周和明

（中海石油（中國(guó)）有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

某海上石油平臺(tái)發(fā)電設(shè)備由3 臺(tái)12 MW 的燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)和1 臺(tái)1 600 kW 的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組成。電力系統(tǒng)為孤島模式，整個(gè)油田開(kāi)發(fā)采用中心油輪加全水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)模式。在對(duì)油輪發(fā)電機(jī)B 機(jī)完成年檢后，將發(fā)電機(jī)主輸出真空斷路器（Vacuum Circuit Breakers，VCB）由測(cè)試位遙至工作位時(shí)，電源管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）觸發(fā)優(yōu)先脫扣保護(hù)邏輯，部分大功率負(fù)載設(shè)備開(kāi)關(guān)跳閘引發(fā)生產(chǎn)關(guān)停，造成11 口生產(chǎn)井關(guān)停。為了保證油田的安全生產(chǎn)，需在不影響油田正常生產(chǎn)條件下對(duì)PMS 的功能進(jìn)行邏輯測(cè)試，并對(duì)功能進(jìn)行完善，以確保油田后期的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 PMS 優(yōu)先脫扣原理介紹

電源管理系統(tǒng)在海上石油平臺(tái)上對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、分配與保護(hù)。其控制系統(tǒng)一般通過(guò)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）采集機(jī)組和設(shè)備數(shù)據(jù)，然后按照機(jī)組出力偏差和頻率偏差對(duì)發(fā)電機(jī)出力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，同時(shí)根據(jù)電網(wǎng)各種運(yùn)行方式和各站的故障情況制定相應(yīng)的優(yōu)先脫扣方案并實(shí)施[1]。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)帶載率過(guò)大時(shí)，一般通過(guò)2 種方式來(lái)解決帶載率過(guò)大的問(wèn)題：一是增加電網(wǎng)機(jī)組熱備值，即快速啟動(dòng)一臺(tái)備用機(jī)組并入電網(wǎng)；二是甩掉電網(wǎng)中的負(fù)荷設(shè)備，減少需求。

啟動(dòng)備用機(jī)組并網(wǎng)無(wú)疑是最經(jīng)濟(jì)的方案，但整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)并帶載的時(shí)間太長(zhǎng)，不適合海上油田這種電力供給實(shí)時(shí)性要求，便有了基于機(jī)組帶載率的優(yōu)先脫扣策略。需要說(shuō)明的是，引起機(jī)組跳機(jī)的情況很多，帶載率過(guò)高只是觸發(fā)機(jī)組跳機(jī)的其中一個(gè)因素?；趲лd率的優(yōu)先脫扣相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)是最小規(guī)模的卸載設(shè)備，是一種比較溫和的安穩(wěn)策略，但它只是一種后備手段，是對(duì)基于Case 脫扣功能的補(bǔ)充。

基于帶載率的優(yōu)先脫扣原理分析同基于Case 的優(yōu)先脫扣原理分析相同，所有可卸載設(shè)備根據(jù)設(shè)備重要性預(yù)先設(shè)定優(yōu)先級(jí)別（一般分為1 ～10 級(jí)），PMS 的PLC 實(shí)時(shí)采集并自動(dòng)計(jì)算目前各級(jí)別的可卸載負(fù)荷累計(jì)，并實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)機(jī)組的設(shè)備完好情況，可人工設(shè)定機(jī)組帶載率的上限。當(dāng)機(jī)組（在線所有機(jī)組累計(jì)，下同）帶載率達(dá)到80%時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提示啟動(dòng)備用機(jī)組；當(dāng)機(jī)組帶載率達(dá)到90%時(shí)，延時(shí)10 s 后PMS 開(kāi)始執(zhí)行卸載指令（時(shí)間和帶載率可根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置）。PMS 的優(yōu)先脫扣功能是平臺(tái)電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要保證[2]。

2 油田正常生產(chǎn)期間PMS 優(yōu)先脫扣功能測(cè)試方法

2.1 PMS 輸出隔離

海上油田在正常生產(chǎn)期間，PMS 的測(cè)試不能導(dǎo)致設(shè)備的關(guān)停，故在測(cè)試前需要詳細(xì)羅列受PMS 影響的設(shè)備，并進(jìn)行設(shè)備標(biāo)記和隔離。因?yàn)樵谌藱C(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）上進(jìn)行軟隔離可能造成關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備異常關(guān)停，所以隔離方式一般采用硬線隔離。隔離方法為將無(wú)輸出的PLC 數(shù)字量輸出（Digital Output，DO）硬件拔出，拔出前需根據(jù)PMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D確定所有的PLC DO 卡件無(wú)輸出。PMS 在油田正常生產(chǎn)情況下不會(huì)產(chǎn)生邏輯輸出，因此DO 卡件一般沒(méi)有輸出信號(hào)，這在拔硬件時(shí)需要特別注意。若在準(zhǔn)備拔出PLC DO 卡件前觀察到PLC 有輸出，則可進(jìn)入PLC 后臺(tái)程序監(jiān)控確認(rèn)，確認(rèn)不會(huì)產(chǎn)生設(shè)備異常停機(jī)后再進(jìn)行下一步。

2.2 設(shè)備輸入和輸出信號(hào)測(cè)試方法

由于油田在正常生產(chǎn)，所有的工藝設(shè)備一般可分為運(yùn)行設(shè)備和非運(yùn)行設(shè)備。運(yùn)行設(shè)備的工作位置狀態(tài)可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，包括啟停信號(hào)和斷路器故障信號(hào)。非運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行重新測(cè)試，測(cè)試信號(hào)一般包括2 個(gè)數(shù)字輸入（Digital Input，DI）點(diǎn)，為分合閘狀態(tài)和開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)。測(cè)試時(shí)可選擇全部設(shè)備或者根據(jù)設(shè)備重要性等級(jí)進(jìn)行測(cè)試，但需要做好測(cè)試記錄。測(cè)試記錄如表1 所示。

表1 設(shè)備輸入輸出信號(hào)測(cè)試記錄表

2.3 優(yōu)先脫扣功能測(cè)試

海上油田正常生產(chǎn)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制要求包括在電網(wǎng)故障情況下（電網(wǎng)解列或退出機(jī)組運(yùn)行），保證平臺(tái)重要負(fù)荷的供電[3]。優(yōu)先脫扣功能為PMS的重要組成部分。它的選擇性、靈敏性、可靠性、速動(dòng)性這4 個(gè)指標(biāo)是評(píng)判PMS 特性的關(guān)鍵指標(biāo)。在油田正常生產(chǎn)時(shí)測(cè)試PMS 功能，也是從這4 個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。PMS 的智能優(yōu)先脫扣Case 邏輯設(shè)置是否合理，將直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性[4]。海上石油平臺(tái)的電網(wǎng)不管為孤島模式還是聯(lián)網(wǎng)模式，PMS 觸發(fā)的Case 種類(lèi)一般與發(fā)電機(jī)機(jī)組數(shù)量、母線接線方式、變壓器、容量等相關(guān)，導(dǎo)致不同海上平臺(tái)PMS 的優(yōu)先脫扣種類(lèi)不一致。而此海上平臺(tái)的電網(wǎng)為孤島模式，根據(jù)實(shí)際情況將Case 種類(lèi)分為3 種，包括發(fā)電機(jī)過(guò)載（OverLoad）、單臺(tái)發(fā)電機(jī)跳閘（Case1）、2 臺(tái)發(fā)電機(jī)跳閘（Case2）。

2.3.1 OverLoad 在線運(yùn)行機(jī)組過(guò)載功能測(cè)試

（1）實(shí)時(shí)機(jī)組帶載率＞卸載設(shè)定比例，觸發(fā)自動(dòng)卸載，達(dá)到延時(shí)設(shè)定卸載時(shí)間，OverLoad 觸發(fā)，發(fā)生卸載動(dòng)作并報(bào)警。如果目前機(jī)組實(shí)際帶載率較小，調(diào)整機(jī)組的額定值（可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷情況調(diào)整），計(jì)算實(shí)時(shí)機(jī)組帶載率和超過(guò)卸載值。卸載級(jí)別應(yīng)不超過(guò)自動(dòng)卸載設(shè)定級(jí)別。

（2）實(shí)時(shí)機(jī)組帶載率＞卸載設(shè)定比例，觸發(fā)手動(dòng)級(jí)別卸載按鈕，OverLoad 觸發(fā)，發(fā)生卸載動(dòng)作并報(bào)警。手動(dòng)卸載時(shí)，自動(dòng)卸載功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。機(jī)組過(guò)載后，需要點(diǎn)擊HMI 的1 ～10 級(jí)卸載按鈕方能觸發(fā)卸載動(dòng)作；計(jì)算實(shí)時(shí)機(jī)組帶載率和超過(guò)卸載值。

（3）實(shí)時(shí)機(jī)組帶載率＞卸載設(shè)定比例，觸發(fā)自動(dòng)卸載，在延時(shí)設(shè)定卸載時(shí)間（8 s）內(nèi)調(diào)整實(shí)時(shí)機(jī)組帶載率不高于卸載設(shè)定比例，不發(fā)生卸載動(dòng)作。在測(cè)試OverLoad 的3 個(gè)邏輯時(shí)，需觀察并記錄卸載設(shè)備是否合理，PLC 運(yùn)算邏輯是否正確。

2.3.2 單臺(tái)機(jī)組跳閘（Case1）功能測(cè)試

在測(cè)試前，應(yīng)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)量進(jìn)行處理：若有2 臺(tái)或以上機(jī)組運(yùn)行，可直接進(jìn)行測(cè)試；若只有1臺(tái)機(jī)組在線，在PLC 機(jī)柜內(nèi)將1 臺(tái)備用機(jī)組的合閘狀態(tài)和工作位置利用短接線在端子上進(jìn)行短接。

熱備計(jì)算≥0，電網(wǎng)熱備值計(jì)算公式為熱備用=總最大出力-跳閘發(fā)電機(jī)最大出力-總負(fù)載-修正變量。任意1 臺(tái)在線運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行分閘動(dòng)作，Case1觸發(fā)，只有PMS 采集到運(yùn)行信號(hào)的設(shè)備參與到Case卸載的邏輯運(yùn)算；在PMS 控制柜內(nèi)將合閘狀態(tài)保險(xiǎn)端子拔出，此時(shí)PMS 判斷為實(shí)際的機(jī)組跳閘信號(hào)，Case1 觸發(fā)并報(bào)警。對(duì)Case 觸發(fā)后的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括有功功率、卸載級(jí)別、使能情況、卸載累計(jì)值以及卸載狀態(tài)。

（2）熱備計(jì)算＜0，任意1 臺(tái)在線運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行分閘動(dòng)作，Case1觸發(fā)，且對(duì)標(biāo)記級(jí)別設(shè)備進(jìn)行卸載，可卸載設(shè)備出現(xiàn)動(dòng)作失敗報(bào)警。當(dāng)海上平臺(tái)電力系統(tǒng)運(yùn)行工況負(fù)荷較低，Case 測(cè)試時(shí)，可將Case1 的修正值暫時(shí)調(diào)整到熱備值小于0，更改此修正值可直接在PMS 的上位機(jī)人機(jī)界面上進(jìn)行操作。

（3）不論熱備計(jì)算值大小，分別對(duì)在線運(yùn)行機(jī)組的工作位置進(jìn)行改變，Case1 不觸發(fā)，但熱備計(jì)算值發(fā)生變化。即在PMS 控制柜內(nèi)將工作位置保險(xiǎn)端子拔出，此時(shí)PMS 判斷為機(jī)組工作位置信號(hào)丟失，Case 的熱備計(jì)算發(fā)生改變，Case 不觸發(fā)。

2.3.3 2 臺(tái)機(jī)組跳閘（Case2）功能測(cè)試

（1）熱備計(jì)算≥0，任意2 臺(tái)在線運(yùn)行機(jī)組2 s內(nèi)進(jìn)行分閘動(dòng)作，Case1 和Case2 觸發(fā)，但不發(fā)生設(shè)備卸載動(dòng)作。2 s內(nèi)對(duì)在運(yùn)行的2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行分閘動(dòng)作，實(shí)際在PMS 控制柜內(nèi)將合閘狀態(tài)保險(xiǎn)端子拔出，此時(shí)PMS 判斷為實(shí)際的機(jī)組跳機(jī)信號(hào)，進(jìn)行Case 觸發(fā)。

（2）熱備計(jì)算＜0，任意2 臺(tái)在線運(yùn)行機(jī)組2 s內(nèi)進(jìn)行分閘動(dòng)作，Case1 和Case2 觸發(fā)，且對(duì)標(biāo)記級(jí)別設(shè)備進(jìn)行卸載，可卸載設(shè)備出現(xiàn)動(dòng)作失敗報(bào)警。

（3）不論熱備計(jì)算，分別對(duì)在線運(yùn)行機(jī)組的工作位置進(jìn)行改變，Case1 和Case2 不觸發(fā)，但熱備計(jì)算值發(fā)生變化。

3 測(cè)試結(jié)果

在油田正常生產(chǎn)的2 天時(shí)間里，完成了PMS 的漏洞修復(fù)和所有邏輯測(cè)試。在邏輯測(cè)試時(shí)，因?yàn)樘崆鞍纬隽怂械腄O 卡件，所以未導(dǎo)致任何實(shí)際邏輯輸出。同時(shí)對(duì)優(yōu)先脫扣程序邏輯進(jìn)行了詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致觸發(fā)優(yōu)先脫扣邏輯誤觸發(fā)的直接原因，即發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)在工作位狀態(tài)且分閘時(shí)觸發(fā)單臺(tái)機(jī)組跳閘脈沖指令，由于標(biāo)簽使用錯(cuò)誤，導(dǎo)致任意一臺(tái)開(kāi)關(guān)柜在分閘狀態(tài)情況下，B 機(jī)出口開(kāi)關(guān)到工作位置時(shí)都會(huì)觸發(fā)以上邏輯。其他邏輯測(cè)試的結(jié)果與正常生產(chǎn)的邏輯一致，這樣在回裝PLC 機(jī)柜DO 卡件并恢復(fù)PMS的正常功能后，才能對(duì)海上石油平臺(tái)的電網(wǎng)進(jìn)行有效保護(hù)，進(jìn)而在電網(wǎng)發(fā)生意外情況時(shí)，最大限度地降低對(duì)海上石油平臺(tái)生產(chǎn)和生活的影響[5]。

4 結(jié) 論

PMS 是優(yōu)越于一般優(yōu)先脫扣系統(tǒng)的電站管理系統(tǒng)，具有可靠性、開(kāi)放性、安全性、實(shí)用性及靈活性等優(yōu)點(diǎn)。PMS 的穩(wěn)定可靠對(duì)海上石油平臺(tái)電網(wǎng)的安全至關(guān)重要，會(huì)影響油田的安全生產(chǎn)。海上石油平臺(tái)在項(xiàng)目系統(tǒng)驗(yàn)收階段需對(duì)PMS 的邏輯功能做好完整性測(cè)試，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目做好功能驗(yàn)收。在海上油田正常生產(chǎn)期間，當(dāng)PMS 邏輯出現(xiàn)異常時(shí)，PMS 也可以進(jìn)行相應(yīng)的功能和邏輯測(cè)試，但必須做好作業(yè)計(jì)劃、輸出隔離、應(yīng)急預(yù)案等，以免造成油田生產(chǎn)異常關(guān)停。