长距离水下生产复合电液控制系统电力分析与设计*

胡意茹 魏 澈 李 强 刘国锋 张 昊 洪 毅

(中海油研究总院 北京 100028)

长距离水下生产复合电液控制系统电力分析与设计*

胡意茹 魏 澈 李 强 刘国锋 张 昊 洪 毅

(中海油研究总院 北京 100028)

随着回接距离增加，水下生产控制系统面临着低压长距离输电的新挑战。根据二端口网络和均匀传输线理论，建立了基于Matlab/Simulink的长距离水下生产复合电液控制系统单相交流和直流电力仿真模型。通过与文昌9-2/9-3/10-3项目电力分析报告和倒推法计算结果对比，验证了本文模型的正确性，弥补了SimulationX水下电力库只能进行单相交流仿真的缺陷。应用本文仿真模型得到了单相交流和直流2种不同供电方式下的建议设计方案，对比了单相交流和直流2种供电方式的优缺点及适用范围。本文所形成的水下生产控制系统电力分析建模方法和设计流程，对我国后续类似工程项目具有一定的借鉴意义。

长距离水下生产复合电液控制系统；电力分析；二端口网络；均匀传输线理论；电力仿真模型；供电方案设计

在深水油气田的勘探开发中，水下生产系统承担着油气的产出、处理和输送等多种功能。水下控制系统是保证水下生产系统协调运行的中枢，它可控地将油气从海底输送到水面依托设备或陆上终端，是实现水下生产系统和水面设施沟通的桥梁[1]。水下生产控制系统一般分为直接液压控制、先导液压控制、顺序液压控制、直接电液控制、复合电液控制和全电控制等几种类型[2-3]。目前国内外仅有少数学者针对水下控制系统电力分析设计展开研究。文献[4-5]采用倒推计算法，将海缆假设为纯电阻，从末端负载电压往前推算合适的供电电压和功率。文献[6]通过建立π型等值电路模型进行水下生产控制系统供电电压降落分析和方案设计。随着我国油气勘探开发向着深海、远海的战略转移，水下生产系统回接距离显著增加，有必要考虑长距离海缆充电功率的影响，进行更加精准的动态电力分析仿真。此外，目前尚无针对水下生产控制系统交流、直流2种供电方式各自优缺点和适用范围的全面深入研究，水下控制系统交直流供电方案选择时缺乏强有力的理论支撑。针对上述情况，本文建立了基于 Matlab/Simulink的长距离水下生产复合电液控制系统单相交流和直流电力仿真模型，通过与文昌9-2/9-3/10-3项目电力分析报告和倒推法计算结果对比，对模型正确性进行了验证，应用本文仿真模型得到了单相交流和直流2种不同供电方式下的建议设计方案，并对比分析了2种供电方式的优缺点及适用范围，从而为我国后续水下生产项目电力分析提供了借鉴经验。

1 复合电液控制系统电力分配

复合电液控制系统主要由水上设施和水下设施组成，其中水上设施包括主控站(MCS)、不间断电源(UPS)、液压动力单元(HPU)、电力单元(EPU)、水上脐带缆终端(TUTA)，水下设施包括脐带缆、水下脐带缆终端(SUTU)、管汇(Manifold)、水下控制模块(SCM)、电力飞线(EFL)和液压飞线(HFL)等[7-8]。

本文提出的典型长距离复合电液控制系统电力分配如图1所示，图中主脐带缆长度75 km,是本文为方便研究长距离水下控制系统而自行设定的。其中，水面上的UPS可以同时为MCS、EPU和HPU供电；EPU通过控制脐带缆中的电缆和SUTU为水下控制系统供电。位于采油树(XTree)上SCM中的水下电子模块(SEM)经EFL接收来自上部的电力，并将其转换成符合不同电气设备(电磁换向阀、传感器等)要求的电力形式，从而保证水下生产控制系统的电力供应和正常运行。由此可见，SEM是复合电液控制系统的主要电力负荷。Cameron公司采用的交流和直流SEM的电力参数如表1所示。

图1 本文建立的典型长距离复合电液控制系统电力分配示意图

表1 Cameron公司采用的交流和直流SEM电力参数表

注：重载工况、轻载工况分别为SEM中的调制解调器处于信号发送状态和信号接收状态。

2 复合电液控制系统电力仿真模型的建立

2.1 系统等效电力模型

水下生产控制系统电力分析时，重点关注EPU和SEM处电压、电流之间的关系，表征这种相互关系的参数取决于水下生产系统的拓扑结构、供电形式和电缆类型等。针对水下电力系统电路特点，本文采用如图2所示的二端口网络法[9]进行分析建模。

图2 复合电液控制系统等效二端口网络

图2中给出了端口1-1’和2-2’处的电流、电压向量参考方向，二者之间的相互关系可以写成式(1)所示的矩阵形式，即

(1)

(2)

其中，参数A、B、C、D可按式(3)～(6)计算或试验测量求得。

(3)

(4)

(5)

(6)

本文研究的水下生产控制电力系统中，T矩阵代表输电线路(即控制脐带缆中的电缆)，其二端口模型典型的传输线是由在均匀媒质中放置的2根平行直导体构成。按照均匀传输线理论，可将输电线路看成由无数个长度为dx的小段组成，若单位长度导线的电阻及电感分别为R0(单位：Ω/km)和L0(单位：H/km)，单位长度导线之间的电容及电导分别为C0(单位：F/km)和G0(单位：S/km)，则输电线路等效电路如图3所示，此时输电线路二端口T参数矩阵方程可表示为

图3 基于均匀传输线理论的输电线路等效电路

(7)

式(7)中：x为输电线路长度，m；γ为传播常数;Zc为特性阻抗。γ和Zc称为传输线路的副参数，可用于表征均匀传输线的主要特性。式(7)中双曲函数定义为

(8)

(9)

传播常数γ是一个复数，其中实部α称为衰减常数(单位:dB/m)，表示入射波和反射波沿线的衰减特性；虚部β称为相位常数(单位:rad/m),表示入射波和反射波沿线的相位变化特性。若已知输电线路的原参数R0、L0、C0和G0值，就可根据式(10)、(11)求得其传播常数γ和特性阻抗Zc。

(10)

(11)

输电线路的原参数R0、L0、C0和G0值通常由电缆厂家提供。Cameron公司提供的常用水下脐带缆电缆参数如表2所示，其中电导G0由于数值非常小(为10-9S/m)，在实际运算过程中往往忽略不计。

表2 Cameron公司提供的不同截面积的控制脐带缆电缆特征参数表

2.2 系统模型搭建方法

在上述理论分析基础上，采用Matlab/Simulink R2013a中SimPowerSystems库搭建水下电力系统模型，具体方法如下：

1) EPU采用正弦交流电压源表示，内阻设为2Ω；

2) 采用PI型等效电路模块表征脐带缆电缆的电气特性，忽略短距离EFL对电力系统的影响；

3) 采用受控电流源表示SEM，通过调节该受控电流源的输出电流，使SEM功率和功率因数始终为表1中规定值；

4) 在初始0.2s时间段内增加20%功率需求，模拟每台SEM的开启工况。

电力系统设计通常是在极端工况下进行分析计算，以保证各种工况的用电需求都能得到满足。本文建立的水下生产复合电液控制系统采用“轮询”方式实现水上水下通信，其极端用电工况为一台SEM处于信号发送状态(重载工况)，其余SEM均处于信号接收状态(轻载工况)。

2.3 系统模型正确性验证

2.3.1 交流模型正确性验证

文昌9-2/9-3/10-3项目中，主脐带缆长23 km,电缆横截面积16 mm2,EPU输出电压为单相交流673 V。将本文所建立的模型应用于文昌项目，其分析结果与SimulationX水下电力库计算结果对比如表3所示，二者之间的误差在可接受范围内，证明了本文所建立的交流模型的正确性。

表3 本文模型分析结果与Simulation X水下电力库结果对比

2.3.2 直流模型正确性验证

文献[4-5]采用倒推法从末端SEM电压往前推算首端EPU电压,计算时假设水下电缆和SEM均为纯阻性，不考虑电缆之间电感、电容对分析结果的影响。该方法虽然对长距离交流电力分析不够精确，但适用于不受电容影响的直流电力分析，其计算公式为

(12)

式(12)中:Vm为前一节点电压，V;Vn为后一节点电压，V;Pn为后一节点功率，W;Lmn为两节点间距离，km;R0为电缆单位长度电阻，Ω/km。

针对图1所示的水下生产系统拓扑结构，采用表1中直流SEM电力参数及表2中16mm2电缆电阻值，根据上述倒推法求得极端工况下EPU输出电压、电流。本文所建立的直流模型分析结果与倒推法计算结果对比如表4所示，二者之间的误差在可接受范围内，证明了本文所建立的直流模型的正确性。

表4 本文模型与倒推法分析结果对比

3 交直流供电方案对比分析

水下生产复合电液控制系统电力分析设计主要是针对已有的水下生产系统拓扑结构，在控制系统电力负荷计算基础上，选择供电方式(交流还是直流)，并确定合适的电缆尺寸以及相应的EPU额定电压、额定电流和额定容量等关键参数，因此所设计的电力系统应满足如下操作限制条件：

1) SEM输入电压应在表1所示的正常工作电压窗内;

2) 脐带缆上压降不应超过EPU供电电压的30%;

3) EPU输出电压波动不应超过其额定电压的±10%。

3.1 单相交流供电方案

采用表1、2提供的数据，应用本文仿真模型得到的单相交流供电方式下EPU输出电压与SEM输入电压的关系曲线如图4所示。从图4可以看出：

1) 当采用20 mm2电缆时，为使SEM工作在额定输入电压等级(575 V，AC)，得到的EPU额定输出电压(AC)为744 V。由于EPU输出电压波动(±10%)导致的SEM输入电压(AC)波动范围为470～673 V，满足表1中规定的SEM交流正常工作电压窗。但当EPU工作在输出电压(AC)下限670 V(额定电压-10%)时，脐带缆压降增大至29.85%，工作在限制条件的极限状态。

图4 应用本文仿真模型得到的单相交流供电方式下EPU-SEM电压关系曲线图

2) 当采用25 mm2电缆时，为使SEM工作在额定输入电压等级(575 V,AC)，得到的EPU额定输出电压(AC)为694 V。由于EPU输出电压波动(±10%)产生的SEM输入电压(AC)波动范围为486～661 V，满足表1中规定的SEM交流正常工作电压窗。同时，当EPU工作在输出电压(AC)下限625 V(额定电压-10%)时，脐带缆压降最大为22.24%，满足限制条件要求。

根据上述分析，在单相交流供电方式下，从脐带缆压降限制条件角度考虑，建议至少采用25 mm2电缆，此时EPU额定电压(AC)为694 V，额定电流(AC)为2.4 A，额定容量(AC)为1 661 W,功率因数为0.59。图5给出了该建议方案下关键参数动态变化曲线(注意前0.2 s内增加了20%功率需求，以模拟每台SEM的开启工况)，可见启动电流比稳态电流显著增大，因此对电缆载流量的选型应参考该启动电流值，而非稳态值。

3.2 直流供电方案

采用表1、2提供的数据，应用本文仿真模型得到直流供电方式下EPU输出电压与SEM输入电压的关系曲线如图6所示。从图6可以看出：

1) 当采用16 mm2电缆时，为使SEM工作在额定输入电压等级(827 V,DC)，得到的EPU额定输出电压(DC)为1 010 V。由于EPU输出电压波动(±10%)产生的SEM输入电压(DC)波动范围为690～952 V，满足表1中规定的SEM直流正常工作电压窗。当EPU工作在输出电压(DC)下限909 V(额定电压-10%)时，脐带缆最大压降为24.09%，满足限制条件要求。

图5 应用本文仿真模型得到的EPU输出功率、电压、电流及SEM输入电压曲线(25 mm2电缆,AC供电方式)

图6 应用本文仿真模型得到的直流供电方式下EPU-SEM电压关系曲线图

2) 当采用20 mm2电缆时，为使SEM工作在额定输入电压等级(827 V,DC)，得到的EPU额定输出电压(DC)为983 V。由于EPU输出电压波动(±10%)产生的SEM输入电压(DC)波动范围为701～944 V，满足表1中规定的SEM直流正常工作电压窗。同时，当EPU工作在输出电压(DC)下限885 V(额定电压-10%)时，脐带缆最大压降为20.79%，满足限制条件要求。

根据上述分析，在直流供电方式下，16 mm2和20 mm2电缆均能满足要求，但从经济性角度考虑，建议至少采用16 mm2电缆，此时EPU额定电压(DC)为1 010 V，额定电流(DC)为1.03 A，额定容量为1 038 W。图7给出了该建议方案下关键参数动态变化曲线(注意前0.2 s内增加了20%功率需求，以模拟每台SEM的开启工况)，可见启动电流比稳态电流显著增大，因此对电缆载流量的选型应参考该启动电流值，而非稳态值。

图7 应用本文仿真模型得到的EPU输出功率、电压、电流及SEM输入电压曲线(16 mm2电缆，DC供电方式)

3.3 交直流供电方案对比

根据前述分析，应用本文仿真模型得到的单相交流和直流2种供电方式下建议方案的关键设计参数对比如表5所示。由表5可知，直流供电所需电缆尺寸比交流供电小，所需脐带缆费用更低。另一方面，由于直流SEM额定工作电压(827 V,DC)高于交流SEM额定工作电压(575 V,AC)，故EPU直流供电电压也相应地高于交流供电电压，从而导致较低的直流EPU额定电流和脐带缆压降。

表5 应用本文仿真模型得到的单相交流和直流供电建议方案的关键设计参数对比

针对相同尺寸电缆(20 mm2)，保证SEM工作在额定电压等级的前提下，改变脐带缆长度，对比单相交流和直流2种供电方式下系统在脐带缆压降和传输效率方面的差异(图8)。由图8可以看出：①单相交流和直流2种供电方式下的脐带缆压降均随着脐带缆长度的增加而增加，相同脐带缆长度下直流供电的脐带缆压降始终小于单相交流供电的脐带缆压降。②单相交流和直流2种供电方式下的电力传输效率均随着脐带缆长度的增加而降低，相同脐带缆长度下直流供电的传输效率始终高于单相交流供电的传输效率，且这种优势随着脐带缆长度增大而显著增加，这主要是由于海底电缆本身具有较高的电容值，单相交流供电方式下会产生无功充电功率，交流输电系统功率因数往往也较低。

图8 应用本文仿真模型得到的单相交流和直流供电方式下脐带缆压降和电力传输效率对比图

由此可见，与交流供电方案相比，该水下生产控制系统采用直流供电方案具有脐带缆压降低、电力传输效率高等优点，而且输电距离越长，直流输电的优越性越明显。但是，当回接距离较短时，建议水下生产控制系统仍采用交流供电方案，以避免配置换流器等环节。

4 结束语

采用二端口网络和均匀传输线理论，建立了基于Matlab/Simulink的长距离水下生产复合电液控制系统单相交流和直流电力仿真模型，通过与文昌9-2/9-3/10-3项目电力分析报告和倒推法对比验证了本文模型的正确性，给出了单相交流和直流2种不同供电方式下的建议设计方案，并对比分析了2种不同供电方式的优缺点及适用范围。本文所形成的水下生产控制系统电力分析方法和设计流程，对我国后续类似水下生产项目电力分析具有一定的借鉴意义。

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(编辑：吕欢欢)

Electrical analysis and design of long-distance subsea production electro-hydraulic control systems

Hu Yiru Wei Che Li Qiang Liu Guofeng Zhang Hao Hong Yi

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

As the tieback distance gets longer, subsea production control system is facing the new challenge of low-voltage power transmission over long distance. Based on the two-port network and uniform transmission line theory, a dynamic simulation model for both single-phase AC and DC electricity of subsea electro-hydraulic control systems were developed using Matlab/Simulink. The correctness of the proposed model has been verified by comparing the results of the model with that of existing WC 9-2/9-3/10-3 electrical analysis report and traditional reverse deduction method, thus making up the defect of SimulationX’s subsea electrical library which can only be used to conduct AC electrical analysis. Schemes for single phase AC and DC power supply have been proposed, and the pros and cons, as well as the scope of application of the two power supply modes have been illustrated. The systematic electrical modeling approach and design procedures for subsea production control systems established herein have essential reference significance for upcoming similar projects.

long distance subsea electro-hydraulic control system; electrical analysis; two-port network; uniform transmission line theory; electrical simulation model; power supply mode design

胡意茹，女，2014年毕业于中国石油大学(北京),获硕士学位，现从事海洋石油平台电气设计工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院(邮编：100028)。E-mail:huyr3@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)01-0139-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.022

TE952

A

2015-05-21 改回日期：2015-08-20

*国家高新技术研究发展计划(863计划)“油田群智能配网综合集成与示范(编号：2012AA050216)”、“十二五”国家科技重大专项 “水下控制系统与水下阀门及执行机构关键技术(编号：2011ZX05026-003-01)”部分研究成果。

胡意茹,魏澈,李强，等.长距离水下生产复合电液控制系统电力分析与设计[J].中国海上油气，2016,28(1)：139-145.

Hu Yiru,Wei Che,Li Qiang,et al.Electrical analysis and design of long-distance subsea production electro-hydraulic control systems[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):139-145.