海洋油氣平臺(tái)調(diào)試電力網(wǎng)絡(luò)建模與配電方案規(guī)劃

劉 勇，李曉升，郭海平，謝靜遠(yuǎn)，倪崇本

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913;2.海洋石油工程股份有限公司 安裝分公司，天津 300452；3.上海船舶工藝研究所，上海 200032；4.上海交通大學(xué) a.海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

海洋油氣平臺(tái)電氣設(shè)備眾多，電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平臺(tái)交付前的設(shè)備調(diào)試工作非常重要。在調(diào)試期間，設(shè)備供電形式多樣，平臺(tái)的主發(fā)電機(jī)和備用發(fā)電機(jī)與岸電均可能作為電源使用，但設(shè)備的納期、狀態(tài)和容量等因素會(huì)限制其中一個(gè)或多個(gè)電源的接入。同時(shí)，平臺(tái)施工作業(yè)并未停止，電力網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)仍在變化中，其中部分?jǐn)嗦菲骺赡懿豢捎没蚨鄠€(gè)斷路器互斥無法同時(shí)接入。油氣平臺(tái)調(diào)試期間的配電方案設(shè)計(jì)是建造過程中的必要環(huán)節(jié)[1]。

以某海洋油氣平臺(tái)單日的設(shè)備調(diào)試工作為例，需要在調(diào)試工作開始前擬定計(jì)劃接入的調(diào)試設(shè)備，根據(jù)平臺(tái)狀態(tài)明確不可用的斷路器和電源，根據(jù)電源和斷路器容量平衡負(fù)載，給出合理可用的配電方案。長期以來，油氣平臺(tái)調(diào)試工作的配電方案高度依賴經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)某型平臺(tái)調(diào)試階段的電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)深入研究，提出將電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浣！⑦\(yùn)用尋路算法智能規(guī)劃合理配電方案的方法。

1 電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?/h2>

在海洋油氣平臺(tái)電力網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行供電路徑規(guī)劃的先決條件是使用數(shù)學(xué)模型描述電力網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種，常用于描述網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖由節(jié)點(diǎn)和連接組成。海洋油氣平臺(tái)調(diào)試階段電力網(wǎng)絡(luò)單線圖如圖1所示，其中：WHP(Wellhead Platform)為井口平臺(tái)；WHPA為井口平臺(tái)A；VCB(Vacuum Circuit Breaker)為真空斷路器；ACB(Air-operated Circuit Breaker)為萬能式斷路器；Transformer為變壓器。

圖1 調(diào)試階段電力網(wǎng)絡(luò)單線圖示例

海洋油氣平臺(tái)調(diào)試階段的電力網(wǎng)絡(luò)可概括為由干路和3類分支線路(供電線路、負(fù)載線路和連接線路)共同組成的網(wǎng)絡(luò)。干路是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主干，根據(jù)電壓可區(qū)分為高壓干路和低壓干路，不同電壓的干路之間無法直接連接。供電線路是由岸電或發(fā)電機(jī)開始、經(jīng)斷路器和變壓器等設(shè)備接入干路的分支線路。負(fù)載線路是由干路引出、經(jīng)變壓器和斷路器等設(shè)備連接至具體的用電設(shè)備或配電板的分支線路。連接線路是不同干路之間的連接通道，在連接不同電壓干路時(shí)連接線路需要配置變壓器。按干路和分支線路的模型將電力網(wǎng)絡(luò)分解，每條干路或分支線路的結(jié)構(gòu)均可簡化為無分支的簡單路徑，經(jīng)抽象提取的電力網(wǎng)絡(luò)[2]如圖2所示。

圖2 電力網(wǎng)絡(luò)干路與分支路線

在電力網(wǎng)絡(luò)圖中，所有的設(shè)備均對(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)；所有分支路線在干路上的接入點(diǎn)需要對(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)；干路和分支路線上的所有連線均對(duì)應(yīng)一條邊。圖的保存方式分為連接列表和連接矩陣，根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)判斷，其對(duì)應(yīng)的圖結(jié)構(gòu)為弱連通形式，因此使用連接列表的方式節(jié)約存儲(chǔ)空間。

根據(jù)供電路徑規(guī)劃的需要，將電力網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分為4類：普通節(jié)點(diǎn)、電源節(jié)點(diǎn)、開關(guān)節(jié)點(diǎn)和負(fù)載節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)干路的接入點(diǎn)和變壓器，僅需要記錄連接關(guān)系，在單線圖中不屬于設(shè)備，直接按序進(jìn)行編號(hào)。電源節(jié)點(diǎn)為岸電和發(fā)電機(jī)的抽象模型，由于岸電無功率限制，而發(fā)電機(jī)有最大功率，因此電源節(jié)點(diǎn)需要額外記錄功率、電壓和類型(岸電或發(fā)電機(jī))的屬性。開關(guān)節(jié)點(diǎn)為斷路器的抽象模型，在每次調(diào)試工作前需要知曉斷路器的開合狀態(tài)，在設(shè)計(jì)配電方案時(shí)需要考慮斷路器的許用電流，由于部分?jǐn)嗦菲髦g存在互斥關(guān)系，即斷路器A和斷路器B無法同時(shí)合上，因此開關(guān)節(jié)點(diǎn)的額外屬性需要包括開合狀態(tài)和互斥列表。負(fù)載節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)具體的用電設(shè)備或配電板，其額外屬性為功率。

各類節(jié)點(diǎn)建模的字段如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)建模字段列表

在將所有設(shè)備與接入點(diǎn)抽象為節(jié)點(diǎn)后，僅需要逐條將干路和分支路線的連線兩側(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)記下，納入圖的連接集合，即可完成電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?。電力網(wǎng)絡(luò)局部設(shè)備與接入點(diǎn)的抽象化建模結(jié)果如圖3所示，其中：IL為擎住電流(Latching Current)符號(hào)；RMS(Root Mean Square)為均方根；NC(Normal Close)為常閉觸點(diǎn)；NO(Normal Open)為常開觸點(diǎn)；MCCB(Moulded Case Circuit-Breaker)為模壓外殼斷路器。

圖3 電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蜆?gòu)建

2 基于尋路算法的配電方案規(guī)劃

在電力網(wǎng)絡(luò)圖中，一個(gè)配電方案由多個(gè)從電源節(jié)點(diǎn)出發(fā)、連接至負(fù)載節(jié)點(diǎn)的路徑組成。進(jìn)行配電方案規(guī)劃的第一步是進(jìn)行供電路徑搜索。搜索2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連通路徑的尋路算法分為寬度優(yōu)先搜索(Breadth First Search，BFS)、深度優(yōu)先搜索(Depth First Search，DFS)、A*和貪婪等。根據(jù)電路網(wǎng)絡(luò)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇相對(duì)成熟簡便的BFS算法。

BFS是連通圖的一種遍歷算法，是很多重要的圖的算法原型，屬于盲目搜尋法，目的是系統(tǒng)地展開并檢查圖中的所有節(jié)點(diǎn)，以尋找結(jié)果。BFS并不考慮結(jié)果的可能位置，而是徹底搜索整張圖，直到找到結(jié)果為止。BFS的基本過程是從起點(diǎn)開始，一層一層由內(nèi)向外遍歷所有節(jié)點(diǎn)；每次搜索指定點(diǎn)，并將其所有未訪問過的鄰近節(jié)點(diǎn)加入搜索隊(duì)列，循環(huán)搜索直到隊(duì)列為空。BFS算法描述如下：①將起始節(jié)點(diǎn)壓入搜索棧內(nèi)；②搜索棧首節(jié)點(diǎn)彈出并標(biāo)記為已訪問，遍歷該節(jié)點(diǎn)的全部未訪問鄰居節(jié)點(diǎn)；③將全部未訪問鄰居節(jié)點(diǎn)壓入搜索棧；④重復(fù)第2步，直至搜索棧清空。

由于斷路器的開合狀態(tài)影響電力網(wǎng)絡(luò)的連通性，進(jìn)而影響圖模型的結(jié)構(gòu)，因此在執(zhí)行BFS算法前需要檢驗(yàn)所有的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于互斥列表為空的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，在算法中全部默認(rèn)為合上，除非用戶指定為斷開；對(duì)于互斥列表內(nèi)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，基于互斥關(guān)系進(jìn)行窮舉，每種互斥配置均單獨(dú)生成一張新的圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行搜索。電力網(wǎng)絡(luò)互斥節(jié)點(diǎn)如圖4所示，其中：1和2為互斥開關(guān)節(jié)點(diǎn)；A為電源節(jié)點(diǎn)；a和b分別為負(fù)載節(jié)點(diǎn)。按互斥關(guān)系產(chǎn)生僅有節(jié)點(diǎn)1和僅有節(jié)點(diǎn)2的2張派生圖進(jìn)行搜索[3]。

圖4 電力網(wǎng)絡(luò)互斥節(jié)點(diǎn)示例

在處理互斥節(jié)點(diǎn)后，給定電源節(jié)點(diǎn)和負(fù)載節(jié)點(diǎn)即可進(jìn)行供電尋路。單個(gè)供電路徑BFS結(jié)果如圖5所示：最終抵達(dá)名為MCCB01的配電板。

圖5 供電路徑BFS結(jié)果

每次BFS可穩(wěn)定返回2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的一條供電路徑，而一次調(diào)試工作存在多個(gè)可用電源和多個(gè)負(fù)載設(shè)備，需要進(jìn)行多次供電路徑搜索，分別保存每個(gè)電源-設(shè)備的路徑，用于不同的配置方案。以3個(gè)電源節(jié)點(diǎn)(A、B和C)、2個(gè)負(fù)載節(jié)點(diǎn)(a和b)為例，在供電路徑窮舉后共有9種配置方案，如表2所示。

表2 3個(gè)電源節(jié)點(diǎn)、2個(gè)負(fù)載節(jié)點(diǎn)的供電路徑配置方案

窮舉的配置方案并非全部有效，其中一些會(huì)超過電源或斷路器承載上限，其余配置方案在物理上完全等效，需要進(jìn)一步對(duì)配電方案進(jìn)行校驗(yàn)，保留實(shí)際有效的方案[4]。

3 配電方案校驗(yàn)

配電方案校驗(yàn)主要包含3項(xiàng)內(nèi)容：電源容量檢驗(yàn)、斷路器容量檢驗(yàn)和重復(fù)方案剔除。

電源容量檢驗(yàn)是計(jì)算每個(gè)電源的累積承載功率。單個(gè)電源負(fù)載功率為累加對(duì)應(yīng)的負(fù)載設(shè)備功率值，將其與電源的功率上限值進(jìn)行比較，超出功率上限的配置方案不可行，應(yīng)當(dāng)剔除。

斷路器容量檢驗(yàn)是將斷路器的累積電流值置零，遍歷全部供電路徑，根據(jù)功率計(jì)算供電路徑經(jīng)過的斷路器電流值。將每個(gè)斷路器累加電流值與斷路器許用電流值進(jìn)行比較，超出的方案為不可行，予以剔除。

在通過電源容量校驗(yàn)和斷路器容量校驗(yàn)的配置方案中，有些是在物理上等效的重復(fù)方案，將每個(gè)方案的電源和斷路器電流作為特征值進(jìn)行檢驗(yàn)，特征值完全一致的視為相同方案予以合并[5]。

4 配電軟件開發(fā)

在上述工作的基礎(chǔ)上，基于VS2019 C#進(jìn)行海洋油氣平臺(tái)調(diào)試配電軟件的開發(fā)工作。軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能：以Excel表格形式讀取電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并建立對(duì)應(yīng)圖模型；根據(jù)用戶選擇配置ACB、MCCB和VCB狀態(tài)；根據(jù)用戶選擇電源和負(fù)載列表進(jìn)行配電方案的規(guī)劃與檢驗(yàn)，并保存輸出至Excel表格文件[6]。海洋油氣平臺(tái)調(diào)試配電軟件界面如圖6所示。

圖6 海洋油氣平臺(tái)調(diào)試配電軟件界面

5 結(jié) 語

在海洋油氣平臺(tái)的調(diào)試過程中涉及頻繁的配電方案規(guī)劃工作。配電方案的核心邏輯是根據(jù)每次調(diào)試的電力網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)，尋找合理供電路徑。基于圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行海洋油氣平臺(tái)電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模，基于尋路算法設(shè)計(jì)配電方案的規(guī)劃方法，并開發(fā)配電方案規(guī)劃軟件，為海洋油氣平臺(tái)調(diào)試工作提供支持。