孤立电网PMS的控制策略研究与应用

沈新军

（中国联合重型燃气轮机技术有限公司，北京 100015）

0 引 言

在多台发电机组成的孤网中，特别是海上平台这样的特殊场合，工况变化可能造成电网波动，在恶劣情况下可能导致全网失电，给生产带来损失。对于连接到大电网的自备电厂，在外网失电时若能自动转为孤网运行，则可以确保生产继续进行。这时需要有工程生产管理系统（Power Production Management System，PMS）对全网的所有机组和全部用电负荷进行统一监控和管理。

1 项目介绍

中海油蓬莱油田电网由8台燃气轮机发电机组组成孤网供电。RUP平台有2台GE LM2500机组，FPSO油轮有2台GE FRAME5机组，WHPC平台有1台SOLAR MARS-100 机组，CEPB平台有2台西门子SGT-A30 RB机组和1台国产GT25000机组，其余平台均为纯负荷平台，且每个平台还有一台2 MW柴油机。为此设计并配置了一套PMS，对全网进行监控。图1为油田工艺示意图，其中FPSO、WHP-C、RUP和CEPB构成发电机平台，WHP-A、WHP-B、WHP-D、WHP-E、WHP-F、WHP-G、WHP-J、WHP-K、WHP-L以及WHP-V构成纯负荷平台，标注“来自勃南”的设施则为外部油田。

图1 油田工艺示意图

2 PMS概述

2.1 PMS介绍

PMS主要针对电厂的电源管理和电气控制，可以优化电能的生产和消费，防止系统扰动导致全网停电。对于跳机等突发工况，PMS能够按预定优先级快速精确卸载，迅速稳定电网。PMS的主要功能一般包括全网电力数据监视、断路器控制、优先脱扣、有功和无功控制、发电机再起动控制、同期控制、热备余量管理、优先级管理以及大负荷抑制等[1]。

2.2 蓬莱油田PMS的特点

蓬莱油田PMS具有如下特点：采用DCS+C语言程序，基于预估策略，可预知所有需卸载设备清单，实现精细化卸载；针对45类主要事故、72种孤岛和500多个可卸载设备，使用矩阵运算应对各种复杂工况；可实现有功和无功功率的等比例自动控制；电网功率控制具有无差和有差自动功能；DCS系统硬件采用对等网络结构，具有灵活和方便扩展的软硬件接口，适用于大系统控制；可在一个周期（40 ms）内完成卸载动作；系统硬件可靠性高，采用双电源设计、双冗余控制器以及双网络结构，电脑采用冗余硬盘存储；采用千兆以太网，每秒30万点实时刷新速度，且支持1 000个网络节点，拥有最远200 km的通信距离。

3 PMS的实现

3.1 硬件组成

蓬莱油田PMS采用艾默生分散控制系统进行实时控制，每个平台都有一套DCS子站。每个子站系统可单独运行和监控。RUP平台的冗余根交换机与其他平台的冗余子交换机通过两路海底光缆连接，从而实现全网数据共享和分散控制。分散控制系统网络结构简图如图2所示。

图2 分散控制系统网络结构简图

3.2 PMS功能

3.2.1 数据监控

PMS可监控全网所有发电机和负荷开关的状态，以数值、图表、趋势、报警清单以及报表的形式显示，并可对开关设备进行分合闸操作。所有数据都存储在冗余历史站上，方便查看和事故分析。发电机、母线以及负载设备以硬接线或多功能表的通信方式采集数据。海缆连接的断路器应选用可测量电流方向的智能电表。对于供电侧来说，输出电流功率为正。

3.2.2 事故分析及卸载功能

PMS同时监控几百个负载，可随时修改其优先级，能够即时更新卸载列表，也可单独禁止卸载。PMS总是基于当前的事故预案进行优先脱扣，如跳机或过载事发生前，在事故分析画面可以看到各类事故对应的设备抓取状态。PMS程序会在每个周期轮询扫描一次设备状态，并计算基于当前网络结构的卸载分析结果[2]。

3.2.3 发电机有差无差控制

多机并联时，通常有一台处于无差模式（两台LOAD SHARE机组可同时无差运行），其余机组为有差模式。无差机组可以快速稳定频率到50 Hz。

当无差机组跳机或因平台之间的联络线都中断而形成新的孤岛时，PMS会判断当前孤岛内是否还有其他无差机组。若没有，则会自动选择其他机组转为无差运行，其中转换顺序由预设的优先级确定。远控机组的有差/无差模式可随时手动切换。

3.2.4 发电机有功功率和无功功率控制

机组有功功率和无功功率控制都有手动和自动两种控制方式。手动时，通过输入目标值调节机组功率，调节过程可随时中止，并保持当前状态。在有功功率自动控制方式下，用户可选择所有机组都进行等比例调节和只有有差机组进行等比例调节两种控制方式，而无差机组的功率比例则控制在某个指定输入值。

功率比例是指该机有功功率与其最大出力之比。无差机组保持适当的功率比例，有利于稳定电网频率，适当的备用余量也利于应对其他机组跳机。

无功比例是指该机无功功率与其最大无功出力之比。选择无功自动控制可有效避免无功不均衡的情况，若母线电压偏离标准值太多，则优先调节母线电压，然后进行无功分配。

3.2.5 大负荷设备启动抑制功能

PMS能够在设备运行期间持续计算所有机组总的备用的有功功率和无功功率，若出现备用量不足的情况，则禁止使用大负荷设备。

3.2.6 发电机过载监测

当有机组跳机或负荷增加时，可能导致在线机组过载而引发电网频率偏低，严重情况下过载机组会出现排气超温而引发连续跳机。为了避免机组过载，PMS始终在线监测其当前功率和备用功率状态，一旦过载则会延时30 s触发卸载动作。

3.2.7 海缆过载监测

PMS会始终监测海缆电流和功率，若设备出现过载，则立即触发电流输入侧平台的卸载动作，降低海缆电流到限定值以下。

3.2.8 仿真系统

蓬莱油田PMS配置一套独立的最小硬件结构的仿真系统，使用虚拟控制器代替真实控制器，设计多种复杂工况，并与海上平台的控制器配置、逻辑以及操作画面保持一致。

3.3 卸载故障的设计

3.3.1 故障分类

PMS预设5大类45种可能的故障。第一种，主发电机跳机，包括单机跳机或同一母线的几台机组同时跳机。第二种，海缆中断，包括单条或多条海缆同时断开。第三种，海缆过载，包括8条海缆任一过载的情况。第四种，母线低频，包括7段母线任一低频的情况。第五种，发电机过载，包括8台机组任一过载的情况。

3.3.2 事故分析显示

事故分析预警画面如图3所示。在卸载分析画面，运行人员可预知各种故障发生后将会对哪些负载进行优先脱扣。该画面同时显示该事件需要卸载的总负荷和实际将会卸载（当前抓取的设备）的总负荷，并且标示开关设备的优先级、抓取状态以及当前功率值。其中，某个开关是否会被卸载取决于多个条件，包括运行状态、优先级、是否与事故发生母线连接以及用户选择的卸载策略。

图3 事故分析预警画面

3.4 卸载设备的抓取原则

3.4.1 发电机跳机和过载的负荷抓取原则

当机组跳机时，PMS会计算与跳机机组所在母线相连的其他机组的当前备用余量，总的备用余量等于每台机组的备用余量之和。计算公式为：

若机组当前功率超出其最大出力与设定系数的积，则会延时30 s卸掉过载部分。若持续过载，则每隔30 s再次发出新的卸载指令，卸掉更多的设备。

对于跳机，PMS系统提供全网卸载或就近卸载两种策略。全网模式下，可对孤岛内所有非禁止的可卸载负荷按照优先级从低到高进行卸载。就近原则是先对事故发生点连接母线上的负荷进行卸载，若负荷不够，再对相邻平台的负荷进行卸载。

3.4.2 联络海缆故障的负荷抓取原则

平台之间可能有多条联络线，其中一条断开时，会充分考虑其他海缆的备用余量，同时考虑海缆电流的流向。当一段海缆故障（断开或过载）时，那么这条线上输入功率的母线需要卸掉相应超量的负载，如果它的母联开关合闸，也可以卸掉与它连接的母线上的负载。在决定卸掉哪部分负荷前，需要先知道当前功率的流向。

3.4.3 母线低频抓取原则

机组跳机会导致电网频率下降，若降低到48.5 Hz以下，则会触发其他机组继电保护的跳断。为免持续低频，PMS会在频率低于49 Hz时延时3 s触发卸载，低于48.5 Hz时触发立即卸载。若持续低频，则每隔3 s会再次卸载，直到频率恢复正常。可被卸载的有效负荷包括和低频母线连接的任何母线上的设备。

低频卸载功率的计算公式为：

式中，MW_to_shed表示需要卸载的负荷，Base_freq表示母线额定频率，如50 Hz，Actual_freq表示母线实际频率，Bus_MW_demand表示该段母线上的当前负荷。

3.5 孤岛工况的计算

在蓬莱油田有7段发电机母线，这些母线的连接状态不同，会形成72种不同的孤岛。在任何孤岛上，需要至少有一台发电机处于无差模式，而其他机组是有差模式。当孤岛状态改变时，PMS会调整各机组功率，执行卸载或大负荷抑制或将机组转为无差模式。

4 C语言矩阵运算

普通PLC和DCS采用顺序控制语言，无法执行矩阵运算。蓬莱油田PMS采用C语言进行矩阵运算，通过简单的what-if循环跳转和子函数模块调用，可以很容易实现复杂工况的计算，也便于后续扩展。Ovation-DCS内嵌专有C语言函数模块，开放动态数据库接口供卸载分析程序使用。

在冗余配置的卸载分析站上，运行C语言卸载分析程序，基于网络接收的当前数据，计算得出某个开关是否需要被抓取并卸载，以及哪个发电机将被抓取需要切换状态。计算结果通过网络广播出去，便于其他控制器和操作站的执行处理和显示[3]。

5 改进方向

通常PMS采用功率自动分配方式，生产稳定时整个油田的总负荷是稳定的。此时，每台机组出力不同，总燃气消耗量也不同。燃料气通常是自产气或来自其他油田的外购气。在保证电网供电安全的前提下，总是希望尽可能节约燃气消耗量。

理想方式是通过一套经济优化控制策略，工况稳定时，在确保各机组足够应对突发工况的安全输出范围内，通过优化计算给出最少燃气消耗量的功率分配方案。该优化控制基于当前工况，即时调节，兼顾安全性与经济性。

6 结 论

PMS不仅便于监控和管理整个电网，还能减少油田停机、停电以及停产的次数，降低电网运行风险，提高安全性与可靠性，优化设备使用效率，降低停电带来的生产损失和设备损耗，保障油田稳定生产。现阶段，PMS已经成为海上油田作业的核心设备，其中在安全生产前提下寻求减少燃气消耗的经济优化策略，是PMS值得研究改进的一个方向。