DP-3钻井平台闭环电网技术综述

盛 利 王 瀚

（1.广州海洋地质调查局 广州 510095；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

引 言

DP-3动力定位系统的电站要求采用冗余的设计以满足安全性、可靠性，发电机和推进器分别连接到3个或4个配电板上形成多个分组，配电板之间设置母联开关以组成不同分段模式。DP-3船舶在动力定位模式下，每个主配电板之间相互隔离，避免单一配电板的故障影响到其他配电板，每个配电板上至少有一台发电机在线。在普通气象条件下，大部分时间中发电机的负荷都低于30%，柴油机效率低，油耗高。

为了节能减排，节约运营成本，近年来闭环电网开始应用于DP-3钻井平台上。相比传统电网，闭环电网能够实现发电机共享负载，减少运行发电机的数量，增加发电机的负荷，提高运行效率，节约燃油和滑油，减少发电机运行时间。为了迎合市场的需求，各船级社先后发布了闭环电网技术的指导意见，一些公司也相继开发出闭环电网的产品并在实船上应用。目前闭环电站在DP-3动力定位系统上的应用已日趋成熟，新建项目大多考虑闭环系统，采用传统电网系统的船舶也考虑进行改造。本文将就闭环电网的特点及相关技术进行分析。

1 研究现状

闭环电网为多个配电板通过母联开关和电缆互联组成的环形网络，主要应用于对电力系统可靠性要求较高的动力定位船舶上。挪威船级社（DNV·GL）和美国船级社（ABS）较早对船舶闭环电站提出了基本的技术要求。由于技术的原因，闭环电站开始只应用在DP-2船舶上。直到2006年国际海事组织（IMO）通过了RESOLUTION 645决议，指出在不影响平台安全运行的前提下，DP-3动力定位平台可以采用闭环电网。

挪威船级社在《DP-3 Vessel with Closed Bustie January 10，2013》中对闭环电站设计提出包括配电板保护、发电机保护、短路仿真和实船短路试验等方面的具体要求。2015年，挪威船级社发布的指导文件《DNVGL-OTG-10 DP-classed vessels with closed bus-ties》进一步对DP-3闭环电网设计提供更详细的指导。

为了减少DP-3钻井平台运营成本，钻井承包商往往会对钻井平台的电网设计提出节能要求，为此，SIEMENS、ABB、AKA、GE等知名公司都针对船级社要求提出自己的解决方案。

国外实船应用方面，2011年韩国现代船厂建造的“Deepwater Champion”深水钻井船，采用了DP-3闭环电网并成功完成了实船短路试验。国内实船应用方面，2012年烟台来福士建造的“蓝鲸2号”深水钻井平台和2015年大连船厂建造的“海洋石油982”深水钻井平台，均采用了DP-3闭环电网并完成了短路试验，目前两个平台都在南海钻井作业，运行良好。

2 闭环电网技术优势

2.1 节能减排

DP-3动力定位平台的发电机、配电板、推进器及其辅助系统被分成多个组（以分3组为例，如图1所示），各组配电板之间通过母联开关互联，各组之间由A60舱壁分割。在动力定位模式下，为避免动力定位工况下的故障影响到相邻配电板，电网必须分成3段运行，且每段配电板上至少有1台发电机运行。即使在2台发电机能满足负载要求的情况下，也必须有3台发电机运行，这样就多出1台运行的发电机。

图1 DP-3电力系统

电网闭环运行时所有的在网发电机均分负载，也不需要每个配电板或机舱有发电机运行。动力定位模式时，大部分环境条件下发电机的负载都较小，闭环电网允许只运行2台发电机，因此可以减少1台运行的发电机。一方面增加单台发电机的功率，提升发电机的功率/油耗比（如下页图2所示），进而提高发电机的效率、节约燃油、减少排放。另外，减少发电机组的运行时间也有助于减少润滑油消耗，减少维护保养和更换配件所需的费用。

图2 发电机油耗率

2.2 高可靠性

（1）耐冲击能力强，减少电网的波动。闭环电网中所有的发电机都在1个分段中共享负载，相对电网分段运行的状态，电网的总容量要大很多，应对由大负荷的突加、突降所导致的冲击能力强，使电网更加稳定，鲁棒性好。

（2）改善电站的谐波。当闭环运行的时候，对在不同的配电板上的变压器，采用移相变压器可抵消电网中的部分谐波分量，有效减少电网中的总谐波数，改善电网品质。

（3）可改善电站有功和无功的分配能力。电网分段运行时，每段配电板上负载的差异可导致运行发电机的负载不同，有的配电板负载较小，而有的配电板负载较大，甚至需要运行2台发电机，负载的分配非常不平衡。电网运行在闭环时，所有的发电机都均分负载，可以改善有功和无功的分配。

（4）电站系统有更强的冗余度和冗错能力。当电网允许在闭环下运行时，要求能够达到与分段运行相同的冗余和容错能力。电站系统的智能保护设备之间建立可靠快速的通信，主要保护采用闭锁的方式，选择性保护作为后备，能够减少误动，缩短故障切除的时间；具备更加完善的系统监测能力和自诊断能力，并为隐藏故障配置后备保护。

（5）采用增强保护措施和发电机高级保护功能，能够根据发电机的运行状态趋势判断发电机的故障，及时启动备用发电机停止故障机，保障电站稳定可靠运行。另外，电网分段运行时如果某段上的发电机故障，将直接导致该母排失电，但是闭环电网则可以避免。

2.3 高灵活性

采用闭环电网设计能够使电站有更高的灵活性。闭环电网不再需要每个配电板上必须有发电机运行，因此可以根据需要在不同的机舱中运行不同的发电机，实现各种组合方式，灵活地调节运行时间。在某个机舱中维保发电机时，可以将该机舱发电机全部停止，方便发电机的维护保养，降低噪声，利于船员健康。

3 闭环电网技术难点

当电网闭环运行的时候，所有发电机等同与运行在同一母排上，每个配电板之间不再相互独立，一段配电板的故障将会影响到与之互联的所有配电板。如果电网仅采用传统的继电保护措施，最严重的后果将可能导致超过一个配电板失电，甚至全船断电。这是DP-3动力定位系统所不允许的。

3.1 配电板母排短路故障

在母排互联情况下，当某个母排发生短路时，传统中压配电板的上下级选择性保护将不能区分故障母排并通过分断母联开关将故障切除。短路故障时，环网上所有的发电机开关因过流或三相不平衡而跳闸。同时，中压母排短路过程中会引起配电板瞬时的低电压，使所有负载断路器欠压保护动作而分闸。中压主配电板的瞬时电压降也会引起低压配电板上的负载开关欠压脱扣，所有与DP以及发电机相关的辅助系统停止工作，推进器变频器也将因低电压而停机。母联电缆发生短路故障时，其后果类似于母排短路。

3.2 母排接地故障

钻井平台中压系统一般采用发电机中性点高阻接地或者中压配电板通过接地变压器高阻接地。配电板在闭环运行模式发生母排接地故障时，传统的保护将不能判断故障点并将其隔离，电网将继续带病运行。单向母排故障将会导致对地电压升高损坏绝缘，且当有另外一相发生接地时会导致相间短路故障，严重影响电网的安全运行。如果母联电缆发生接地故障，其结果与母排接地类似。

3.3 配电板隐藏的故障

电站中某些故障不能被检测被称为隐藏故障。当中压配电板负载侧发生短路、接地等故障时，负载开关的综合保护将会控制断路器跳闸，第一时间将故障切除。但是如果由于机械故障、分闸线圈故障或其他故障导致断路器拒动时，该故障等同于母排发生故障，将会影响闭环电站上所有的在线发电机，并可能导致全船断电。

3.4 发电机故障

通常为发电机与调速相关的故障。当发电机出现调速器故障，如执行机构机械故障、信号反馈故障）、燃油滤器阻塞、燃油泵故障、压力调节阀门故障或者进气不充分等情况时候，将导致发电机的输出功率与预期的功率有所不同，单机时会导致过频率或者欠频率的故障。当多台发电机同步并网在线运行时候就会出现有功分配的问题，将会使正常的发电机发生过载或者逆功率运行，导致正常发电机停机；发电机与调压相关的故障。当发电机出现AVR故障、励磁反馈信号故障时候，发电机将会出现过励或欠励的情况，导致在网运行发电机的无功分配不均，使正常工作的发电机出现无功过功率或者逆功率的现象，影响正常的发电机的运行甚至停机。

综上所述，电网采用闭环运行，仅靠传统的保护将不能使电站的安全性达到与分段运行时一致的要求，即当发生类似母排短路、接地或发电机故障的情况时，不能及时切除或者隔离故障，影响到其他正常的配电板、发电机，导致全船断电。要满足DP-3对电网的要求，环形电网必须采取额外的保护措施。

4 闭环电网保护技术

电站闭环运行时，为了满足DP-3级动力定位的要求，电网闭环运行时候应当具有与分段运行时一样的安全性，即单个故障导致的最严重后果只允许失去一段配电板，一段配电板上的故障不能够传递到其他健康的配电板，但是传统的电网的综合并不能满足这个需求，因此需要额外的措施，可迅速检测环网系统中的每个故障并隔离，其他正常运行的设备能够经受故障所带来的短时冲击，当故障切除后可继续正常运行，这些都需要一系列软件和硬件的支撑。

4.1 电站保护

在闭环运行的时候，所有配电板互联组成一个整体，因此，为了避免由于单个配电板的故障影响到其他配电板正常工作，需要在故障发生时及时切除故障，如隔离发电机或者配电板使其他正常的部分继续工作。

4.1.1 母排短路保护

（1）母排差动保护

图3 母排差动保护原理

（2）母排方向性过流保护

该保护通过使用GOOSE通信和控制逻辑实现。如图4所示，在每段配电板两侧的母联开关处分别安装三相电流互感器和三相对地电压互感器。三相电流和三相对地电压信号分别接入主、从母联开关的综合继电保护中。母联开关的综合继保可测量三相电流的大小并判断电流的方向。当母排短路时，两侧的综保能够测量到短路电流和方向，在主母联综保中产生的逆向过电流报警信号通过GOOSE通信分送到从母联综合继保中，从母联继保根据所接收到的方向性过流信息和自己产生的方向过流信号进行比较，判断出故障点，再通过GOOSE发出分闸指令同时分断两个母联开关，隔离故障母排。为了减少短路故障对设备的影响，应尽快切除故障，通常母联开关的分断约为200 ms。在母联开关分断后约150 ms发出指令分断发电机开关。完全切断故障的时间

t

< 400 ms， 方向性过流保护常常被用于母排短路的后备保护。

图4 母排方向性过流保护原理

（3）母排弧光保护

母排弧光保护主要动作依据母排短路时产生的弧光和电流增量。当同时检测到弧光和电流增量时发出分闸指令。弧光保护主要由弧光保护单元、I/O单元和弧光传感器组成。弧光传感器可安装在开关设备所需要的位置实现分区保护。弧光保护单元能显示故障发生位置。弧光保护原理简单，动作迅速，并能定位故障，常常作为独立的母线短路保护。

图5 母排弧光保护原理

4.1.2 电缆差动保护

电缆差动保护用于保护2个配电板之间的母联电缆，电缆差动保护基于电流的比较，在电缆两端安装电流测量装置，他们之间可以通过通信相互获取对方的测量值，与自己的测量值进行比较，由于电缆两端流过的电流是一致的，如果电缆两侧测量的电流值出现偏差将表明电缆某处出现故障（接地或者短路），电缆两侧的综合继电保护设备将启动将电缆隔离，切除故障。

图6 电缆差动保护原理

4.1.3 母排接地保护

母排接地保护通过方向性保护实现，如图7所示，在配电板两侧母联开关处安装零序电流和零序电压互感器并接入各自母联开关的综保，由综合保护测量两端母联的方向性接地电流和零序电压。当发生母排接地故障时，两侧母联综保通过GOOSE通信获取对方的逆向接地电流超限故障，结合两端的方向性接地电流故障和零序电压判断出故障配电板，并分断母联开关，同时也将该段母排上所有供电和馈电开关分闸实现故障配电板隔离。

图7 母排接地保护原理

4.1.4 隐藏故障保护

那些没能被检测到的故障称为隐藏故障，如开关的机械故障、脱扣电磁线圈的故障等，没能及时被系统检测到，当出现这些故障时主保护系统拒动或者不能切除故障点，需要启动备用的保护系统来隔离故障的设备或者系统。主保护和备用保护应当为完全相互独立的，并应当采用不同的原理，但是应当有相同的功能可有效隔离或切除故障设备和系统。

闭环系统设计中需对所有元器件和系统认真考虑隐藏故障的影响，其中包括硬件和软件。尽管备用保护系统能够避免隐藏故障带来的影响，还是应该采取必要的措施来尽可能减少隐藏故障，如系统自检、回路监测、通信监测、一致性监测等等。通过这些自诊断功能来尽可能消除影藏的故障。

4.1.5 发电机高级保护

发电机的某些故障是逐步恶化的，当故障发展到一定程度时，会影响其他正常运行的发电机，可能造成全船断电。为了避免这种情况发生，闭环电网要求为发电机配置高级保护，实时监测发电机的运行状态，及时发现和判断故障，提前启动备用发电机并切除故障机，保持电网的稳定和安全运行。发电机高级保护的主要功能包括：发电机调速特性和调速故障的快速监测和隔离；发电机调压特性和调压故障的快速监测和隔离；电站管理及发电机系统自身的自诊能力，如对传感器和执行器的诊断。

每个配电板配有发电机高级保护（如图8所示），该系统测量电站的运行状态，包括功率、频率、电压等，由内部发电机的模型估算出每台发电机的有功功率、无功功率、频率、电压和励磁电流等参数，同时与每台发电机的实际测量参数进行比较，当出现不一致的情况时系统将发出报警并启动备用发电机，如果偏差值超过设定的限制值时，发电机高级保护将停止故障发电机。在环网模式下同步运行时，即使出现电压或频率的控制故障时，发电机会出现逆功率或者过载情况，但是电压和频率的变化会很小，很难判别故障机；此时只有多于3台发电机在线时通过表决的方式判断故障机。发电机高级保护还配备了区域保护，当配电板的电压、频率超过设定值时分断母联开关隔离该配电板。

图8 发电机高级保护

无论是有功还是无功相关的故障监测，都要求响应速度快。为此，发电机高级保护系统要求采用响应速度小于100 ms的高速传感器，如油门刻度，电压、电流传感器以及励磁电流传感器等。

4.2 故障穿越

当发生短路等故障时候，将会导致高电流和低电压等严重的故障发生，电网保护系统将会快速的判断故障并隔离故障，电网电流、电压回到正常状态。但是配电板闭环运行时，由故障导致的电网瞬态变化将会影响到整个配电系统，将会导致负载开关欠压分闸；另外在短路故障被切除时会产生电压的超调。为了满足DP-3对电网的要求，电压瞬时的变化不应当影响到DP相关设备的运行。

（1）发电机辅助系统，如燃油泵，冷却水等；

（2）推进变频器、变压器、电机及其辅助系统；

（3）推进器舵机及其负载系统；

（4）其他与动力定位和电站相关的系统。

如果这些系统不在故障配电板所在的DP分组中，应该具备故障穿越的能力，能够在电网电压恢复后立刻恢复正常工作，不需要操作人员干预，不需要重新启动。电压瞬时变化期间，推进器的DP Ready信号正常，推进器仍然在DP中，辅助系统电机启动器中主接触器仍在吸合状态，电压恢复后所有电机立即恢复正常运转。推进变频器为了实现故障穿越，在母排电压下降期间需要维持直流侧的电压，如图9所示。当电压降低到一定值时VFD开始限制输出扭矩直到输出转矩直至为0，电压继续降低则利用推进器惯性回馈能量以维持直流电压，如果还进一步降低到设定值时，VFD将封锁脉冲直到电网电压恢复，电压回升到一定值后，VFD开始重新启动脉冲，电机恢复正常工作。DNV·GL对故障穿越的能力要求在实船短路测试中验证。

图9 VFD的故障穿越

4.3 其他保护

减少变压器合闸时的浪涌电流，为了避免大负载变压器，如推进器或者钻井变压器合闸时涌浪电流对电网的冲击，造成可能发生的意外断电，闭环系统要求对变压器采用预充磁系统。当然有些公司也采用发电机软启动的方式，也能实现相同的目的。其他还有快速减载功能，断电后的快速恢复功能以及对功率管理系统（PMS）的要求等。

5 结 语

本文介绍了DP-3闭环动力定位系统目前的发展趋势，分析了在DP-3钻井平台电力系统采用闭环电网的优点，以及传统的电力系统在DP-3模式下采用环网运行产生的问题，并针对这些问题提出了相应的解决方案，概述了闭环电力系统保护的关键技术。针对DP-3的闭环已经有比较成熟的技术，目前主要存在问题是如何能够更加准确地判断发电机故障，提高保护系统的响应速度，减少故障对设备的损害等。环形电网目前在动力定位钻井平台上已经开始应用，并且成为第7代钻井平台的一个重要指标。由于近些年市场低迷，新建的钻井设施不多，但是预计未来闭环电站将会成为钻井平台的主流，甚至老旧的平台也可能为了节能而进行闭环的改造。