海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護安全技術(shù)應(yīng)用

張慶航，蘇利然，陳烽文

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤西作業(yè)公司，天津 300457)

0 引言

隨著海洋石油開發(fā)的不斷深入和擴展，對海洋石油平臺和設(shè)備的電氣安全保護變得至關(guān)重要。電氣設(shè)備的故障或事故可能導致嚴重的人員傷亡、環(huán)境破壞和經(jīng)濟損失。因此，研究和應(yīng)用電氣自動化系統(tǒng)的繼電保護安全技術(shù)對保障海洋石油工作的安全性和可靠性具有重要意義。

1 海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護概述

1.1 電氣自動化系統(tǒng)的定義和功能

電氣自動化系統(tǒng)是指在海洋石油開發(fā)中廣泛應(yīng)用的一種控制系統(tǒng)，它主要由電氣設(shè)備、傳感器、控制器和通信網(wǎng)絡(luò)等組成，用于監(jiān)測、控制和保護海洋石油平臺或海底油井的電力系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能包括實時監(jiān)測電氣參數(shù)、實現(xiàn)遠程控制、保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及提供安全保護等。在海洋石油開發(fā)中，電氣自動化系統(tǒng)扮演著關(guān)鍵角色，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)各個部分的集中監(jiān)控和控制，還能提供快速響應(yīng)和自動化操作，從而提高生產(chǎn)效率和安全性。在海洋環(huán)境中，電氣自動化系統(tǒng)面臨著復雜的工作條件和安全挑戰(zhàn)，因此繼電保護作為系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)揮著保護電力設(shè)備和人員安全的重要作用[1]。

1.2 繼電保護的定義和作用

繼電保護是電力系統(tǒng)中常用的一種保護手段，它通過監(jiān)測電氣參數(shù)的變化，并根據(jù)事先設(shè)定的保護參數(shù)和動作判據(jù)，及時采取措施保護電力設(shè)備免受電力故障或異常工作狀態(tài)的影響。繼電保護系統(tǒng)能夠快速、準確地檢測電力系統(tǒng)中的故障、短路、過載、欠電壓和過電壓等異常情況，并迅速切斷故障部分，保護電氣設(shè)備免受進一步損壞。在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)中，繼電保護的作用至關(guān)重要。它能夠及時檢測和保護關(guān)鍵電氣設(shè)備，如發(fā)電機、變壓器、開關(guān)設(shè)備和電纜等，避免因電力故障而導致的生產(chǎn)中斷、設(shè)備損壞甚至人員傷亡。繼電保護系統(tǒng)的可靠性和準確性直接影響著海洋石油開發(fā)的安全性和經(jīng)濟效益。

1.3 海洋石油電氣自動化系統(tǒng)的特點

海洋石油電氣自動化系統(tǒng)的特點對繼電保護的安全技術(shù)應(yīng)用提出了特殊要求。

(1)復雜環(huán)境。海洋環(huán)境的惡劣條件，如高濕度、高鹽度、大氣腐蝕和高溫等，對電氣設(shè)備和繼電保護系統(tǒng)的性能和可靠性產(chǎn)生重要影響。同時，海洋石油開發(fā)面臨復雜的安全風險，如火災、爆炸、電弧和電氣故障等。因此，繼電保護需要能夠及時檢測并切斷故障電路，以保護設(shè)備和人員的安全。

(2)遠程操作和維護。海洋石油平臺或海底油井通常位于偏遠的海洋環(huán)境中，需要實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作。繼電保護系統(tǒng)需要具備遠程通信和控制能力，以便遠程監(jiān)測電氣參數(shù)并及時采取保護措施。海洋石油開發(fā)涉及大規(guī)模的電氣設(shè)備和復雜的電力系統(tǒng)，因此繼電保護系統(tǒng)需要能夠同時監(jiān)測和保護多個設(shè)備和電路，并能夠處理大量的故障和異常情況。

(3)高可靠性要求。海洋石油開發(fā)對電力供應(yīng)的可靠性要求極高。繼電保護系統(tǒng)需要具備高可靠性和冗余性，以便在故障發(fā)生時迅速切斷故障電路，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。針對海洋石油電氣自動化系統(tǒng)的特殊需求，繼電保護安全技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)考慮這些特點，并提供相應(yīng)的解決方案，以確保電氣設(shè)備和人員的安全[2]。

2 海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護的安全需求

2.1 安全性要求和挑戰(zhàn)

海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護在安全性方面面臨著特殊的要求和挑戰(zhàn)。安全性是海洋石油開發(fā)中至關(guān)重要的因素，對人員、設(shè)備和環(huán)境的保護具有重要意義。在繼電保護領(lǐng)域，有下述安全性要求和挑戰(zhàn)：

(1)可靠性。海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護需要具備高度的可靠性，即在故障發(fā)生時能夠快速、準確地檢測并切斷故障電路。這要求繼電保護系統(tǒng)的設(shè)備和算法具備穩(wěn)定性和可靠性，以確保在各種工作條件下都能正常運行。

(2)快速響應(yīng)。海洋石油電氣系統(tǒng)中的故障可能會導致嚴重的安全問題，如火災、爆炸和設(shè)備損壞。繼電保護系統(tǒng)需要能夠快速響應(yīng)并采取適當?shù)拇胧?，以盡快切斷故障電路，最大程度地減少事故的發(fā)生和擴大范圍。

(3)精確性。繼電保護系統(tǒng)需要具備精確的故障檢測和定位能力，以確保故障電路的準確切斷，避免誤操作和漏保護的情況發(fā)生。精確性要求繼電保護系統(tǒng)具備高精度的測量和判斷能力，并能在復雜的電力系統(tǒng)中準確識別和響應(yīng)故障。

2.2 災害事故對海洋石油電氣系統(tǒng)的影響

災害事故對海洋石油電氣系統(tǒng)的影響可能是災難性的。這些事故可能導致人員傷亡、環(huán)境破壞和生產(chǎn)中斷，對海洋石油開發(fā)和運營造成重大影響。

(1) 火災和爆炸。電氣設(shè)備故障、電弧和短路等因素可能引發(fā)火災和爆炸，對人員和設(shè)備造成嚴重威脅。災害事故的擴散和蔓延可能導致嚴重的安全后果，如設(shè)備燒毀、環(huán)境污染和生產(chǎn)中斷等。

(2) 電氣故障。電氣系統(tǒng)中的故障可能導致設(shè)備的異常運行和損壞。電力故障可能引發(fā)電壓波動、過電流和過電壓等問題，對電氣設(shè)備和系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，可能導致設(shè)備故障、停電和生產(chǎn)中斷。

(3)系統(tǒng)不穩(wěn)定。在海洋石油電氣系統(tǒng)中，故障電路的存在可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，影響整個電力網(wǎng)絡(luò)的運行。系統(tǒng)不穩(wěn)定可能導致電力質(zhì)量下降、設(shè)備損壞和生產(chǎn)中斷等問題。

2.3 繼電保護在事故預防和保護方面的重要性

繼電保護在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)可以預防事故的發(fā)生并提供必要的保護措施。

(1)故障檢測和切斷。繼電保護系統(tǒng)能夠快速、準確地檢測電氣故障，并及時切斷故障電路。通過故障檢測和切斷，繼電保護系統(tǒng)可以防止故障擴大和進一步影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

(2)精確定位和定序。繼電保護系統(tǒng)具備精確的故障定位和定序能力，能夠準確判斷故障發(fā)生的位置和順序。這對快速修復故障、恢復系統(tǒng)運行具有重要意義，避免延誤和進一步損失。

(3)遠程監(jiān)控和操作。繼電保護系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作，通過遠程通信技術(shù)實時監(jiān)測電氣參數(shù)和狀態(tài)。遠程監(jiān)控和操作能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和安全性。

3 海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護的技術(shù)應(yīng)用

3.1 狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)中，狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是繼電保護的關(guān)鍵應(yīng)用之一。通過監(jiān)測設(shè)備和傳感器，系統(tǒng)可以實時獲取各種電氣參數(shù)和狀態(tài)信息，為繼電保護系統(tǒng)提供準確的數(shù)據(jù)支持。以下是狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護中的兩個重要方面。

3.1.1 傳感器和監(jiān)測設(shè)備

傳感器是狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分。在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)中，各種傳感器被部署在關(guān)鍵設(shè)備和線路上，用于監(jiān)測電流、電壓、溫度、濕度等關(guān)鍵參數(shù)。常用的傳感器包括電流互感器、電壓傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器等。這些傳感器能夠?qū)崟r采集各個設(shè)備和線路的狀態(tài)信息，為繼電保護系統(tǒng)提供準確的輸入數(shù)據(jù)。

3.1.2 監(jiān)測參數(shù)和數(shù)據(jù)采集

通過傳感器和監(jiān)測設(shè)備采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)需要進行有效地采集和處理。監(jiān)測參數(shù)的選擇和配置是繼電保護系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)中，常用的監(jiān)測參數(shù)包括電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、溫度等。這些參數(shù)的實時監(jiān)測和采集能夠幫助繼電保護系統(tǒng)準確判斷設(shè)備和線路的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障。數(shù)據(jù)采集是狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)對傳感器和監(jiān)測設(shè)備采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時記錄和存儲。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠處理大量的數(shù)據(jù)流，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化的圖表、曲線和報表，為繼電保護系統(tǒng)提供直觀、可操作的信息。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用為海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護提供了重要的技術(shù)手段。通過傳感器和監(jiān)測設(shè)備的部署，可以實時獲取關(guān)鍵設(shè)備和線路的狀態(tài)信息。同時，數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)能夠幫助繼電保護系統(tǒng)準確分析和判斷電氣故障，及時采取相應(yīng)的保護措施。

3.2 故障診斷與定位技術(shù)

在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)的繼電保護中，故障診斷與定位技術(shù)是關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。這些技術(shù)能夠幫助系統(tǒng)準確識別故障類型、快速定位故障位置，并采取相應(yīng)的措施進行修復。以下是故障診斷與定位技術(shù)在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護中的兩個重要方面。

3.2.1 故障診斷方法和算法

故障診斷方法和算法是故障診斷技術(shù)的核心。在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)中，常用的故障診斷方法包括基于規(guī)則的診斷、基于模型的診斷和基于統(tǒng)計的診斷等?；谝?guī)則的診斷方法依靠預先定義的規(guī)則和經(jīng)驗知識進行故障診斷，可以快速準確地判斷故障類型?；谀Ｐ偷脑\斷方法基于電氣設(shè)備的數(shù)學模型，利用模型和實際測量值之間的差異進行故障診斷。基于統(tǒng)計的診斷方法通過統(tǒng)計分析故障數(shù)據(jù)，識別異常模式和故障模式，從而實現(xiàn)故障的診斷。此外，故障診斷算法的應(yīng)用也非常重要。常見的算法包括模式識別、人工智能算法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯等)以及機器學習算法(如支持向量機、決策樹、隨機森林等)。這些算法能夠處理大量的數(shù)據(jù)，并從中發(fā)現(xiàn)潛在的故障模式和規(guī)律，從而實現(xiàn)準確的故障診斷。

3.2.2 故障定位技術(shù)

故障定位技術(shù)是在發(fā)生故障后，準確確定故障位置的重要手段。在海洋石油電氣系統(tǒng)中，故障可能包括短路、接地故障、過電壓等。故障定位技術(shù)通過測量電流和電壓的相位差、幅值變化以及故障時的波形特征等參數(shù)，計算故障點的位置。海洋石油電氣自動化系統(tǒng)中常用的故障定位技術(shù)包括：(1) 基于距離保護原理的定位是一種常用的故障定位方法，它通過測量電流和電壓之間的相對距離，根據(jù)預設(shè)的阻抗特性來確定故障位置。該方法適用于線路上的短路和接地故障的定位。(2) 基于波動阻抗的定位：波動阻抗是指故障點周圍電氣系統(tǒng)的阻抗在故障發(fā)生時出現(xiàn)明顯變化的現(xiàn)象?；诓▌幼杩沟亩ㄎ环椒ㄍㄟ^監(jiān)測和分析電壓和電流波形的變化，計算故障點附近的波動阻抗，從而確定故障位置。(3)基于時差測量的定位，這是一種常用的故障定位技術(shù)，它利用電流和電壓在故障點處的時差來確定故障位置。通過測量電流和電壓的到達時間差，結(jié)合傳輸速度等參數(shù)，可以計算出故障點的距離。不同的故障類型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能需要選擇和優(yōu)化不同的故障診斷與定位技術(shù)，以適應(yīng)實際應(yīng)用的需求。

3.3 自動化決策與控制技術(shù)

自動化決策與控制技術(shù)在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護中扮演著重要角色。這些技術(shù)能夠通過分析系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息，自主進行決策并控制系統(tǒng)的運行，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.3.1 自動化決策算法

自動化決策算法是基于系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息進行決策的關(guān)鍵工具。在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)中，常用的算法包括規(guī)則推理、模糊邏輯、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。這些算法能夠根據(jù)故障類型、系統(tǒng)狀態(tài)和運行條件，自動進行決策并生成相應(yīng)的動作和控制策略。例如，在發(fā)生故障時，自動化決策算法可以自動切除故障部分，重新配置系統(tǒng)運行狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性[3]。

3.3.2 控制策略和控制裝置

控制策略和控制裝置是自動化決策的具體實現(xiàn)。在海洋石油電氣自動化系統(tǒng)中，控制策略是根據(jù)自動化決策算法生成的決策結(jié)果，制定具體的控制方案和操作規(guī)程。這些控制策略可以涉及故障隔離、設(shè)備切換、負載調(diào)節(jié)等?？刂蒲b置是實施控制策略的硬件和軟件設(shè)備，可以包括自動化控制系統(tǒng)、繼電保護裝置、開關(guān)設(shè)備等。控制裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息，并根據(jù)自動化決策算法生成的控制策略進行操作，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。通過自動化決策與控制技術(shù)的應(yīng)用，海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護能夠?qū)崿F(xiàn)自主決策和控制，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準確性。

4 結(jié)語

海底油井電氣安全保護案例中的繼電保護系統(tǒng)應(yīng)用以及自動化決策與控制技術(shù)的數(shù)據(jù)展示了其在保障海底油井運行安全方面的重要作用。隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，可以進一步完善和優(yōu)化這些技術(shù)的應(yīng)用，提高海洋石油電氣自動化系統(tǒng)繼電保護的安全性和可靠性，為海洋石油工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。