海上平台电力系统研究综述

李雪，张安安，敬佳佳，韩浩（.西南石油大学电气信息学院，四川成都　60500；.中石油川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院，四川德阳　68000）



海上平台电力系统研究综述

李雪1，张安安1，敬佳佳2，韩浩2
（1.西南石油大学电气信息学院，四川成都610500；2.中石油川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院，四川德阳618000）

摘要：海洋工程对解决当下能源危机，合理开发海洋资源具有重要意义。海上平台电力系统作为海洋工程的电能供应保障，是海洋资源开发与利用的关键环节，其运行的安全稳定性直接影响着海上平台的顺利运行。总结了海上平台电力系统技术的研究进程，归纳了海上平台电力系统的主要结构与特点，针对海上平台电力系统面临的电源控制、电力组网、电能质量等方面的问题进行了论述，最后对海上平台电力系统未来可能的发展方向进行了展望，为海上电力系统技术的深入研究和实际工程操作提供了参考。

关键词：海上平台；海上电力系统；微电网；电源控制；电力组网；电能质量

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（No.51107107）；China Postdoctoral Science Foundation Founded Project（No.2014M562335）；Natural Science Innovation team Foundation of Sichuan Province of China（No.15TD0005）.

近年来，随着大陆架海域石油与天然气开采的不断增加，海洋资源开发和空间利用规模的不断扩大，海洋工程已成为解决当下能源危机的重要手段。其中，海洋石油与天然气的开发和利用对全球经济可持续发展起着至关重要的作用。据统计，海洋石油资源约占全球石油资源总量的34%，而探明率只占到其30%；海洋油气资源主要分布在大陆架，约占全球海洋油气资源的60%[1]。海上平台电力系统作为海上油气平台的主要动力能源，保证海上平台生产生活的顺利进行，其稳定性、安全性和经济性成为近年来研究的重点和热点。

本文首先介绍了海上平台电力系统的发展历程、主要结构和系统组成，归纳了海上平台电力系统有别于陆地油田电力系统的特点；其次详细论述了海上平台电力系统的电源控制、电能质量、电力组网等相关问题，并对这些问题进行了分析；最后本文对海上平台电力系统的发展前景进行展望。

1海上平台电力系统的发展

海上平台电力系统，也可称为海上电力系统（offshore electrical system，OES），其概念源自船舶电力系统[2]，指专为海上工程设计的，能满足海洋特殊环境的，非由岸上电源供电的电力系统[3]。其发展大致可分为3个阶段：

第一个阶段大致从20世纪60年代末到90年代初，该阶段主要着眼于电气设备对海洋这一特殊环境的适应性研究。主要进展是将船舶电力技术应用于海洋工程电力系统，成功地为海上固定/半固定工程平台进行供电[3]。与此同时，研究者也发现海洋工程平台对电力系统的要求极为严苛[4]，文献[5]对海上石油平台电气设备不同于船舶电气设备的环境条件进行了详细的调研和分析，证明海洋工程平台对电力系统的要求与传统的船舶系统有着根本的区别。文献[6]将优化方法应用到海上电力系统的设计中，以电气负载、设备重量、设备空间为变量，以投资成本、操作成本、维护周期为目标构建优化模型，初次实现了海上电力系统的优化设计。文献[7]则从海上气候对发电机和电动机的影响展开研究，给出了几种典型海洋环境条件下的发电机和电动机的运行、保护建议。

第二阶段是从20世纪90年代到21世纪初，该阶段主要聚焦于海上电力系统的本征原理，研究覆盖电气设备结构设计、系统设计、运行控制等。此时，海上平台电力系统已基本形成较为完整的体系，同时系统结构也更为复杂。海上平台电力系统已由最初的为海上石油平台单独供电或船舶单独供电，变为海上油气平台群联合供电[8]、特大型深海工程船舶的智能化供电[9]以及远岸海岛供电[10]的复杂大环网。手动电站被自动化替代，开始向集成化、无人化、系统化、多机化控制发展[11]。文献[12]从提高海上电力系统可靠性的角度，研究了海上电力系统的电能质量、负荷潮流、保护整定以及暂态稳定性等方面的问题，给出了海上电力系统的运行方式建议。文献[13]研究了微型透平燃气轮机效率与输出功率之间的关系，建立了负荷与微型透平燃气轮机功率的模型。该阶段还在理论上探索了将风、光等新型能源引入海上平台电力系统的可能性，为新能源的实际引入提供了理论依据。文献[14]探讨了爱琴海海上电力系统实行风-水混合供电的可能性，通过所建立模型优化仿真，认为该类海上电力系统可再生能源发电的渗透率可以达到85%以上；文献[15]则考虑将风能作为New England岛屿海上电力系统的主要电源，并将环境、政治等指标作为系统规划的考虑因数，研究了相应的模型设计及分析方法。

第三阶段从21世纪初至今，这一时期海上电力系统研究除了进一步探究基本原理外，最突出的特征是信息化技术的大量应用以及清洁能源的实验性引入。文献[16]将多代理技术应用到海上电力系统中，实现故障的早期告警。文献[17]分析了采用电压源变换器-高压直流传输技术（VSC-HVDC）的海上电力系统的谐波水平，提出了较为详细的传输系统的数学模型及相应谐波预测方法。近年来，随着对能源可再生性和环境清洁性的日益关注，除风能外引入到海上电力系统中清洁能源的形式也越来越多，如光伏能、潮流能、波浪能、温差能（OTEC）等[18]。文献[19]介绍了一个以光伏发电（photovoltaic，PV）为主电源，燃气轮机为辅助电源的海上电力系统实验平台（EGSAS）的设计、运行情况，认为该类混合发电模式能有效提高海上电力系统的可靠性与鲁棒性，减少有害物质排放，但海上平台有限的空间，限制了PV的容量及储能技术的采用。文献[20]探讨了采用波浪能为海上电力系统供电的可能性，提出了针对性的控制策略。与此同时各国专家就海上电力系统的结构提出了多种构想，包括多岛礁直流微电网群（多种清洁能源联合供电），采用多端直流输电，如中国舟山正在建设的五端柔性直流输电工程；离岸浮动型独立电网（核电与浮动型新能源供电），日本计划于2016年建设完成；深海水下电网（直流微电网或低频交流微电网），目前法国Flexblue公司对其进行了概念设计，等[21]。

经过多年的研究，海上平台电力系统从最初的单一网络，到现在的海上大联网；从电能只是单一的辅助能源到现在的综合电力推进动能；从原始的燃油发电到现在的新型风能、潮汐能发电；从人工操作到现在的几乎完全智能化操作。海上平台电力系统的每一次进步都为人类带来了巨大的经济和环保利益。

2海上平台电力系统的结构和特点

海上平台电力系统主要由电源、配电装置、配电电网、负载四部分组成[22]，它们按照一定的方式连接，构成一个完整的发电、输电、配电和用电网络。如图1虚线框中所示。

海上平台电力系统的负载随运行工况的变化而改变，初期主要是辅助用电和生活用电，投产后主要为钻修井模块、采油、采气、油气处理、生活用电等。

海上平台电力系统与陆地油田配电系统不同的特点如下。

图1海上平台电力系统结构Fig. 1 Power system structure of the offshore platform

2.1系统容量相对较小

陆地油田配电电力系统的容量一般在几百万千瓦，具有数十个变电站和多台不同类型的大容量发电机，而海上平台主电站一般采用几台同类型的发电机并联运行，不论单机容量还是多机容量之和相对于陆地油田配电系统都较小[23-24]。由于海上电力系统容量较小，而某些大负载的容量与单台发电机容量相比几乎相同，所以当这样的负载起动时对电网将造成很大的冲击（电压、频率跌落均很大），因而对海上平台电力系统的稳定性提出了较高的要求。另外，由于平台工况变动频繁，因此对自动控制装置的可靠性也提出了很高的要求。

2.2电网输电线路短，相互影响大

海上平台电力网络与陆地油田配电网络相比，发电机端电压、电网电压、负荷电压大多是同一个电压等级，所以输配电装置较陆上系统简单。并且由于平台容积的限制，电气设备比较集中，配电线路较短，且相对较为稳定，所以对发电机和电网的保护比结构复杂的陆上油田配电网络要相对简单，一般只设置有发电机过载及外部短路的保护，电网的保护和发电机的保护通常共用一套装置，且不设有自动重合闸装置。平台上应用变频控制的装置较多，电网谐波污染问题严重[25]。

2.3电气设备工作环境复杂且恶劣

海上电气设备工作环境比陆地恶劣得多，会对电气设备的运行性能和工作寿命造成严重的影响[4]。周围环境温度过高，会造成电机出力不足，绝缘老化加快；相对湿度过高会造成电气设备绝缘受潮、发胀、分层及变形，进而降低绝缘性能，金属部件加速腐蚀，镀层剥落；盐雾、霉菌、油雾及灰尘粘结都能使电气设备绝缘下降、工作性能受到影响；而当平台和船舶受到严重的冲击和振动时，也会造成电气设备损坏、接触不良或误动作；再加上海洋平台生产生活始终存在石油和天然气等爆炸性气体，使得其工作环境更为复杂和危险[26-27]。

3面临的主要问题

3.1电源控制

海上平台电力系统的电源以燃气轮机为主，会排放一定量的温室气体和有害物质，同时燃料补给费用较高，从环保和运营成本的角度出发，世界各国都在积极探索海上平台引入清洁能源的可能性。日本冲绳县宫古岛2010年建成的风光储微网系统，以及我国2013年6月完成的位于山东青岛斋堂岛海域的首个海洋独立电力系统示范工程“500 kW海洋能独立电力系统工程”都为海上平台电力系统大规模引入光伏、海洋潮流能提供了重要的参考依据。但就技术而言，目前较为成熟的仍是风电的应用。我国2010年建成的首座总装机容量达10万kW的上海东海大桥海上风电场，通过精确定位和软着陆功能的缓冲系统，成功地解决了海况条件下的各种装机难题[28]。风电的接入不但可以节约燃料，还可以降低系统的运行成本[29]。但由于风能具有随机性、波动性以及不可控性，使得风电场的出力波动极大，而且当风电容量达到电网总容量的一定比例时，产生的波动可能会对平台电网频率和电压稳定性造成不良影响[30-31]。

文献[32]对引入风电场的海上电力系统的电压、频率控制进行了研究，发现通过适当的控制策略能有效减轻电压、频率波动幅度，并提高海上电力系统的稳定性。文献[33]研究了海上平台电力系统与岸上电网互联的动态性能，提出了VSC控制策略，该系统包括5个大型海上平台，1个海上风电场，采用VSC-HVDC技术将海上电力系统与岸上电网进行了联接。文献[34]给出了在给定停运率约束条件下，如何建立最佳经济模型，从而优化大型直流输电海上风电场的电力系统。文献[35]以瑞典哥特兰岛和英国的电网为例，采用CMS（condition monitoring systems）专门针对海上风电机组的状态监控以及基于可靠性的运行维护等方面进行研究，证明采用CMS后风电场电力系统的可靠性明显提高。

3.2电力组网

随着海洋工程的日渐推进和不断建设，海洋平台单一的“一台一站”模式越来越不能满足生产对电力的需求。且由于海上平台电力系统存在容量小、备用容量不大，供电可靠性差，抗冲击性能差，维护成本高，大型设备启动困难等问题[36]，若可以整合现有电站资源，统一规划电力系统，实现区域内资源共享，不仅能有效地利用发电机组，提高系统可靠性，减少系统备用容量，推动油气田经济有效开发，还能实现节能减排，对于当今海上油气田的发展具有重要意义[23]。2008年12月5日并网成功的中海油涠西南油田群电力组网项目，标志着我国第一个海上油气田群电网系统正式投入运行[37]。尽管海上电力系统组网的前景可观，但保障组网电力系统安全稳定运行却面临诸多挑战，如励磁涌流[38]、发电机自激励[39]、海缆充电功率过大[40-41]等。此外，对于海上石油平台电力组网的安全稳定控制，近年提出采用能量管理系统（energy management system，EMS）进行能量管理。文献[42]针对该海上电力系统采用集电网频率及联络线功率交换控制、在线安全稳定控制完成故障下电网的稳定控制、提升电站自动化以减少人员配置等功能为一体的EMS方案。并对供电可靠性、抗冲击性能、备用机组数量和运行维护工作量进行了前后对比，结果表明，采用EMS后能明显提高可靠性，节省了投资。文献[43]针对故障时EMS对发电机有功功率、无功功率、优先脱口控制提出要求，认为在电力组网EMS中加入安全稳定控制系统更能提升整个网络的稳定性，对于监视电网运行的实时性、处理故障的及时性均有较大帮助。

3.3电能质量

海上平台电力系统的电能质量问题不但会使得平台的经济性下降，还会对其运行的安全性和人员的生命安全构成严重威胁[44-45]。海上平台电力系统中最常见的电能质量问题为谐波和过电压。

3.3.1谐波

海上平台电力系统产生谐波主要源自3个方面：发电源质量不高；输配电系统产生谐波；用电设备产生谐波[46-47]。产生谐波的主要设备是：大容量的变压器、电潜泵变频器、UPS、钻井设备等[48-49]。一般来讲，谐波对大容量电力系统的影响较小，但对如海洋平台这类相对容量较小的电力系统，谐波产生的干扰就相当大[50]。文献[51]建立了既满足精确要求又便于分析的变频调速系统的谐波模型，通过对负荷静态特性和动态特性的分析，得出谐波与变频器输出容量和电动机的运行状态（R）有关，且在特殊工况的动态过程中，系统频率的变化和系统阻抗的变化对谐波分布产生较大的影响；文献[52]利用MATLAB实现了内河船舶电力推进系统谐波分析的数字仿真，该模型不仅可以对谐波分布进行模拟、计算，还可以添加谐波抑制装置观看谐波是否被有效消除。文献[53]针对谐波问题提出了一种新型推进变压器结构实施谐波抑制的新型感应滤波技术，并在Simuli-nk上进行了仿真，验证了所提方案的可行性。文献[54]探讨了抑制谐波的方法，详细分析了各个方法所用的技术并给出了应用案例。

3.3.2过电压

对于海上平台电力系统而言，早期的海上石油平台发电机容量小，采油平台规模不大，海底电缆长度较短，海底电缆甩负荷对系统的影响很小。但随着海上石油平台规模的不断扩大，海底电缆的长度也呈现越来越长，铺设越来越复杂的局面，此时空载海缆对电压的影响就不可忽视，且日益严重[55]。当海上石油平台出现甩负荷后，可能造成平台发电机产生参数谐振过电压或者海底电缆末端工频电压升高，影响整个平台的稳定性，使得平台与游轮船体失去动力，产生严重的安全事故。海底空载电缆可能造成2种过电压现象：工频过电压和参数谐振过电压。文献[56]以实际海上石油平台孤立电网为例，基于PSCAD/EMTDC建立仿真模型，对海缆空载合闸操作过电压进行计算，验证优化空载合闸路径相比于并联电抗器更能有效地减少海洋平台过电压问题。文献[57]针对发电机自励磁现象，提出3种抑制方法：双机带空载海缆黑启动、防止新介入的海缆长度超过临界长度以及并联器黑启动。并通过边界圆判断法判断了这3种方法均能达到抑制过电压的产生的目的。

4　展望

目前，我国已成为全球最大的石油净进口国，预计到2020年我国的石油依赖率将超过70%，到2030将达到75%[58]。在“十二五”我国海洋经济快速发展并取得显著成就的基础上，“十三五”计划将会对我国海洋工程的又一次蓬勃发展提供新的机遇与挑战。那么作为整个计划的动力中心——海上电力系统，怎样保障动力的正常供给同时兼顾环保与经济利益就成为了当前研究人员的工作重点。

1）打造安全、稳定、高效的海上平台电力系统。随着我国海上平台电力系统规模不断扩大化，网络不断复杂化，生产生活对系统的安全性和稳定性要求越来越高。目前，海上平台电力系统的可靠性研究还较为匮乏，可靠性指标还不明确。开展海上平台电力系统可靠性研究是海上电力系统发展的必然需求，对我国海洋强国战略的实施和海洋工程的安全稳定运行都有重要意义。

2）海上平台电力系统中的各个工程平台都拥有独立的燃气轮机电源和负荷，可独立控制，故都可视为微电网。因此海上平台电力系统构成了一个多微网系统，但与一般意义上的微电网相比有其特殊性。未来可针对海上平台电力系统相对特殊的物理结构和工作特性，结合微电网研究的相关理论和技术，实现具有交互、合作、协商等智能特征的海洋平台电力系统的（多）微网协调控制，进一步推动我国海洋工程的发展。

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李雪（1990—），女，硕士研究生，研究方向为海上电气系统控制；

张安安（1977—），男，博士（后），副教授，IEEE会员，青年专家，研究方向为电压无功优化，海上电气系统控制；

敬佳佳（1983—），男，博士（后），主要从事海洋油气装备检测及完整性评估技术研究工作；

韩浩（1976—），男，工程师，主要从事海洋油气装备检测及安全控制技术研究工作。

（编辑冯露）

Overview of Offshore Electric Systems

LI Xue1，ZHANG An’an1，JING Jiajia2，HAN Hao2
（1. College of Electrical and Information，Southwest Petrol University，Chengdu 610500，Sichuan，China；2. Safety and Environmental Quality Supervision and Inspection Institute of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company，Deyang 618000，Sichuan，China）

ABSTRACT：Marine engineering is of great significance for solving current energy crisis and rational exploitation of marine resources. The offshore platform power system，whose security and stability have a direct impact on the smooth running of maritime operation platform，as power supply to marine engineering，plays one of most important roles to the development and utilization of marine resources. This paper summarizes the process of offshore platforms power system technology as well as its main structures and features. Additionally，problems of offshore platform power control，power network and power quality are discussed. Finally，possible directions for the future prospects of the offshore platform power system are forecast ahead，which provide a reference to the further research and practical engineering operations.

KEY WORDS：offshore platform；offshore power system；microgrids；power control；power network；power quality

作者简介：

收稿日期：2015-10-26。

基金项目：国家自然科学基金项目资助（51107107）；中国博士后基金面上项目资助（2014M562335）；四川省教育厅自然科学创新团队计划资助项目（15TD0005）

文章编号：1674- 3814（2016）02- 0001- 07

中图分类号：TM711

文献标志码：A