海上石油平台电力组网和EMS系统设计探讨

郭超群

中海油能源发展装备技术有限公司 天津 300450

电力组网供电较单个电站的孤岛供电具有明显优势。实施电力组网后平台之间能共享备用发电机组，增强电网的抗扰动性能，减少设备投资，使边际油田开采成为可能。目前电力组网及EMS系统已是海上油田开发的发展趋势。

1 电力组网的必要性

电力组网供电较单个的电站独立供电有明显的优势，如下：平台之间可互供电力、互为备用，减少事故及大型负荷启动备用容量，提高电网运行的经济性；同时增强电网抵抗事故能力，实现事故情况下的相互支援，最终提高各电站安全水平和供电可靠性.避免因平台电站出现问题造成整个平台供电的中断。能承受较大的冲击负荷，如注水泵、压缩机等冲击负荷，从而有利于改善提高电能质量。可减少备用机组数量，节省投资及运行维护成本。两平台可以通过共享一台备用电站，节省投资及平台的占用空间[1]。

2 海上石油平台电力组网和EMS系统设计

2.1 海上石油平台电力组网设计

这里以KL10-1电力组网为例进行分析设计。垦利一期工程中，选择电力组网电压等级及海缆主电站设置根据负荷计算书与发电机多种运行方式下平台间负荷传输计算，KL10-1CEP与其它两个中心平台间最大传输功率为18086KVA。综合考虑输电距离，海缆的电容电流，35kV与110kV设备的造价，与原有电网设备的一致性，海底高电压输电技术成熟性等因素，优先选择再铺设一条35kV，3X240mm2的复合海缆。电网运行方式与稳定性计算，全网投产初期最大负荷为61589kW（不含预留负荷）、全网最大负荷年为2024年，负荷为72958kW、最小负荷为7168 kW，并配置9台单机容量均为10500kW的发电机。对2015年最大负荷、最大负荷（2024年）、最小负荷工况进行潮流校核，以确定海缆容量，主变容量，各母线电压，功率因素等是否满足要求。根据电力系统一次部分中的潮流计算，考虑选取最大负荷时的3种运行方式（稳定性问题最突出的运行方式）进行安全稳定计算。电力系统暂态稳定主要包括功角稳定、电压稳定和频率稳定三个方面。计算分析时若三者都稳定，则系统稳定。对三种运行方式分别进行切机，切负荷，三相短路故障，无故障平台机组全停时等对系统的影响分析。根据安全稳定性分析的结果制定相应的保护措施如采取高周切机、优先脱扣减负荷或联跳35kV出线海缆等措施。平台电力系统一次设计，首先，确定各平台的计算负荷和负荷特点。其次，根据计算负荷和负荷特点确定中压设备和低压设备，并以此确定母线的分段方式，主变压器的容量，电压，台数，对于联网变压器一般需采用有载调压。第三，对平台的电力系统进行仿真分析。校核母线，主变，断路器，无功补偿装置（如果设置的话）的参数选择是否可行。第四，中性点接地方式的选择。计算各电压等级的电容电流，根据电容电流的大小确定是否需要接地。经平台上10.5kV系统可采用不接地系统。而35kV系统的电容电流高达257.6A，不能采用不接地方式。综合考虑各接地方式的优缺点以及平台群后期的扩展，优先选择经接地电阻接地的方式。在主变压器高压侧配置涌流抑制器，该涌流抑制器通过变压器断电时电压的分闸相位角获知此路剩磁的极性，下一次合闸时选择在相近的相位角，从而避免变压器铁芯磁通的突变产生励磁涌流。为解决单台发电机带电缆线路时引起的发电机自激问题，采用两台发电机组同时带电缆线路或并网时投入电抗器的运行措施。联网后组成的小系统切机或切负荷对发电机组运行频率影响较大，需装设高周切机装置在频率高于52HZ时切除发电机组。在海缆方面，一旦出现单相或两相断线，必须快速切除电缆，否则将引起故障相电压升高至额定电压2.4倍左右[2]。

2.2 海上石油平台EMS系统设计

电网的管理，负荷的调节，有功，无功的分配，事故工况的处理主要由EMS控制系统完成。EMS功能需求分析设计EMS系统，首先分析系统功能需求，EMS所具有的功能主要有数据采集与安全监视；发电调整与控制；电压调整及控制等等，这些功能都是配置在EMS工作站上的，不单独设置主站系统。下面具体分析电网系统中的几种功能，首先是在线安控功能，其在电网中主要是优先脱扣功能。电力网出现故障时，EMS系统应自动制定优先脱扣方案并实施。优先脱扣的对象包括注水增压泵、注水泵等一些辅助的生产设备回路，这些负荷占平台总负荷的30%左右且被允许短时停电。经过计算，优先脱扣需要比较高的实时性，平台电网发生故障的6个周波时间内，EMS系统应采取可靠动作来确保电网的稳定。第二种是电站自动化系统功能，其与陆地上电厂综合自动化系统比较相似，不仅具有一般监控功能，还有一些特殊性监视及控制功能。EMS网络结构分析EMS网络结构主要由三层组成：信息层、控制层及间隔层，其中控制层与信息层分别采用一个双100M网络的独特结构，从而满足系统在线安控的实时性要求。下面将具体分析下每层的构成要素。信息层：WZIT的EMS工作站、工程师工作站及相关人员工作站，并配备有对应网络设备[3]。石油平台主机、操作员工作站都经过了授权，能够互相备用。控制层：各个石油平台的现场控制器、通信服务器及对应网络设备，能起到与间隔层、信息层进行设备通信并进行在线安控及电站自动化等的功能。间隔层：各个石油平台的继电保护测控装置，对各个间隔进行保护、测量并控制。

根据海洋石油开发的特点，电网的规模随着资源优化配置范围的扩大而扩大.海上电网的发展也必然要经历从区域小网到海域大网这一发展过程，因此海上油田的电力组网在制定方案时除了要满足本期工程的需要还要着眼于未来的发展。