数字电站与模拟传动系统功率限制的实现

李文磊，孙龙林，周宏宇，刘晋雷，王 伦

（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海 201208）

1 项目背景

“勘探四号”半潜式钻井平台电站系统为ROSS HILL 80年代产品，该系统核心部件为AC模块，AC模块集柴油发电机组控制、保护、监控于一体。因年代久远，AC模块内电气元件老化严重，系统故障频发，备件供货困难。为恢复系统功能，并使之稳定运行，需将AC模块进行升级改造。改造方案为：柴油机速度控制使用Woodward 2301E，发电机电压控制使用CAT CDVR，功率分配与系统保护使用Woodward Easy Gen 3200，改造完成后，模拟系统升级为数字系统。

系统改造的难点在于功率限制的实现，功率限制分为有功限制与总电流限制两部分。当平台消耗的总有功功率高于在网柴油机总有功功率，或总电流高于在网发电机总电流，功率限制功能需及时投入。功率限制发生时，会有司钻台功率百分比表与功率限制指示灯提醒司钻，司钻将根据提示做减负荷操作，司钻台百分比表与指示灯见图1。功率限制信号还会通过功率限制板传送至传动系统SCR模块，限制直流负载输出，避免柴油机或发电机过载，造成设备损坏或全船失电，功率限制板见图2。

2 原系统功率限制实现原理

图 1 功率限制指示Fig. 1 Indiation of power limitation

AC模块采集有功功率和总电流信号，采集信号进入功率限制板进行运算，功率限制板原理示意图见图3。有功功率或总电流信号超过额定值，就会使直流系统的可控硅触发角后移，降低SCR直流输出电压，减小负载，从而减小交流电网负载，确保柴油发电机组不会过载。

当电网上所有发电机的有功功率小于额定值的总和的75%时，Z3组成的PI调节器输出负电平，此负电平信号经12端输出后对SCR直流模块不起作用。图3中Z1、Z2组成斜坡电路，对功率变化起到延时缓冲作用，其中Z1组成比较器，Z1同相端输入电平小于反相端固定电平，具有正反馈特性的Z1输出接近负电源电压，输至Z2反

图 2 功率限制板Fig. 2 Power limitation PCB

相端，Z2输出正电平，并被D5和导通的Q1箝位。此时D7截止，Z2输出对D3不起作用，Z3的输出跟随kW变化而变化。

当kW信号大于发电机总额定值的75%但小于100%时，Z1的同相端输入电平大于反相端电平，输出接近正电源的电压。此电压信号经过爬坡延时，并预加功率限制，此时Z2仍然输出负电平，Z3仍然输出负电平信号，Z3不对kW信号进行限制，同时，Z3的输出信号经12端输出至SCR柜DC模块，使SCR导通角滞后，减低直流输出电压，达到限制直流负载功率的目的。

图 3 功率限制板原理示意图Fig. 3 Power limitation principle

同时，Z3输出送至Z6同相端，当Z3的负电平信号低于D14的正向压降时，Z6输出负电平，Q2截止。当kW信号大于等于100%总额定功率时，Z3输出的电平高于D14的正向压降，Z6输出正电平，Q2导通，使继电器K1-B线圈通电吸合，接通司钻台和控制柜面板上功率限制报警指示灯。

另外，在功率限制板的10端，有总电流I tot信号输入，总电流信号输至PI调节器Z5，Z5的工作状况与Z3相同，指示省略了由Z1和Z2组成的斜坡电路，对Z5的调试与对Z3的调试相同，即令kW最小，I tot最大时，为了安全，总是选择R29、R30、R31，使12端输出为零。Z3输出和Z5输出都起功率限制的作用，为了安全，总是选择其中较大的一个输出起控制作用，这种选择功能由D9和D13组成的“或”门实现。

从以上分析可知，在网有功功率达到总功率的75%时，功率限制开始起作用，限制直流负载输出。当有功功率大于等于总额定有功功率的100%时，直流负载的输出完全被限制。功率限制的实现，需要将数字系统的有功信号和总电流信号发送到功率限制板，由功率限制板再将限制信号发送到SCR传动系统，而传动系统仍为ROSS HILL的模拟系统。因此，要实现功率限制功能，首先要明确功率限制板的输入、输出信号值，再采取可行方案将这些值加至功率限制板。

用泥浆泵打高压的方法测试功率限制板10点（总电流输入信号）、11点（有功输入信号）、12点（功率限制输出信号）的实际值，功率限制板输入、输出值对应的功率百分比见图4，根据这些值选择有效的功率限制方案。

3 功率限制的实现

功率限制作为平台能量管理的一部分，控制依据是将柴油机组容量和当前负载容量进行比较，以有功为例，并网运行的柴油机组有功功率减去当前负载有功功率得出剩余有功功率，并以此作为有功功率限制的额度[1]。这个额度就代表负载还能够申请到的功率大小，当可用额度下降到小于25%时，那么电网就要进入有功功率限制状态。当系统处于有功功率限制状态，当额度为零时，直流负载将不随司钻控制指令的增加而增加，直到可用有功功率变为正值且功率限制功能退出运行为止[2]。

图 4 功率限制板实际输入、输出值Fig. 4 Input and output signals of power limitation PCB

平台直流负载主要有两种：泥浆泵引起的稳定负载和钻井绞车引起的突变负载。“勘探四号”平台4台柴油机额定功率分别为：1#机1 050 kW，2#机1 650 kW，3#机1 450 kW，4#机1 450 kW，4台发电机额定电流都为2 625 A。因4台柴油机功率不同，因此有功限制的前提是用Easy Gen 3200将在网柴油机功率按比例均分，在均分的条件下做有功限制[3]。另考虑到柴油机已运行近12×105h，为保证电站安全，将有功功率限制值设定为额定值的80%，总电流限制设定为额定值的100%。在选择控制方案时，优先考虑实现有功功率限制，避免因柴油机过载而引起全船失电。有功功率限制实现后，再通过同样的控制方式实现总电流限制。

3.1 加固定电位值实现

Easy Gen 3200可监测在网运行机组的有功功率，把有功功率当前值的信号经过处理，处理信号作为可变指令，选取一个可编程DO做逻辑输出，该DO点触发可调电位模块，输出限制电位值。

Easy Gen 3200具有可编辑逻辑输出点，这些点不是简单的靠输入信号触发，而是可以通过各种指令或功能的组合，通过逻辑变换，得到想要的输出。其逻辑结构见图5。

图 5 3200可编辑逻辑输出结构Fig. 5 Logic output of 3200

以1号机为例，在Easy Gen 3200参数设置软件（Tool kit）里选Config_Monitoring -Flex Limit-16，将功率限制值取为800 kW，设置参数见图6。选择Config_ IO- Discrete _ Output-08，将该输出点设置逻辑为：当Flex Limit-16达到800 kW时，DO 08动作，设置逻辑见图7。用DO 08的逻辑触发电位模块输出6.2 V（80%额定功率，800 kW）到11点。

设置完成后，当1#机有功功率达到800 kW时，6.2 V电压将作用于功率限制板11点位。经实际负载测试，该方式对稳定负载起作用，但对绞车引起的突变负载，限制不及时，会引起全船失电。

图 6 Flex Limit-16功率设置参数Fig. 6 Parameter set up of Flex Limit-16

图 7 DO 08输出逻辑设置Fig. 7 Logic output of DO 08

3.2 用PLC通讯实现

Easy Gen 3200有4个通讯口、2个CAN bus口、1个RS-232口、1个RS-485口（Modbus），其中RS-485口可以与PLC建立通讯。选用SIEMENS S7-300系列PLC及PROFIBUS转MODBUS模块进行硬件组态，组态完成后建立通讯，根据Easy Gen 3200通讯规程，读取每台柴油机的有功功率参数，并将参数比较得出最大值，通过AO模块输出相应的电位值，用以实现功率限制。

选用PS 307电源模块（6ES7307-1EA01-0AA0）、CPU 315-2DP（6ES7315-2AH14-0AB0）、A08X-12bit模拟量模块（6ES7332-5HF00-0AB0）、鼎实科技PB-B-MODBUS总线桥进行硬件组态，用以实现PLC与Easy Gen 3200之间的通讯，PLC组态完成见图8[4]。根据Easy Gen 3200通讯规程，采集有功功率（地址 50009）数据，其地址设置见图9。

因4台机组额定有功功率不同，因此需编程将有功功率数据进行百分化并比较，取4台机组有功百分比最大值[5]。最后将最大值转化为需要电位的数字量（0～17 142）并在AO点输出（0 ～6.2 V），功率百分比比较段程序如下：

图 8 PLC组态完成Fig. 8 Configuration of plc

图 9 有功功率地址设置Fig. 9 Power parameter ID set up

编程结束并建立PLC与Easy Gen 3200通讯后，加载测试。经泥浆泵稳定负载测试，AO输出至功率限制板11点电位信号正常，功率限制功能起作用。但用绞车突变负载测试，Easy Gen 3200所显示功率值超前于11点电位值。功率限制无法实现，会引起全船失电。现场判断无法实现对突变负载的限制，可能是因通讯速率低导致响应不及时，将通讯速率由187.5 kbps更改为6 Mbps，仍然无法限制绞车引起的突变负载。

3.3 用功率变送器实现

丹控TAS-331DG功率变送器可以监测交流电网有功功率。该变送器可以通过软件（Transducer Configuration Software Ver122 Setup）进行电压互感器、电流互感器的变比设置，同时可以设置功率范围与输出电压范围，其设置界面非常友好。

在本项目中，以1#机为例，将电压互感器设置为600 V/120 V，电流互感器设置为3000 A/5 A，功率范围设置为0～800 kW，输出电压范围设置为0 ～6.2 V，设置后的界面见图10。

图 10 功率变送器参数设置Fig. 10 Parameter set up of power transducer

将功率变送器输出接至功率限制板11点，经泥浆泵稳定负荷，绞车突变负荷的测试，由功率变送器输出的电位信号响应及时，能够很好地完成功率限制功能。

使用同样的方法，以1#机为例，用DEIF TAS-321DG电流变送器采集发电机电流信号，将电压互感器设置为600 V/120 V，电流互感器设置为3 000 A/5 A，电流范围设置为0～2 625 A，输出电压范围设置为0～8.3 V，设置后的界面见图11。通过调低电流范围至0～1 000 A，模拟测试电流限制功能，经稳定负载与突变负载测试，电流限制功能正常。

图 11 电流变送器参数设置Fig. 11 Parameter set up of current transducer

4 结论

对钻井平台负载来讲，功率限制实现的难点在于有效限制钻井绞车的突变负载，本文描述了三种功率限制实现方式，经现场测试，证明使用功率变送器具有良好的动态响应，限制功能稳定可靠。电站数字化改造完成后，“勘探四号”平台经过NB8-1-1井的实际作业，进一步验证了所实施的方法和控制策略的可靠性，为确保平台电站稳定运行提供了非常重要的保障。