基于ETAP软件的自升式生活平台初步设计

张书忠

(上海宏华海洋油气装备有限公司工程设计部，上海 201206)

基于ETAP软件的自升式生活平台初步设计

张书忠

(上海宏华海洋油气装备有限公司工程设计部，上海 201206)

给出了用ETAP软件规划海洋自升式平台电网的计算分析知识点。探讨计算分析结果内容的理解，对电网规划的经济性和实用性进行反思，并给出建设性意见。

自升式生活平台 初步设计 ETAP软件 短路电流 潮流分析

0 引言

本文涉及的自升式生活平台是基于我国南海海域现状，吸收目前国内自升式钻井平台，半潜式钻井平台的某些特点和优点，以及国外近海导管架式海洋观测平台，综合考虑设计的新型多功能生活平台。本平台可以作为近海各种服务补给装备，具有船舶短时停靠、油水供应、人员生活、货物存放、直升机起降和存放、气象预报、卫星通信、声纳、平台状况远程监控、自身防御等功能。该系统不同于钻井平台，不涉及石油平台的生产性工艺设备，而根据应用的可能性，大幅度增加了平台的内外服务设备。

ETAP软件是美国OTI公司开发的优秀电力电气系统分析软件，包括一些海洋工程企业在内的国内外许多企业均有应用。该软件具有功能齐全，操作简单，不易出错，修改建模容易、直观等特点；具有大幅度缩短设计分析时间，加快数据结果与分析结论的获取，迅速为后续设计工作奠定基础，提高功效的优点。作者在自升式生活平台项目中，运用ETAP软件完成对电网的短路电流，潮流，大型电动机起动，谐波，变压器容量估计，主干电缆选择校验等工作，取得良好效果。下文仅以短路电流，潮流为例结合项目工作体会予以阐述。

1 计算分析基础

ETAP软件进行电力系统分析需要建模，即对电源、网络、负荷进行建模；一般情况下无须任何编程，完全图形化完成。建模所需要的各种电气元器件全部采用IEC或IEEE（ANSI）标准，软件本身提供了部分常见元器件数据库。建模过程中需要对设备设置大量技术参数，这些参数有些很容易获得，有的则需要向产品设备制造商索要，有的则即使产品制造商也不易确定。设备参数对各种不同目的的计算结果都有不同的影响，所以在建模设置设备参数时应遵循“最大化”原则，就是尽可能的结合有关技术标准文件和实际设备参数去设置，无法获取的则取用软件本身提供的典型参数。本自升式生活平台电网建模具体情况是：全网IEC标准；发电机和电动机等设备参数由轮机和其它相关机械设备专业提供，电仪通设备则是本专业根据相关设计要求和目标而不断设计和修改确定；其它则用软件本身提供的典型参数值。

在本专业与轮机，舾装等专业技术人员协商确定情况下，依据全船负荷分析所确定工况作为计算工况；相关仪表和通讯设备遵循冗余和强制性标准要求配置。

所建平台电网拓扑结构如图1（其中较为详细的说明内容有些是笔者后来加上去和做过调整，这些标记与后文引用的过程计算表格内容不完全一一对应；最终计算分析后所确定的电网与该拓扑结构非常接近，从略）

表1

在电网模型拓扑结构，设备参数输入调整，设备运行工况确定这“三步曲”完成后，接下来的工作就是有关计算。

2 系统短路电流计算分析

短路电流计算是正确设计船舶电力系统，选择合适的保护开关和确定分析开关动作值，实现选择性保护的基础[1]工作。短路电流计算的方法也有多种，文献[2,3]都做了较为详细的阐述。船舶、海洋平台电网属于孤岛微网，在计算时选用IEC61363-1。表1给出部分主汇流排部分计算结果。

图1

从表1可以看出，对于同一段故障母线处其它条件不变的情况下，因超暂态电抗减小而有了较大增加；换言之，发电机的这个参数直接影响到电网主要母线的短路电流，亦即对母线的电动力效应有较大的影响。而母线的动稳性不但对配电板系统安全可靠性运行起着重要不可忽视的作用，同时也影响到每一配电板几何安装参数，进而对配单板安装外形尺寸产生影响。而安全可靠性的要求则导致母线配置多少的差异，进而影响到造价和设备重量。

表2是其它有关条件不变的情况下，改变发电机的额定工作电压和主要负载的额定工作电压条件下，各部分母线短路电流情况。

表2

从表2看出，电网电压等级下降后主母线短路电流均增大，而电压等级调整的母线短路电流值变化不是很大。笔者经过多种工况下两种电压等级的计算，并依据计算数据对有关厂家的断路器进行相关选择比较分析知，所用断路器系列级差基本提高一档，功能参数也大多提高一档。这样变化的结果总体上导致配电板价格上升；而不提高电网电压的情况下，有时某些电气支路选用厂家器件较为困难现象，也就是出现大多数厂家不能提供合适产品的情形。但电流参数的提高则导致系统安全可靠性下降，配电板内部器件安装拥挤，基于安全的考虑外形尺寸需要加大，还要采取一些安全措施，这样盘柜外形和重量势必增加。经过多次模拟分析结果表明，总的说来提高电网电压是有利于现有厂家电气件的选择，盘柜尺寸，重量变化不是很严重。但是变压器设备的重量，安装尺寸，以及变压器本身的冷却处理等要求得到提高。

以上这些在文献[1,4]都谈到过。但据笔者对国内一些企业的技术人员调查，结果并不理想：大多数人都知道短路电流计算结果主要供有关设备的动稳和热稳性校核，但除了功能参数选择外，因功能参数的变化导致前文所涉及电气零部件本身的几何、重量等内容变化，盘柜内部安装电气零部件的安全可靠性要求，以及系统经济性（不同厂家内部电气部件配置安装设计的差异有时导致盘柜价格上较大的差异）等很少考虑甚至不考虑，单纯认为这是一个商务问题而缺乏综合评估思想。笔者认为这是错误的，在市场经济条件下，节能越发重要情况下，“绿色”海洋工程的大环境下，笔者认为技术人员应该加强对计算后的参数化结论所隐含的其它思想要有充分的认识和洞察，并能综合运用。

3 潮流分析

通过对电网在不同条件下的潮流分析可以让技术人员充分了解发电机组配置载荷是否满足使用要求；不同条件下运行的发电机机组是否过载；其它设备如变压器，电缆等等主要技术参数是否合适；各配电板负载平衡情况；各主要设备功率损耗，电压下降，系统不同回路有功无功分配情况等等。根据这些及时把握了解电网和设备的状况，进一步细化设计工作和优化设备分配及其参数确定等工作，潮流分析对从宏观上把握整个平台电网系统性能及经济性也具有很大的参考价值。

本自升式生活平台电网潮流计算所采用模型为前述拓扑结构形式的电网，大多数参数在进行短路电流分析时已经输入；但部分参数，如电缆长度，截面积，根数等，需要手工初步计算确定；考虑到在初步设计阶段，大量机械设备电机参数不明，如功率，根据规范原则我们采用等效处理。等效负载主要包括恒容量负荷和恒阻抗负荷，前者等效有关电机，后者等效有关电阻性负载。在初步设计阶段，部分电阻性负载如加热装置不易精确确定，但功率份额即使到整个项目完成后所占也不是很大，故在初步设计阶段不作过多的区分，两种类型的等效负荷一律统一为一种等效负荷，但适当调整负荷类型比例关系以达到区分两种类型负载的目的。

参照常见的自升式钻井平台和一般近海岸船舶常见的工况，计算采用 “拖航”，“升降定位”，“对外服务”，“应急”等几种类型工况。不同工况设备的投入运行只需要切换模型中的断路器开关设备以及负荷运行状态设定（COLSE/OPEN）即可实现，非常便捷。

因为完整计算报告内容非常多，这里将部分结果以表格的形式“对比”给出，只给出拖航和起升工作状态的情况。

表3中颜色填充部分表示结果不在许可范围内，出现低压非严重计算报警状态。出现这种情况的原因一般是负载有功、无功分配不当，负载过多过大。为了避免这种状况的，必须要对与该母线相连的设备参数重新核定设置和对负载调整，必要时要对同级母线进行重新分段配载。当该段母线的上级变压器配置参数设置不当也会出现类似结果情况时，需要调整变压器主参数和分接头。

表3

表4

表4给出了经由电缆或变压器各支路的部分（省略部分类似）潮流结果。据该表，可以看出系统中通过电缆连接的支路在设备投入运行时潮流分布正常；所选择的电缆也是达到运行要求的。（表中结果为0和结果为空表示在工况设备运行情况时，该支路未接入设备和虽然接入设备但未投入实际运行）。

经过在几种不同运行工况条件下计算，结果显示部分设备在运行时出现负荷率超过100% ，即出现微过载情况。一般来说，主要原因在于系统模型本身，大量设备负荷采用了等效处理的办法，等效统计结果本身存在误差，潜在的等效处理设备的随机性会带来统计结果上的偏差——等效处理时同一母线或主干回路上的设备恒容量负荷和恒阻抗负荷的比例分配关系及其设备的功率因数值上存在问题；有时电缆选用不合适也会出现这种情况。鉴于这些，笔者多次有针对性的调整相关设备负载参数，调整变压器分接头；根据设计实际调整电缆的长度，截面积；对母线或主干回路之间进行调载等措施最终使问题得以解决。此外要说明的是，如果发电机出现严重过载则可能需要调整发电机本身的技术参数，如额定功率，电压等；笔者在整个项目的分析过程中也的确遇到过这种情况并最终得以解决。

通过本项目的潮流分析，在初步设计阶段，笔者优化和确定了发电机，变压器，母线及主要电缆技术参数；也为发电机组的自控控制和全电网运行提供了相关科学依据。

4 利用计算软件分析计算参数输入注意事项

潮流和短路计算所需参数可以参见文献[5]，或者通过ETAP软件手册，可以知道两种不同目的的计算所需要的参数有很大一部分是都需要的，这些参数也是影响最终结果的因素。所以，类似前文所述，建模输入参数尽量用设备制造商提供的或类似设计项目的设备数据为参考，无法获取的则尽量用软件本身所提供的典型值，这些典型值当然也都是软件开发商根据实际经验并结合理论所给出的；通过这些选择，尽最大限度减少不合实际的影响因素，减少和避免计算结果出现过大偏差甚至错误，提高电网设计的科学化和合理化。

ETAP软件提供的潮流计算方法是牛顿-拉夫逊法，快速解耦法，加速高斯-赛德尔法。算法本身都需要进行迭代处理，进行电网的潮流计算分析有时会遇上计算时间长而没有计算结果的程序“假死”现象，一般主要是计算所选用的方法有问题和计算步长，迭代次数不够所致；出现该情形时需要重新选择算法和设置计算步长。当节点类型不设置或设置不当，也会导致程序不能正常运行。为此，设置“平衡节点”类型是必须的。据电网潮流分析理论，计算需要一个电源点，此节点电压幅值和相角已知，是其它节点电压计算的参考点，待求的是该节点的有功和无功，即所谓平衡节点；此外就是所谓的PQ节点，PV节点。在这三个节点类型中，对自升式生活平台这种微电网，在迭代运算过程中存在PV到PQ的转化，所以具体节点的PV、PQ类型不加更详细的区分设置，对计算过程和计算结果影响不大，只设置平衡节点即可。

最后要指出的是，利用ETAP软件进行短路电流计算峰值用到抗阻比X/R计算方法的选择问题。ETAP软件提供了三种ABC三种方法，这三种不同方法存在差异，对于船舶类电网，我们一般选用第三种，即C法。关于三类法更详细的理论分析有兴趣者可以查阅IEC60909标准。

5 结论

运用ETAP电力电气分析软件，对自升式生活平台电网进行短路电流、潮流以及其它计算分析完成了平台电网基本规划和主要设备技术参数的确定，为进一步细化设计奠定了基础。

利用ETAP软件进行不同计算分析时要求输入参数比较多，容易发生疏漏和错误，并对最终计算结果产生较大影响，也影响到对电网性能的判别，在进行计算分析时必须注意，不能认为利用软件计算就可以一劳永逸；而微电网的计算分析要想达到较为客观的结果需要工作人员对设备参数和运转设备供电等方面需要做较多的工作，要熟悉目的并对结果所揭示的问题要进行处理。

本文所涉及的平台电网属于孤岛微网，文中内容没有考虑与其它电网并网扩展联合使用的情况，也没有考虑带推进器运行或者动力定位的情形；反之，电网的分析还需要更多的工作去做。关于海洋电网组网扩展问题，有兴趣的读者可以参看文献[6]；带推进器或动力定位系统的电网分析可以参考其它有关平台或船电相关文献及技术标准。

[1] 李海瀛. 海洋石油工程电气技术[M]. 北京∶ 石油大学出版社, 1998∶ 33.

[2] 王鹏. 船舶电力系统短路电流计算研究[J]. 船舶, 2005,(10)∶ 39-42.

[3] 兰海, 卢芳, 孟杰. 舰船电力系统[M]. 北京∶ 国防工业出版社, 2013.2.

[4] 邰能灵, 王鹏, 倪明杰. 大型船舶电力系统关键技术与应用[M]. 北京∶ 科学出版社, 2012.2.

[5] 唐春华, 戴江江, 贾云浪. 《大型石化企业电力系统建模和仿真计算—ETAP软件在石化行业中实际应用的经验交流》,《ETAP电力及电气系统综合分析计算软件·工程应用参考论文》[M]. OTI(南京)计算机有限公司, 2009.4.

[6] 周新刚, 吕应刚, 李毅, 何玉仓. 海上电力孤岛组网工程技术[M]. 北京∶ 清华大学出版社, 2013.8.

Preliminary Design of Self-elevating Living Platform Based on ETAP Software

Zhang Shuzhong
（Department of Engineering and Design, Honghua Ocean Oil Equipment Co., Ltd, Shanghai 201206, China）

In this paper, the author describes knowledge on planning grid for self-elevating livingplatform by use of ETAP software. There are some discussions about the understanding of the results for analysis on the grid and some reflections on the economy and practicality of the grid design. In addition, it gives constructive suggestions about it for grid.

self-elevating living platform, preliminary design, ETAP software, short-circuit, flow analysis

TP273

A

1003-4862（2015）08-0017-05

2015-04-21

张书忠（1972-），男，工程师。研究方向：电气及自动化系统集成设计研发。