某新石油平臺接入某油田群電網(wǎng)后電網(wǎng)安穩(wěn)策略升級改造分析

宋琨

摘 要：海上油田群電網(wǎng)不同于陸地電網(wǎng)，發(fā)變輸配電各環(huán)節(jié)全部自給自足。電網(wǎng)為整個油田群油田開采、生產(chǎn)生活、輸送等各個環(huán)節(jié)提供了源源不斷能源，是一切生產(chǎn)生活活動的先決條件，其重要性不言而喻。一般海上電網(wǎng)容量數(shù)量級別僅為一百兆瓦級別，相比陸地電網(wǎng)要小得多，抗沖擊能力弱，其穩(wěn)定性容易受各方面因素干擾。如何保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行成為重要議題。EMS的優(yōu)先脫扣系統(tǒng)是整個電網(wǎng)安穩(wěn)策略的基石。本文主要分析某石油平臺新接入某油田群電網(wǎng)后原電網(wǎng)安穩(wěn)策略如何進(jìn)行升級改造。

關(guān)鍵詞：優(yōu)先脫扣 安穩(wěn)策略 EMS

中圖分類號：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（c）-0098-03

某油田群原有3個動力平臺，8個負(fù)荷平臺，各動力平臺用電相互依存并給負(fù)荷平臺供電，并已經(jīng)組成一個一百兆瓦級別的小型電網(wǎng)。EMS（能量管理系統(tǒng)）為本小型電網(wǎng)提供了組網(wǎng)控制策略、安穩(wěn)策略和工業(yè)數(shù)字化信息化一體化解決方案，保證了油田日常生產(chǎn)生活安全穩(wěn)定進(jìn)行。新的石油平臺為負(fù)荷平臺，在新增該平臺后，如何合理重新規(guī)劃安穩(wěn)策略，是優(yōu)先脫扣系統(tǒng)典型的新增負(fù)荷平臺升級改造的案例。

1 優(yōu)先脫扣系統(tǒng)基本原理

新平臺接入之前已經(jīng)有優(yōu)先脫扣系統(tǒng)在投用。EMS的優(yōu)先脫扣系統(tǒng)是整個電網(wǎng)安穩(wěn)策略的基石，其基本原理是在電網(wǎng)發(fā)生某些預(yù)知性故障后，系統(tǒng)快速決策，在該故障帶來的負(fù)荷超額變化給發(fā)電機或者變壓器或者海纜造成影響之前，選擇性地快速卸載可卸載的設(shè)備，從而避免發(fā)電機過載跳機、變壓器或者海纜過載，進(jìn)而避免電網(wǎng)黑網(wǎng)或者保護(hù)了變壓器和海纜。

傳統(tǒng)的優(yōu)先脫扣主要有以下兩種方式：

（1）根據(jù)發(fā)電機電流達(dá)到門限值，固定分組卸掉相應(yīng)的負(fù)荷，主要用在單平臺電站系統(tǒng)內(nèi)，對于相對簡單的電網(wǎng)系統(tǒng)，基本能滿足需要；

（2）根據(jù)在線發(fā)電機的數(shù)量及跳機信號，固定分組切掉相應(yīng)的負(fù)荷，在單平臺電站和多電站電網(wǎng)系統(tǒng)中均有使用。

現(xiàn)有的優(yōu)先脫扣系統(tǒng)在EMS系統(tǒng)投用后完全接管，包括并網(wǎng)模式、局部并網(wǎng)模式和單平臺模式。但原有的優(yōu)先脫扣系統(tǒng)仍然保留，通過硬接線方式屏蔽，在特殊概率的情況下，如在單平臺運行模式下且EMS故障，依據(jù)修復(fù)時間長短，可通過硬接線方式重新恢復(fù)到以前的優(yōu)先脫扣系統(tǒng)。

現(xiàn)有的優(yōu)先脫扣策略的原理是基于電網(wǎng)熱備用（旋轉(zhuǎn)備用，下同）、預(yù)先計算、循環(huán)累加的原理實現(xiàn)可變優(yōu)先級的優(yōu)先脫扣功能。

影響電網(wǎng)暫態(tài)安穩(wěn)主要有：

（1）在線發(fā)電機一臺跳機；

（2）在線發(fā)電機多臺跳機；

（3）線路故障造成電網(wǎng)解列；

（4）在線時發(fā)電機T5高溫；

（5）線路變壓器過載。

對于一臺跳機發(fā)電機CASE，EMS將計算整個電網(wǎng)的熱備用值，預(yù)先減去發(fā)電機的最大出力，通過優(yōu)先權(quán)限等級，由低向高循環(huán)累加計算可卸載設(shè)備的實時功率，直到電網(wǎng)的熱備值減去該臺發(fā)電機最大出力后，仍然處于安全狀態(tài)，將已累加的可卸載設(shè)備標(biāo)記在緩存，一旦CASE觸發(fā)，即執(zhí)行卸載動作。

由于一臺跳機發(fā)電機CASE執(zhí)行動作很快，小于120ms，多臺跳機發(fā)電機CASE，仍然是按照一臺接一臺跳機的執(zhí)行方式。對于多臺同時在120ms內(nèi)跳機，各種組合眾多，考慮是非常復(fù)雜，且屬于小概率事件，本項目將采取的方式為在并網(wǎng)的情況下如有多臺跳機，則先計算剩下發(fā)電機所屬平臺的出力情況再供給多臺發(fā)電機跳機的平臺。

線路故障造成電網(wǎng)解列CASE，本身CASE發(fā)生是不需要減去一臺發(fā)動機最大出力，EMS通過預(yù)先計算解列后形成的電網(wǎng)中熱備用量，通過優(yōu)先權(quán)限等級，由低向高循環(huán)累加計算可卸載設(shè)備的實時功率，直到電網(wǎng)的熱備值處于安全狀態(tài)。將已累加的可卸載設(shè)備標(biāo)記在緩存，一旦CASE觸發(fā)，即執(zhí)行卸載動作。

2 該油田群電網(wǎng)整體概述

新平臺接入之前，該油田群共有3個動力平臺A、B、C和8個負(fù)荷平臺，各動力平臺各自有發(fā)電機并已組成一個大電網(wǎng)，大電網(wǎng)通過海纜或者棧橋向負(fù)荷平臺供電。

該油田群目前發(fā)電機組共有10臺，均由美國Solar Turbines公司生產(chǎn)的大力神T130透平發(fā)電機，單機容量均為16225KVA，最大出力10500kW，額定電壓63000V。發(fā)電機分布：A平臺 2臺透平機，B平臺 4臺透平機，C平臺 4臺透平機，負(fù)荷平臺本身沒有發(fā)電機。

3 CASE制定和劃分

CASE制定時是在電網(wǎng)各種運行方式情況下，發(fā)電機故障、線路故障等觸發(fā)條件作為一個獨立的CASE，而且各種CASE可能相關(guān)聯(lián)，但不是實時性關(guān)聯(lián)，例如在并網(wǎng)情況下，發(fā)生線路解列，觸發(fā)相應(yīng)的CASE，而解列后發(fā)生的發(fā)電機跳機，將觸發(fā)另一個CASE，過程中電網(wǎng)的數(shù)據(jù)都來得及更新。

全部并網(wǎng)后作為電網(wǎng)運行的常態(tài)，并網(wǎng)前已經(jīng)達(dá)到電力平衡的局部電網(wǎng)也考慮作為電網(wǎng)運行的常態(tài)，可以長期運行。

發(fā)電機跳機、各聯(lián)絡(luò)節(jié)點解列考慮作為電網(wǎng)運行的暫態(tài)，安穩(wěn)策略對各暫態(tài)進(jìn)行了CASE制定。

對于上述常態(tài)下，進(jìn)一步發(fā)生發(fā)電機跳機、各聯(lián)絡(luò)節(jié)點解列的暫態(tài)，安穩(wěn)策略對其也進(jìn)行了CASE制定。

對于暫態(tài)發(fā)生后，非常態(tài)情況下，不是電網(wǎng)長期運行的方式，如果進(jìn)一步全部考慮非常態(tài)下的暫態(tài)，系統(tǒng)會非常復(fù)雜，反而降低其可靠性，所以安穩(wěn)策略沒有對此制定CASE，而從運行方式上避免。

CASE觸發(fā)類型有在線發(fā)電機一臺跳機、在線發(fā)電機多臺跳機、線路故障造成電網(wǎng)解列、在線時發(fā)電機T5高溫（或者機組帶載率超過規(guī)定值）、線路變壓器過載、單變壓器故障退出電網(wǎng)共6種，CASE觸發(fā)只發(fā)生在動力平臺，當(dāng)CASE觸發(fā)時，發(fā)生CASE觸發(fā)的電站平臺會發(fā)送卸載指令給滿足卸載條件的對應(yīng)平臺的相應(yīng)設(shè)備。

不是所有的負(fù)載都參與優(yōu)先脫扣系統(tǒng)，因為負(fù)載過小，卸載它對一百兆瓦級別的電網(wǎng)來說如杯水車薪，所以一般大于75kW的負(fù)載才列入優(yōu)先脫扣系統(tǒng)清單。同時。對于大于75kW的負(fù)載，除了較大的負(fù)載外，其他較小負(fù)載劃分三級設(shè)備，以便管理。每一個設(shè)備優(yōu)先脫扣等級均有1～10級的級別設(shè)置，級別越低，越優(yōu)先卸載，用戶可以根據(jù)情況按設(shè)備按季節(jié)靈活設(shè)定卸載等級。

4 CASE工況流程舉例分析

下面以CASE1-1-G-1即A單平臺模式下，一臺發(fā)電機跳機舉例說明CASE執(zhí)行流程如圖1。

5 某新石油平臺負(fù)載接入優(yōu)先脫扣系統(tǒng)

該新平臺接入優(yōu)先脫口系統(tǒng)主要給原EMS系統(tǒng)帶來負(fù)載增加、PLC使能位開放、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與擴容、上位機畫面增加這幾方面的升級改造工作。

5.1 負(fù)載增加

該新平臺可卸載負(fù)荷有注水泵A/B/C、氣體壓縮機A/B/C、修井機、第一級低壓設(shè)備、第二級低壓設(shè)備、第三級低壓設(shè)備、第一級油井、第二級油井、第三級油井。各低壓設(shè)備和油井的級別1～3級可選，選擇哪一級，就屬于對應(yīng)級別的低壓設(shè)備和油井。

依據(jù)電網(wǎng)一次單線圖，動力平臺A、B、C均有可能會卸載到該新平臺的設(shè)備，所以在3個動力平臺相關(guān)程序里面均要新增上述新平臺的設(shè)備。

5.2 PLC使能位開放

由于原先EMS系統(tǒng)設(shè)計時已經(jīng)考慮到后期會不斷增加平臺和設(shè)備，所以在PLC軟件模塊封裝之前，已經(jīng)提前預(yù)留出上百個可用設(shè)備，同時以各個設(shè)備的使能位作使能依據(jù)。當(dāng)該使能位為0時，表示該設(shè)備沒有開放，這樣即使該設(shè)備有在線狀態(tài)和功率，系統(tǒng)都不對其做任何計算處理；當(dāng)該使能位為1時，表示該設(shè)備真實存在并開放，其在線與否和功率都會參與整個電網(wǎng)的熱備計算。

新增平臺后，對應(yīng)的注水泵等13組設(shè)備的使能位都將開放，標(biāo)志著該13組設(shè)備正式參與優(yōu)先脫扣系統(tǒng)。

5.3 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與擴容

動力平臺A、B、C作為整個電網(wǎng)的核心，每時每刻都進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，充當(dāng)主干網(wǎng)的角色。所以，EMS中這3個動力平臺的交換機均采用高可靠性的千兆光口的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，且組成環(huán)網(wǎng)。其他負(fù)荷平臺則以星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)接入到該環(huán)網(wǎng)中。

新增平臺后，原有的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)解開，加入該平臺這個節(jié)點。所以新構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)是以動力平臺A、B、C和該新平臺這4個節(jié)點組成的環(huán)網(wǎng)，且其他負(fù)荷平臺則以星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)接入到該環(huán)網(wǎng)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

5.4 上位機畫面增加

上位機是整個系統(tǒng)人機交互的主要工具，用戶可以在上位機監(jiān)測查看整個電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)，同時可以對系統(tǒng)一些運行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，這些參數(shù)根據(jù)電網(wǎng)運行情況不同而設(shè)置成不同參數(shù)，優(yōu)先脫扣系統(tǒng)常用到的參數(shù)設(shè)置有：

熱備修正值：用于修正電網(wǎng)對應(yīng)CASE計算的熱備值；

卸載等級：某些特殊CASE需要用戶自行設(shè)定卸載等級；

設(shè)備卸載級別：范圍1～10；

新增平臺的13組設(shè)備的卸載級別需要用戶依據(jù)電網(wǎng)情況自行設(shè)定，同時這13組設(shè)備的卸載標(biāo)志位顯示等等，都需要在上位機上新增對應(yīng)畫面或者修改。

6 結(jié)語

升級改造后的安穩(wěn)策略及時涵蓋整個電網(wǎng)所有必要設(shè)備，做到了系統(tǒng)無死角無遺漏，是對原系統(tǒng)的補充升級。以優(yōu)先脫扣系統(tǒng)為主的安穩(wěn)策略，是一種對電網(wǎng)可預(yù)判性故障的應(yīng)急預(yù)案，PLC作為執(zhí)行機構(gòu)，同時因為能夠預(yù)先對電網(wǎng)的故障做判斷，所以電網(wǎng)的熱備余量、可卸負(fù)載等均可由PLC預(yù)計算，而不必等CASE發(fā)生時才去計算熱備余量，極大地縮短了從發(fā)生CASE到卸載設(shè)備的時間。從系統(tǒng)投入運行效果看，優(yōu)先脫扣系統(tǒng)為用戶帶來了較大的經(jīng)濟效益，顯著了提高電網(wǎng)的安全性和可靠性。

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