某海上生產(chǎn)設(shè)施優(yōu)先脫扣邏輯多次觸發(fā)動(dòng)作故障分析及處理

周 昕

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

1 海洋石油某海上生產(chǎn)設(shè)施電網(wǎng)概況

海洋石油某海上生產(chǎn)設(shè)施，包含發(fā)電機(jī)及變配電系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)、海水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、生活系統(tǒng)等，具備電力、水資源等自給自足能力，是一座海上微型石油工廠。

某海上生產(chǎn)設(shè)施電網(wǎng)屬于孤島電站模式中的中小型電網(wǎng)，電網(wǎng)中共有三臺(tái)生產(chǎn)用發(fā)電機(jī)（PSG），兩臺(tái)船用發(fā)電機(jī)（SSG），一臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)（EG）。[1]兩臺(tái)船用發(fā)電機(jī)由于使用時(shí)間長，帶載能力差，已暫停使用。三臺(tái)生產(chǎn)用發(fā)電機(jī)單機(jī)功率均為1800kW，使用經(jīng)處理后的原油或柴油作為燃料油。正常生產(chǎn)情況下，保持兩用一備的狀態(tài)。

三臺(tái)船用發(fā)電機(jī)自1996 年裝機(jī)投用以來已超20年，雖經(jīng)多次更換或升級(jí)改造，但輔助控制元器件故障率逐步增加，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響，同時(shí)影響正常生產(chǎn)生活。

2 某海上生產(chǎn)設(shè)施優(yōu)先脫扣邏輯多次動(dòng)作現(xiàn)象

某海上生產(chǎn)設(shè)施電網(wǎng)某一段時(shí)間內(nèi)多次出現(xiàn)優(yōu)先脫扣動(dòng)作導(dǎo)致甩脫一級(jí)和二級(jí)負(fù)載，其中包括儀表空壓機(jī)、水力旋流器馬達(dá)等關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)造成較大影響。

對(duì)最近一次發(fā)生優(yōu)先脫扣動(dòng)作邏輯前后報(bào)警進(jìn)行分析情況如下。

12 月6 日01:09:05.2 在第一次報(bào)警時(shí)3 號(hào)PSG 產(chǎn)生兩個(gè)警報(bào)：（1）CLOSE PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）CLOSE G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR。這兩個(gè)警報(bào)說明母線電壓頻率監(jiān)測回路信號(hào)通道出現(xiàn)故障，但是在1S 時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)警報(bào)迅速自復(fù)位，并未能對(duì)電網(wǎng)造成影響。

12 月6 日01:57:55.2 在3 號(hào)PSG 第二次發(fā)出報(bào)警時(shí)，首先上位機(jī)出現(xiàn)CLOSE PSG03 Syncronizing voltage channel error 故障報(bào)警信息，但在1S 時(shí)間內(nèi)警報(bào)迅速自復(fù)位，并未能對(duì)電網(wǎng)造成影響。

三分二十六秒后，3 號(hào)PSG 出現(xiàn)第三次警報(bào)，首先上位機(jī)出現(xiàn)兩個(gè)警報(bào)：（1）CLOSE PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）CLOSE G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR。在1S 時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)警報(bào)迅速復(fù)位。同時(shí)，觸發(fā)1 號(hào)發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)并網(wǎng)加載，并甩脫一級(jí)和二級(jí)負(fù)載。

根據(jù)上述報(bào)警記錄分析，幾次出現(xiàn)的報(bào)警均在極短時(shí)間內(nèi)復(fù)位，說明該故障為軟故障，需要根據(jù)可能產(chǎn)生的原因逐項(xiàng)分析故障原因。

3 優(yōu)先脫扣邏輯多次動(dòng)作故障原因分析

分析現(xiàn)場G30 模塊、UMT 模塊、PLC 模塊三者結(jié)構(gòu)示意圖可知，G30 僅采集發(fā)電機(jī)母線側(cè)電壓信號(hào)，UMT 采集發(fā)電機(jī)輸出端電壓及電流信號(hào)，兩個(gè)模塊將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換后將所有數(shù)據(jù)傳輸至PLC 模塊。因此，3 號(hào)發(fā)電機(jī)母線頻率故障報(bào)警及同步電壓故障報(bào)警均與PT、G30、PLC 及組成的回路有關(guān)。[2]

發(fā)電機(jī)過載達(dá)到110%Pn 即1980kW 時(shí)或發(fā)電機(jī)頻率低于90%fn 即54Hz 超過1S 才會(huì)產(chǎn)生自啟動(dòng)及甩負(fù)載的情況，現(xiàn)場查看3 臺(tái)發(fā)電機(jī)功率參數(shù)曲線圖及頻率曲線圖可知，故障時(shí)3 號(hào)發(fā)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)正常，未出現(xiàn)過載及低頻現(xiàn)象。因此導(dǎo)致發(fā)電機(jī)母線側(cè)電壓信號(hào)通道錯(cuò)誤報(bào)警及同步電壓信號(hào)通道錯(cuò)誤報(bào)警信息原因初步確定為G30I/O 模塊故障或G30 模塊、PLC 模塊、PT 模塊回路中接線端子松動(dòng)導(dǎo)致。

有功功率數(shù)值是通過UMT 從發(fā)電機(jī)采集的電壓及電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳輸進(jìn)入PLC 分析處理后獲得。因此，考慮會(huì)不會(huì)是UMT 參數(shù)出錯(cuò)導(dǎo)致PLC 判斷過載而動(dòng)作。同時(shí)UMT 模塊經(jīng)第三方專業(yè)公司檢測確認(rèn)為由于內(nèi)部設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致內(nèi)部控制板溫度長期偏高，影響UMT 使用壽命，在運(yùn)行過程中其故障率較高，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知近五年由于UMT 模塊而導(dǎo)致的故障共計(jì)5次，且當(dāng)前3 號(hào)PSG 控制盤位于配電間角落位置，空調(diào)制冷效果不佳，這樣更可能導(dǎo)致UMT 出現(xiàn)異常而導(dǎo)致UMT 發(fā)出錯(cuò)誤的信號(hào)給PLC，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障。從這個(gè)角度考慮，UMT 故障也可能引起1 號(hào)發(fā)電機(jī)自啟動(dòng)，且甩一級(jí)和二級(jí)負(fù)載。

由于現(xiàn)有PLC 模塊內(nèi)部程序?yàn)楣δ軌K圖，現(xiàn)場人員無法直接讀取內(nèi)部的程序，現(xiàn)場PCU4 圖紙資料上沒有上述警報(bào)I/O 點(diǎn)。而發(fā)電機(jī)頻率信號(hào)的采集是UMT來采集的，發(fā)電機(jī)母線頻率則是由G30 來采集的。因此，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)低頻報(bào)警信號(hào)有可能是PLC 模塊將發(fā)電機(jī)母線頻率與發(fā)電機(jī)頻率進(jìn)行比較而產(chǎn)生。綜合以上分析，UMT 模塊回路和G30 模塊回路均有可能存在故障而導(dǎo)致此次事故的發(fā)生。

同時(shí)，由于故障時(shí)發(fā)電機(jī)母線側(cè)電壓信號(hào)通道錯(cuò)誤報(bào)警及同步電壓信號(hào)通道錯(cuò)誤報(bào)警信息同時(shí)出現(xiàn)，懷疑G30I/O 模塊故障概率較高。

4 某海上生產(chǎn)設(shè)施優(yōu)先脫扣邏輯多次動(dòng)作故障原因現(xiàn)場排查

根據(jù)上述故障原因分析，現(xiàn)場對(duì)G30 回路及UMT回路分別進(jìn)行檢查測試。

4.1 排查G30 回路接線

1.排查方法。在發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)時(shí)，將發(fā)電機(jī)控制模式轉(zhuǎn)換到手動(dòng)狀態(tài)，將下一臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)切換到1 號(hào)SSG，在此狀態(tài)下插拔PT 模塊到G30 模塊再到PLC 模塊PCU4 的回路接線端子，在此情況下排查操作不會(huì)對(duì)正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)造成影響。具體操作方法為：檢查回路接線端子導(dǎo)線，觀察是否有導(dǎo)線松動(dòng)導(dǎo)致警報(bào)產(chǎn)生，回裝接線端子時(shí)確保接線牢固可靠。若未出現(xiàn)報(bào)警則判斷接線端子未松動(dòng)，此時(shí)手動(dòng)拆除接線查看所產(chǎn)生的 報(bào)警。

2.排查過程。根據(jù)制定的排查工作計(jì)劃，首先將3號(hào)發(fā)電機(jī)切換到手動(dòng)位置，將1 號(hào)SSG 切換到自動(dòng)位，并將NEXT START 選擇開關(guān)選擇4。

發(fā)電機(jī)母線電壓通過如下電氣設(shè)備最終將信號(hào)傳輸?shù)絇LC 模塊：發(fā)電機(jī)母線電壓—Q03—F11—PTR7030發(fā)電機(jī)保護(hù)柜內(nèi)MCB43—電壓互感器PT—MCB11—G30 I/O 模塊—PCU04。

將F11 開關(guān)輸入接線端子到PCU04 輸入接線端子使用尖嘴鉗用力拽動(dòng)，發(fā)現(xiàn)接線牢固可靠。整個(gè)操作過程中上位機(jī)未出現(xiàn)警報(bào)。將所有接線端子再次確認(rèn)緊固，嘗試手動(dòng)拆除回路中導(dǎo)線觀察產(chǎn)生警報(bào)情況。

拆除3N G30 模塊的輸出U5a 導(dǎo)線，觀察上位機(jī)上出現(xiàn)下面三個(gè)報(bào)警：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR；（3）PSG03 Syncronizing voltage channel error，回接U5a 導(dǎo)線后警報(bào)消失。

拆除3N G30 模塊的輸出U6a 導(dǎo)線，觀察上位機(jī)上出現(xiàn)與上一步一樣的三個(gè)報(bào)警，回接U6a 導(dǎo)線后警報(bào)消失。

拆除3N G30 模塊的輸出U5c 導(dǎo)線，觀察上位機(jī)上出現(xiàn)下面兩個(gè)報(bào)警：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR，回接U5c導(dǎo)線后警報(bào)消失。

拆除3N G30 模塊的輸出U6c 導(dǎo)線，觀察上位機(jī)上出現(xiàn)一個(gè)報(bào)警：PSG03 Syncronizing voltage channel error，回接導(dǎo)線U6c 后警報(bào)消失。

根據(jù)上述現(xiàn)象，可知U5a、U6a 兩根導(dǎo)線為信號(hào)傳輸公共端。U5c 為母線頻率監(jiān)測信號(hào)輸出端，U6c 為同步電壓監(jiān)測信號(hào)輸出端。

拆除MCB11 出線3D19，觀察上位機(jī)上未產(chǎn)生警報(bào)信號(hào)。回接3D19 導(dǎo)線，直接斷開MCB 開關(guān)，觀察上位機(jī)上仍未有警報(bào)產(chǎn)生。根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象可判斷3N G30輸入端口前的電路接線松動(dòng)或開關(guān)跳閘均不會(huì)在上位機(jī)上產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

3.排查結(jié)果分析。根據(jù)以上排查可知，3 號(hào)發(fā)電機(jī)故障時(shí)產(chǎn)生的警報(bào)：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR；（3）PSG03 Syncronizing voltage channel error 與G30 模塊本身有直接關(guān)系。

4.2 更換UMT 測試

1.排查方法如下。使用經(jīng)第三方專業(yè)公司改造過的UMT 更換3 號(hào)PSG 現(xiàn)有UMT 模塊，將3 號(hào)發(fā)電機(jī)切換到手動(dòng)位置，將1 號(hào)SSG 切換到自動(dòng)位，并將NEXT START 選擇開關(guān)選擇4，在更換UMT 及進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)不會(huì)影響運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)，更換過程中記錄相應(yīng)的警報(bào)信息。

2.排查過程如下。按照發(fā)電機(jī)UMT 更換的標(biāo)準(zhǔn)操作程序，我們制定了3#PSG UMT 的更換測試的方案，大致的更換測試流程為：（1）拆除3 號(hào)發(fā)電機(jī)舊UMT模塊；（2）記錄發(fā)電機(jī)拆除UMT 模塊后產(chǎn)生的警報(bào)；（3）安裝新的UMT 模塊；（4）回接UMT 模塊；（5）記錄發(fā)電機(jī)UMT 模塊恢復(fù)正常后的警報(bào)情況；（6）將記錄的報(bào)警與發(fā)生故障時(shí)的報(bào)警進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 電網(wǎng)母線頻率保護(hù)設(shè)定值及相應(yīng)動(dòng)作

按照發(fā)電機(jī)UMT 模塊更換的標(biāo)準(zhǔn)操作程序?qū)Πl(fā)電機(jī)的UMT 模塊進(jìn)行了更換，在拆開UMT 的接線后我們發(fā)電機(jī)的監(jiān)視系統(tǒng)出現(xiàn)了11 個(gè)警報(bào)。從警報(bào)信息描述可知，在UMT 拆除后，UMT 無法傳輸發(fā)電機(jī)電壓及電流數(shù)據(jù)到PLC 模塊，導(dǎo)致出現(xiàn)3 號(hào)PSG 電流、電流有效值、電壓、頻率、有功功率及無功功率信號(hào)通道故障報(bào)警。同時(shí)，由于PLC 隨機(jī)輸出一個(gè)有功功率值，達(dá)-7197kW，出現(xiàn)逆功率報(bào)警。

UMT 更換及參數(shù)設(shè)置完成以后，之前拆除UMT 后出現(xiàn)的11 個(gè)警報(bào)全部自動(dòng)復(fù)位。

3.排查結(jié)果分析。（1）根據(jù)更換UMT 測試時(shí)上位機(jī)上產(chǎn)生的警報(bào)分析可知，UMT 或其回路出現(xiàn)故障時(shí)是不會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)母線頻率通道錯(cuò)誤和同步電壓通道錯(cuò)誤警報(bào)的，即在12 月6 日凌晨出現(xiàn)的上述三個(gè)警報(bào)與UMT 模塊無關(guān)，而是由3#PSG 的G30 模塊或PLC模塊故障產(chǎn)生；（2）在發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，更換UMT模塊不會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)備用機(jī)和低頻故障報(bào)警。

4.3 調(diào)取PLC 程序進(jìn)行故障確認(rèn)

根據(jù)以上的排查過程，我們排除了UMT 模塊及各回路接線松動(dòng)導(dǎo)致優(yōu)先脫扣邏輯動(dòng)作原因，故障原因鎖定在了G30 模塊、PLC 模塊。為了進(jìn)一步鎖定故障原因，與PLC 廠家工程師溝通調(diào)取了PLC 程序分析MSG3_23 和MSG3_41 兩個(gè)報(bào)警信號(hào)觸發(fā)的條件。

MSG3_23 CFN PSG03 Excess Load Auto.Start

MSG3_41 CFN PSG03 Underfrequency 3

MSG3_41 是當(dāng)PLC 檢測到發(fā)電機(jī)母線頻率輸入信號(hào)低于54Hz 時(shí)觸發(fā)，其動(dòng)作邏輯為經(jīng)過1s 的延時(shí)后啟動(dòng)備用PSG，同時(shí)甩脫電力系統(tǒng)一級(jí)和二級(jí)負(fù)載。而MSG3_23 報(bào)警是當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)過流、過載及母線頻率低等保護(hù)信號(hào)時(shí)均會(huì)觸發(fā)，PLC 根據(jù)發(fā)電機(jī)保護(hù)設(shè)定值與監(jiān)測值比較所得結(jié)果延時(shí)固定時(shí)間后觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作。[3]該描述與電網(wǎng)母線頻率保護(hù)設(shè)定值及相應(yīng)動(dòng)作值相對(duì)應(yīng)。

發(fā)電機(jī)母線頻率信號(hào)的采集是電壓互感器采集母線電壓信號(hào)經(jīng)G30 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后變成4-20mA的電流信號(hào)上傳到PLC（PCU4）。PCU4 根據(jù)所采集的信號(hào)，首先判斷發(fā)電機(jī)斷路器是否處于合閘位置。如果發(fā)電機(jī)斷路器處于合閘位置，則PCU4 根據(jù)發(fā)電機(jī)保護(hù)設(shè)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，若達(dá)到動(dòng)作值，則進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

5 優(yōu)先脫扣邏輯多次動(dòng)作原因分析結(jié)論及處理

根據(jù)上述分析可知，故障時(shí)觸發(fā)的三個(gè)報(bào)警：（1）PSG03 Bus bar frequency channel error；（2）G7100_3_F2_A CHANNEL ERROR；（3）PSG03 Syncronizing voltage channel error，即發(fā)電機(jī)母線頻率通道故障、同步電壓信號(hào)通道故障、發(fā)電機(jī)母線頻率低均由G30 模塊故障導(dǎo)致參數(shù)錯(cuò)誤引起的，進(jìn)而導(dǎo)致PLC 輸出警報(bào)，從而觸發(fā)1 號(hào)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)，甩脫1 級(jí)負(fù)載及二級(jí)負(fù)載優(yōu)先脫扣動(dòng)作邏輯。現(xiàn)場對(duì)G30 模塊進(jìn)行了更換，經(jīng)測試及運(yùn)行觀察后續(xù)未出現(xiàn)該故障，故障徹底消除。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)某海上生產(chǎn)設(shè)施電網(wǎng)多次觸發(fā)優(yōu)先脫扣邏輯故障問題的分析，深入探討了發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)采集接收模塊對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的巨大影響。通過逐項(xiàng)分析驗(yàn)證，最終鎖定故障原因并有針對(duì)性地處理，最終徹底消除了故障，保證了電網(wǎng)的可靠性。