前提下，DP-3動力定位平臺可以采用閉環(huán)電網(wǎng)。

挪威船級社在《DP-3 Vessel with Closed Bustie January 10，2013》中對閉環(huán)電站設計提出包括配電板保護、發(fā)電機保護、短路仿真和實船短路試驗等方面的具體要求。2015年，挪威船級社發(fā)布的指導文件《DNVGL-OTG-10 DP-classed vessels with closed bus-ties》進一步對DP-3閉環(huán)電網(wǎng)設計提供更詳細的指導。

為了減少DP-3鉆井平臺運營成本，鉆井承包商往往會對鉆井平臺的電網(wǎng)設計提出節(jié)能要求，為此，SIEMENS、ABB、AKA、GE等知名公司都針對船級社要求提出自己的解決方案。

國外實船應用方面，2011年韓國現(xiàn)代船廠建造的“Deepwater Champion”深水鉆井船，采用了DP-3閉環(huán)電網(wǎng)并成功完成了實船短路試驗。國內實船應用方面，2012年煙臺來福士建造的“藍鯨2號”深水鉆井平臺和2015年大連船廠建造的“海洋石油982”深水鉆井平臺，均采用了DP-3閉環(huán)電網(wǎng)并完成了短路試驗，目前兩個平臺都在南海鉆井作業(yè)，運行良好。

2 閉環(huán)電網(wǎng)技術優(yōu)勢

2.1 節(jié)能減排

DP-3動力定位平臺的發(fā)電機、配電板、推進器及其輔助系統(tǒng)被分成多個組（以分3組為例，如圖1所示），各組配電板之間通過母聯(lián)開關互聯(lián)，各組之間由A60艙壁分割。在動力定位模式下，為避免動力定位工況下的故障影響到相鄰配電板，電網(wǎng)必須分成3段運行，且每段配電板上至少有1臺發(fā)電機運行。即使在2臺發(fā)電機能滿足負載要求的情況下，也必須有3臺發(fā)電機運行，這樣就多出1臺運行的發(fā)電機。

圖1 DP-3電力系統(tǒng)

電網(wǎng)閉環(huán)運行時所有的在網(wǎng)發(fā)電機均分負載，也不需要每個配電板或機艙有發(fā)電機運行。動力定位模式時，大部分環(huán)境條件下發(fā)電機的負載都較小，閉環(huán)電網(wǎng)允許只運行2臺發(fā)電機，因此可以減少1臺運行的發(fā)電機。一方面增加單臺發(fā)電機的功率，提升發(fā)電機的功率/油耗比（如下頁圖2所示），進而提高發(fā)電機的效率、節(jié)約燃油、減少排放。另外，減少發(fā)電機組的運行時間也有助于減少潤滑油消耗，減少維護保養(yǎng)和更換配件所需的費用。

圖2 發(fā)電機油耗率

2.2 高可靠性

（1）耐沖擊能力強，減少電網(wǎng)的波動。閉環(huán)電網(wǎng)中所有的發(fā)電機都在1個分段中共享負載，相對電網(wǎng)分段運行的狀態(tài)，電網(wǎng)的總容量要大很多，應對由大負荷的突加、突降所導致的沖擊能力強，使電網(wǎng)更加穩(wěn)定，魯棒性好。

（2）改善電站的諧波。當閉環(huán)運行的時候，對在不同的配電板上的變壓器，采用移相變壓器可抵消電網(wǎng)中的部分諧波分量，有效減少電網(wǎng)中的總諧波數(shù)，改善電網(wǎng)品質。

（3）可改善電站有功和無功的分配能力。電網(wǎng)分段運行時，每段配電板上負載的差異可導致運行發(fā)電機的負載不同，有的配電板負載較小，而有的配電板負載較大，甚至需要運行2臺發(fā)電機，負載的分配非常不平衡。電網(wǎng)運行在閉環(huán)時，所有的發(fā)電機都均分負載，可以改善有功和無功的分配。

（4）電站系統(tǒng)有更強的冗余度和冗錯能力。當電網(wǎng)允許在閉環(huán)下運行時，要求能夠達到與分段運行相同的冗余和容錯能力。電站系統(tǒng)的智能保護設備之間建立可靠快速的通信，主要保護采用閉鎖的方式，選擇性保護作為后備，能夠減少誤動，縮短故障切除的時間；具備更加完善的系統(tǒng)監(jiān)測能力和自診斷能力，并為隱藏故障配置后備保護。

（5）采用增強保護措施和發(fā)電機高級保護功能，能夠根據(jù)發(fā)電機的運行狀態(tài)趨勢判斷發(fā)電機的故障，及時啟動備用發(fā)電機停止故障機，保障電站穩(wěn)定可靠運行。另外，電網(wǎng)分段運行時如果某段上的發(fā)電機故障，將直接導致該母排失電，但是閉環(huán)電網(wǎng)則可以避免。

2.3 高靈活性

采用閉環(huán)電網(wǎng)設計能夠使電站有更高的靈活性。閉環(huán)電網(wǎng)不再需要每個配電板上必須有發(fā)電機運行，因此可以根據(jù)需要在不同的機艙中運行不同的發(fā)電機，實現(xiàn)各種組合方式，靈活地調節(jié)運行時間。在某個機艙中維保發(fā)電機時，可以將該機艙發(fā)電機全部停止，方便發(fā)電機的維護保養(yǎng)，降低噪聲，利于船員健康。

3 閉環(huán)電網(wǎng)技術難點

當電網(wǎng)閉環(huán)運行的時候，所有發(fā)電機等同與運行在同一母排上，每個配電板之間不再相互獨立，一段配電板的故障將會影響到與之互聯(lián)的所有配電板。如果電網(wǎng)僅采用傳統(tǒng)的繼電保護措施，最嚴重的后果將可能導致超過一個配電板失電，甚至全船斷電。這是DP-3動力定位系統(tǒng)所不允許的。

3.1 配電板母排短路故障

在母排互聯(lián)情況下，當某個母排發(fā)生短路時，傳統(tǒng)中壓配電板的上下級選擇性保護將不能區(qū)分故障母排并通過分斷母聯(lián)開關將故障切除。短路故障時，環(huán)網(wǎng)上所有的發(fā)電機開關因過流或三相不平衡而跳閘。同時，中壓母排短路過程中會引起配電板瞬時的低電壓，使所有負載斷路器欠壓保護動作而分閘。中壓主配電板的瞬時電壓降也會引起低壓配電板上的負載開關欠壓脫扣，所有與DP以及發(fā)電機相關的輔助系統(tǒng)停止工作，推進器變頻器也將因低電壓而停機。母聯(lián)電纜發(fā)生短路故障時，其后果類似于母排短路。

3.2 母排接地故障

鉆井平臺中壓系統(tǒng)一般采用發(fā)電機中性點高阻接地或者中壓配電板通過接地變壓器高阻接地。配電板在閉環(huán)運行模式發(fā)生母排接地故障時，傳統(tǒng)的保護將不能判斷故障點并將其隔離，電網(wǎng)將繼續(xù)帶病運行。單向母排故障將會導致對地電壓升高損壞絕緣，且當有另外一相發(fā)生接地時會導致相間短路故障，嚴重影響電網(wǎng)的安全運行。如果母聯(lián)電纜發(fā)生接地故障，其結果與母排接地類似。

3.3 配電板隱藏的故障

電站中某些故障不能被檢測被稱為隱藏故障。當中壓配電板負載側發(fā)生短路、接地等故障時，負載開關的綜合保護將會控制斷路器跳閘，第一時間將故障切除。但是如果由于機械故障、分閘線圈故障或其他故障導致斷路器拒動時，該故障等同于母排發(fā)生故障，將會影響閉環(huán)電站上所有的在線發(fā)電機，并可能導致全船斷電。

3.4 發(fā)電機故障

通常為發(fā)電機與調速相關的故障。當發(fā)電機出現(xiàn)調速器故障，如執(zhí)行機構機械故障、信號反饋故障）、燃油濾器阻塞、燃油泵故障、壓力調節(jié)閥門故障或者進氣不充分等情況時候，將導致發(fā)電機的輸出功率與預期的功率有所不同，單機時會導致過頻率或者欠頻率的故障。當多臺發(fā)電機同步并網(wǎng)在線運行時候就會出現(xiàn)有功分配的問題，將會使正常的發(fā)電機發(fā)生過載或者逆功率運行，導致正常發(fā)電機停機；發(fā)電機與調壓相關的故障。當發(fā)電機出現(xiàn)AVR故障、勵磁反饋信號故障時候，發(fā)電機將會出現(xiàn)過勵或欠勵的情況，導致在網(wǎng)運行發(fā)電機的無功分配不均，使正常工作的發(fā)電機出現(xiàn)無功過功率或者逆功率的現(xiàn)象，影響正常的發(fā)電機的運行甚至停機。

綜上所述，電網(wǎng)采用閉環(huán)運行，僅靠傳統(tǒng)的保護將不能使電站的安全性達到與分段運行時一致的要求，即當發(fā)生類似母排短路、接地或發(fā)電機故障的情況時，不能及時切除或者隔離故障，影響到其他正常的配電板、發(fā)電機，導致全船斷電。要滿足DP-3對電網(wǎng)的要求，環(huán)形電網(wǎng)必須采取額外的保護措施。

4 閉環(huán)電網(wǎng)保護技術

電站閉環(huán)運行時，為了滿足DP-3級動力定位的要求，電網(wǎng)閉環(huán)運行時候應當具有與分段運行時一樣的安全性，即單個故障導致的最嚴重后果只允許失去一段配電板，一段配電板上的故障不能夠傳遞到其他健康的配電板，但是傳統(tǒng)的電網(wǎng)的綜合并不能滿足這個需求，因此需要額外的措施，可迅速檢測環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中的每個故障并隔離，其他正常運行的設備能夠經(jīng)受故障所帶來的短時沖擊，當故障切除后可繼續(xù)正常運行，這些都需要一系列軟件和硬件的支撐。

4.1 電站保護

在閉環(huán)運行的時候，所有配電板互聯(lián)組成一個整體，因此，為了避免由于單個配電板的故障影響到其他配電板正常工作，需要在故障發(fā)生時及時切除故障，如隔離發(fā)電機或者配電板使其他正常的部分繼續(xù)工作。

4.1.1 母排短路保護

（1）母排差動保護

圖3 母排差動保護原理

（2）母排方向性過流保護

該保護通過使用GOOSE通信和控制邏輯實現(xiàn)。如圖4所示，在每段配電板兩側的母聯(lián)開關處分別安裝三相電流互感器和三相對地電壓互感器。三相電流和三相對地電壓信號分別接入主、從母聯(lián)開關的綜合繼電保護中。母聯(lián)開關的綜合繼?？蓽y量三相電流的大小并判斷電流的方向。當母排短路時，兩側的綜保能夠測量到短路電流和方向，在主母聯(lián)綜保中產(chǎn)生的逆向過電流報警信號通過GOOSE通信分送到從母聯(lián)綜合繼保中，從母聯(lián)繼保根據(jù)所接收到的方向性過流信息和自己產(chǎn)生的方向過流信號進行比較，判斷出故障點，再通過GOOSE發(fā)出分閘指令同時分斷兩個母聯(lián)開關，隔離故障母排。為了減少短路故障對設備的影響，應盡快切除故障，通常母聯(lián)開關的分斷約為200 ms。在母聯(lián)開關分斷后約150 ms發(fā)出指令分斷發(fā)電機開關。完全切斷故障的時間

t

< 400 ms， 方向性過流保護常常被用于母排短路的后備保護。

圖4 母排方向性過流保護原理

（3）母排弧光保護

母排弧光保護主要動作依據(jù)母排短路時產(chǎn)生的弧光和電流增量。當同時檢測到弧光和電流增量時發(fā)出分閘指令?；」獗Ｗo主要由弧光保護單元、I/O單元和弧光傳感器組成?；」鈧鞲衅骺砂惭b在開關設備所需要的位置實現(xiàn)分區(qū)保護?；」獗Ｗo單元能顯示故障發(fā)生位置?；」獗Ｗo原理簡單，動作迅速，并能定位故障，常常作為獨立的母線短路保護。

圖5 母排弧光保護原理

4.1.2 電纜差動保護

電纜差動保護用于保護2個配電板之間的母聯(lián)電纜，電纜差動保護基于電流的比較，在電纜兩端安裝電流測量裝置，他們之間可以通過通信相互獲取對方的測量值，與自己的測量值進行比較，由于電纜兩端流過的電流是一致的，如果電纜兩側測量的電流值出現(xiàn)偏差將表明電纜某處出現(xiàn)故障（接地或者短路），電纜兩側的綜合繼電保護設備將啟動將電纜隔離，切除故障。

圖6 電纜差動保護原理

4.1.3 母排接地保護

母排接地保護通過方向性保護實現(xiàn)，如圖7所示，在配電板兩側母聯(lián)開關處安裝零序電流和零序電壓互感器并接入各自母聯(lián)開關的綜保，由綜合保護測量兩端母聯(lián)的方向性接地電流和零序電壓。當發(fā)生母排接地故障時，兩側母聯(lián)綜保通過GOOSE通信獲取對方的逆向接地電流超限故障，結合兩端的方向性接地電流故障和零序電壓判斷出故障配電板，并分斷母聯(lián)開關，同時也將該段母排上所有供電和饋電開關分閘實現(xiàn)故障配電板隔離。

圖7 母排接地保護原理

4.1.4 隱藏故障保護

那些沒能被檢測到的故障稱為隱藏故障，如開關的機械故障、脫扣電磁線圈的故障等，沒能及時被系統(tǒng)檢測到，當出現(xiàn)這些故障時主保護系統(tǒng)拒動或者不能切除故障點，需要啟動備用的保護系統(tǒng)來隔離故障的設備或者系統(tǒng)。主保護和備用保護應當為完全相互獨立的，并應當采用不同的原理，但是應當有相同的功能可有效隔離或切除故障設備和系統(tǒng)。

閉環(huán)系統(tǒng)設計中需對所有元器件和系統(tǒng)認真考慮隱藏故障的影響，其中包括硬件和軟件。盡管備用保護系統(tǒng)能夠避免隱藏故障帶來的影響，還是應該采取必要的措施來盡可能減少隱藏故障，如系統(tǒng)自檢、回路監(jiān)測、通信監(jiān)測、一致性監(jiān)測等等。通過這些自診斷功能來盡可能消除影藏的故障。

4.1.5 發(fā)電機高級保護

發(fā)電機的某些故障是逐步惡化的，當故障發(fā)展到一定程度時，會影響其他正常運行的發(fā)電機，可能造成全船斷電。為了避免這種情況發(fā)生，閉環(huán)電網(wǎng)要求為發(fā)電機配置高級保護，實時監(jiān)測發(fā)電機的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和判斷故障，提前啟動備用發(fā)電機并切除故障機，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運行。發(fā)電機高級保護的主要功能包括：發(fā)電機調速特性和調速故障的快速監(jiān)測和隔離；發(fā)電機調壓特性和調壓故障的快速監(jiān)測和隔離；電站管理及發(fā)電機系統(tǒng)自身的自診能力，如對傳感器和執(zhí)行器的診斷。

每個配電板配有發(fā)電機高級保護（如圖8所示），該系統(tǒng)測量電站的運行狀態(tài)，包括功率、頻率、電壓等，由內部發(fā)電機的模型估算出每臺發(fā)電機的有功功率、無功功率、頻率、電壓和勵磁電流等參數(shù)，同時與每臺發(fā)電機的實際測量參數(shù)進行比較，當出現(xiàn)不一致的情況時系統(tǒng)將發(fā)出報警并啟動備用發(fā)電機，如果偏差值超過設定的限制值時，發(fā)電機高級保護將停止故障發(fā)電機。在環(huán)網(wǎng)模式下同步運行時，即使出現(xiàn)電壓或頻率的控制故障時，發(fā)電機會出現(xiàn)逆功率或者過載情況，但是電壓和頻率的變化會很小，很難判別故障機；此時只有多于3臺發(fā)電機在線時通過表決的方式判斷故障機。發(fā)電機高級保護還配備了區(qū)域保護，當配電板的電壓、頻率超過設定值時分斷母聯(lián)開關隔離該配電板。

圖8 發(fā)電機高級保護

無論是有功還是無功相關的故障監(jiān)測，都要求響應速度快。為此，發(fā)電機高級保護系統(tǒng)要求采用響應速度小于100 ms的高速傳感器，如油門刻度，電壓、電流傳感器以及勵磁電流傳感器等。

4.2 故障穿越

當發(fā)生短路等故障時候，將會導致高電流和低電壓等嚴重的故障發(fā)生，電網(wǎng)保護系統(tǒng)將會快速的判斷故障并隔離故障，電網(wǎng)電流、電壓回到正常狀態(tài)。但是配電板閉環(huán)運行時，由故障導致的電網(wǎng)瞬態(tài)變化將會影響到整個配電系統(tǒng)，將會導致負載開關欠壓分閘；另外在短路故障被切除時會產(chǎn)生電壓的超調。為了滿足DP-3對電網(wǎng)的要求，電壓瞬時的變化不應當影響到DP相關設備的運行。

（1）發(fā)電機輔助系統(tǒng)，如燃油泵，冷卻水等；

（2）推進變頻器、變壓器、電機及其輔助系統(tǒng)；

（3）推進器舵機及其負載系統(tǒng)；

（4）其他與動力定位和電站相關的系統(tǒng)。

如果這些系統(tǒng)不在故障配電板所在的DP分組中，應該具備故障穿越的能力，能夠在電網(wǎng)電壓恢復后立刻恢復正常工作，不需要操作人員干預，不需要重新啟動。電壓瞬時變化期間，推進器的DP Ready信號正常，推進器仍然在DP中，輔助系統(tǒng)電機啟動器中主接觸器仍在吸合狀態(tài)，電壓恢復后所有電機立即恢復正常運轉。推進變頻器為了實現(xiàn)故障穿越，在母排電壓下降期間需要維持直流側的電壓，如圖9所示。當電壓降低到一定值時VFD開始限制輸出扭矩直到輸出轉矩直至為0，電壓繼續(xù)降低則利用推進器慣性回饋能量以維持直流電壓，如果還進一步降低到設定值時，VFD將封鎖脈沖直到電網(wǎng)電壓恢復，電壓回升到一定值后，VFD開始重新啟動脈沖，電機恢復正常工作。DNV·GL對故障穿越的能力要求在實船短路測試中驗證。

圖9 VFD的故障穿越

4.3 其他保護

減少變壓器合閘時的浪涌電流，為了避免大負載變壓器，如推進器或者鉆井變壓器合閘時涌浪電流對電網(wǎng)的沖擊，造成可能發(fā)生的意外斷電，閉環(huán)系統(tǒng)要求對變壓器采用預充磁系統(tǒng)。當然有些公司也采用發(fā)電機軟啟動的方式，也能實現(xiàn)相同的目的。其他還有快速減載功能，斷電后的快速恢復功能以及對功率管理系統(tǒng)（PMS）的要求等。

5 結 語

本文介紹了DP-3閉環(huán)動力定位系統(tǒng)目前的發(fā)展趨勢，分析了在DP-3鉆井平臺電力系統(tǒng)采用閉環(huán)電網(wǎng)的優(yōu)點，以及傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在DP-3模式下采用環(huán)網(wǎng)運行產(chǎn)生的問題，并針對這些問題提出了相應的解決方案，概述了閉環(huán)電力系統(tǒng)保護的關鍵技術。針對DP-3的閉環(huán)已經(jīng)有比較成熟的技術，目前主要存在問題是如何能夠更加準確地判斷發(fā)電機故障，提高保護系統(tǒng)的響應速度，減少故障對設備的損害等。環(huán)形電網(wǎng)目前在動力定位鉆井平臺上已經(jīng)開始應用，并且成為第7代鉆井平臺的一個重要指標。由于近些年市場低迷，新建的鉆井設施不多，但是預計未來閉環(huán)電站將會成為鉆井平臺的主流，甚至老舊的平臺也可能為了節(jié)能而進行閉環(huán)的改造。