深水半潜式平台DP环网失电快速恢复策略

王世伟，孙小草，徐领峰

(南通中远海运船务工程有限公司， 江苏 南通 226006)

0 引 言

目前国际上的深水半潜船支持平台配电系统正在由标准的孤岛式向环网形式转化，现已开发出多种动力定位(Dynamic Positioning，DP)模式的环形电力系统。相比传统的孤岛式DP配电盘模式，环形电网的组态更灵活，实用价值更高。母联闭合型配电系统可减少在网机组数量、油耗和废气排放，提高系统运行的经济性、检修的便利性和工作的舒适性，降低工作噪声。但是，这种供电模式有可能导致全船失电。这是传统孤岛式DP模式的特点，因为其各DP组是相互独立的，最大单点故障只丢失1个DP组别。虽然环网配电的要求中有对隐含故障的判断，大大降低了此类故障发生的可能性，但仍无法完全避免。在此情况下，相比无限制地通过增加成本增强系统的可靠性，不如在工程上寻找安全性与经济性的平衡点，通过研究全船失电快速恢复方案，使平台在允许的时间范围内恢复电力和DP能力。由此，通过对平台的作业环境进行评估，编制作业手册，限定环网DP模式允许使用的工况[1]，从而使环网DP供电模式成为既经济环保又可靠的供电模式。

本文主要对失电快速恢复关键技术进行研究，为设计环网DP模式提供参考[2]。

1 不同DP模式配电系统的要求

通过对4种DP模式进行分析可知：

1) DP1模式无冗余要求，配电系统无孤岛和环网的区别。

2) DP2模式要求每个DP动力组的运行都不受其他组故障的影响，任何单一部件(如电控阀、泵等)出现故障最多影响1个DP组，动态部分和静态部分(如纯机械、管路、电缆和风管等)尽量在物理空间上分开布置。

3) DP3模式要求每个DP动力组的运行都不受其他组故障的影响，任何动态或静态单一故障最多影响1个DP组。动态部分和静态部分严格按防水和A60防火要求分开布置。

4) DP ER模式除了需满足以上要求以外，每台主机都要配有独立的燃油、冷却、压缩空气和配电等辅助系统[3]。

DP2模式、DP3模式和DP ER模式都可设计成传统的孤岛式、 “C”型和“O”型环网电站。孤岛式电站由于具有纯物理分割特性，几个DP组配电盘是相互独立的，电站具有良好的防故障穿越能力。“C”型电站和“O”型电站是将几个相对独立的小电站通过配电盘之间的母联开关相互联系起来形成的，其中：“C”型电站是指各配电盘之间通过母联开关形成一个直线供电系统；“O”型电站是指将“C”型供电系统首尾相连构成一个环形，使系统的冗余程度更高，维护操作更灵活。

DP2 模式下的环网设计要求为：考虑隐含故障(传统DP模式无需考虑)、配电盘保护策略、主机过载保护策略、发电机调试器控制保护策略、电站管理系统(Power Management System, PMS)控制保护策略、自动电压调节器(Automatic Voltage Regulator, AVR)控制保护策略和短路电流故障穿越。

DP ER 模式下的环网设计要求为：考虑隐含故障(传统DP模式无需考虑，且高于DP2和DP3环网设计要求，因其允许考虑备用机启动，此时需考虑n-1原则(见图1)，即当某一电网发生故障时存在一个隐含故障，导致1台备用机无法工作)[1]、配电盘保护策略、AVR控制保护策略、发电机调试器控制保护策略、独立的发电机保护系统、PMS(需考虑全船失电快速恢复)和短路电流故障穿越。

DP3 模式下的环网设计要求为：考虑隐含故障(传统DP模式无需考虑)、配电盘保护策略、AVR控制保护策略、发电机调试器控制保护策略、独立的发电机保护系统、PMS(需考虑全船失电快速恢复)、短路电流故障穿越和实船短路试验(近期推出新的DP3环网短路试验可选做符号)。

2 失电快速恢复硬件系统结构配置

失电快速恢复功能涉及的硬件系统见表1，其中：

1) 动力系统包含PMS、主机、配电盘、变压器、变频器、推进器及相关的辅助设备，为平台提供DP所需动力，其拓扑图见图2；

2) DP控制系统包含控制台、推进器控制器、动力定位传感器及相关的辅助系统，为平台提供DP定位控制功能，其拓扑图见图3；

3) PMS主要用于对配电系统、推进器系统和动力辅助系统进行管理，通常采用双网冗余设计，各DP组内配双CPU热备份，网络配置图见图4。

PMS通常与DP系统配合使用：DP系统根据PMS提供的电站工作模式、配电组态、当前电力负荷、推力需求和可用的备用电力等信息预判故障发生之后的动力是否满足定位要求；同时，配合PMS快速恢复动力定位必要设备的供电，从而快速恢复定位能力。

表1 失电快速恢复功能涉及的硬件系统

图2 动力系统拓扑图

图3 DP控制系统拓扑图

3 失电快速恢复策略

失电情况包括部分失电和全船失电2种，其中部分失电包括最大单点故障允许范围内的失电和超过最大允许失电范围的失电。

当出现“最大单点故障允许范围内的失电”时，按常规故障处理；当出现“超过最大允许失电范围”的失电和“全船失电”时，首先利用故障监测系统判断故障点，并将其有效隔离，若情况过于复杂，无法精确判断故障发生的位置，可直接将所有配电盘之间的母联开关断开，PMS自动切换为孤岛模式运行。

当配电系统配有应急发电机时，应急发电机可同步启动。若应急发电机所在配电组在设定时间内恢复供电，则应急发电机停机，否则由应急发电机供电。当配电系统主发电机启动必须由辅助系统配合时(如燃油或滑油必须强制供给，且需外加电源时)，需考虑辅机启动策略。为缩短启动时间，推荐主机燃油采用重力式或机带泵；若需强制润滑，可考虑由UPS供电或在DP控制策略中考虑配置足够的备机。主配电系统通电之后，PMS和DP系统组态判断、可用电力情况判断、主机和推进器辅助系统供电同步进行; 同时，判断是否满足失电快速恢复条件，是否可执行故障信息自动复位和推进器主电源重新启动等操作。

图4 PMS系统网络配置图

图5为配电系统恢复供电的总体思路简图，以4个DP组为例，具体分析如下。

图5 配电系统恢复供电的总体思路简图

失电快速恢复过程要求从失电开始到推进器能提供推力的时间不得超过45 s。若按正常的顺序启动设备，很难满足该要求，需在系统启动顺序、启动方式、故障判断和故障连锁信号消除等方面做特殊调整。

将失电快速恢复供电与常规启动和普通的应急发电机45 s恢复供电相对比，结果见表2。从表2中可明显看出，失电快速恢复的过程比应急发电机恢复供电的过程复杂得多，对时间的要求比常规启动严苛很多。

表2 3种恢复供电模式对比

平台上各系统通常会配备大量的报警和故障连锁控制逻辑，在出现重大故障时不会自动恢复工作，起到保护设备或平台的作用。因此，PMS应考虑如何快速、自动地做好各重要系统进入工作状态的准备工作，一旦电力系统恢复供电，立刻恢复运转。同时，如何快速建立电力系统、采取何种组态、如何缩短或缓解大量重要的大型负载(如推进器变压器等)突加对电网的冲击等问题都是制订快速恢复供电策略时需考虑的。

下面简要介绍几个关键点的具体策略：

1) 主机启动。

所有发电机都处于自动模式，出现失电情况时自动投入运行，建立电压并为配电盘供电。此时配电盘保持孤岛模式，在需切换配电盘组态和供电模式时手动操作。每个DP组投入的发电机数量根据负载情况确定。若某机舱设备被ESD(Electro-Static Discharge)应急关断系统切断，此时主机需手动复位，避免在失电快速恢复过程中启动故障机。

2) 配电系统电力恢复。

失电之后，无论是部分失电还是全船失电，配电系统都会由母联闭合状态拆分为孤立的DP组段。以4 DP组为例，配电盘两侧的母联开关全部断开，将配电系统分成4组。母联开关和推进器电源在监测到母线失电压电信号之后断开(需考虑一定的延时设定)。各组段上的发电机立即自动启动并连接到网段，这些发电机处于自动备车且可用的状态。恢复供电之后，各组段上的配电变压器自动连接，包括与低压侧的辅助配电板和推进器的辅助供电系统。图6为DP B组母线短路故障。

图6 DP B组母线短路故障

推进器驱动器、推进器控制系统、滑油和液压油恢复之后，向DP系统发出可用信号，用来自动或手动启动各组段上的驱动器。此时平台的电源系统处于4段模式(若所有网段均可用)。发电机的同步操作可手动实现，将配电模式改为3段、2段或环网运行。若因发电机组、配电盘段或配电变压器出现问题而导致某网段无法使用或没有自动恢复，则该网段不会从相邻网段自动供电。作业人员可根据实际情况判断是否可通过手动操作将无法自动恢复的DP供电组中的可用部分通过主配电盘或辅助配电盘连接供电。当配电变压器通过汇流排为其他负载供电时，至少需要2台发电机在线，以保证最大压降保持在15%以内(假定推进器单机额定容量约为发电机额定容量的80%)。变压器在连接负载时需要一个暂时的短路保护延时(小于1 s)，避免因误动作而跳闸。

应急发电机也是断电恢复的一部分。当有应急配电板供电的网段全部失电或部分失电时，应急发电机会在45 s内自动启动并连接到应急配电盘上。此时若主配电系统可自动恢复并已将应急配电盘从正常电源中恢复供电，则应急发电机不会自动投入运行。

3) 推进器重新连接。

推进器快速恢复推力有2个难点：

(1) 推进器通常是船上的大负载，变压器的容量通常超过发电机容量的60%，要考虑推进器变压器上电瞬间冲击，通常此类变压器会配备预充磁系统，但快速恢复供电的时间有限，可考虑逐步升压或调整配电系统各节点合闸的先后顺序和延时设定；

(2) 推进器受DP系统的控制，DP控制系统首先要确认发电机、配电系统、推进器系统、自动化监控系统和安全管理系统均无严重故障或应急停止连锁等，只有在该条件下才能发出推进器启动命令。

在失电情况下，虽然各主要控制系统均有UPS供电，但辅助系统的动力电源丢失会导致大量故障报警，严重影响DP系统对各动力系统状态的判断。因此，通常可通过PMS判断故障发生原因，一旦确定故障原因是母线失电，便可通过特殊的失电快速恢复信号“blackout recovery”直接复位 IAS(Integration Alarm and Safety)自动化、DP和推进器等控制系统故障。

推进器的驱动器通常具有欠压脱扣功能。一旦汇流排断电，其供电系统就会跳闸。在全部失电或部分失电之后，PMS首先将辅助配电系统重新接入电网，当各系统故障报警复位和设备均已达到就位状态时，DP控制系统会发出推进器启动命令；推进器液压油泵和滑油泵启动之后，当压力达到启动要求时，DP系统会收到推进器就位信号，此时可认为失电快速恢复过程完成。此后，推进器将根据DP系统的要求恢复推力。

为优化快速恢复程序，缩短恢复时间，可考虑在推进器控制系统中增加快速恢复功能，当收到“blackout recovery”信号且推进器辅助系统得电时，直接启动，无需等待DP系统的指令。

4 结 语

上述失电快速恢复研究满足规范的要求，最终目的是在尽可能短的时间内完成动力恢复，提高环形电网的实用性。目前先进的系统设计可将失电恢复时间控制在30 s左右，该时间已接近失电快速恢复供电的控制极限(因为中型船用发电机启动合闸固有时间为25～30 s)。失电快速恢复的时间越短，环网DP工作模式能适用的作业海况越多。当然，该时间没有必要无限压缩，当海况较为恶劣时，电网正常工作时的负荷通常会很高，在高负荷工况下，环网工作模式的优势不明显[1]，而平台因失去动力而失位的程度受海况和作业工况(如浮吊在海上起吊重物的过程相当于水上漂浮物与固定锚点的反向拉应力抗衡，DP负载很大)的影响。因此，在快速恢复供电设计中，只需考虑环形电网在优势海况下的恢复时间要求，通常参考规范的要求，该时间不超过45 s。此类设计能实现失电快速恢复功能，为DP环网工作模式的应用提供安全保障，对海工项目的关键设备建造有一定的参考价值。