海洋油气平台调试电力网络建模与配电方案规划

刘 勇，李晓升，郭海平，谢静远，倪崇本

(1.海军装备部驻上海地区第一军事代表室，上海 201913;2.海洋石油工程股份有限公司 安装分公司，天津 300452；3.上海船舶工艺研究所，上海 200032；4.上海交通大学 a.海洋工程国家重点实验室；b.船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引 言

海洋油气平台电气设备众多，电力网络结构复杂，平台交付前的设备调试工作非常重要。在调试期间，设备供电形式多样，平台的主发电机和备用发电机与岸电均可能作为电源使用，但设备的纳期、状态和容量等因素会限制其中一个或多个电源的接入。同时，平台施工作业并未停止，电力网络状态仍在变化中，其中部分断路器可能不可用或多个断路器互斥无法同时接入。油气平台调试期间的配电方案设计是建造过程中的必要环节[1]。

以某海洋油气平台单日的设备调试工作为例，需要在调试工作开始前拟定计划接入的调试设备，根据平台状态明确不可用的断路器和电源，根据电源和断路器容量平衡负载，给出合理可用的配电方案。长期以来，油气平台调试工作的配电方案高度依赖经验。通过对某型平台调试阶段的电力网络结构深入研究，提出将电力网络进行拓扑建模、运用寻路算法智能规划合理配电方案的方法。

1 电力网络拓扑建模

在海洋油气平台电力网络中进行供电路径规划的先决条件是使用数学模型描述电力网络的拓扑结构。图结构是数据结构的一种，常用于描述网络的拓扑结构。图由节点和连接组成。海洋油气平台调试阶段电力网络单线图如图1所示，其中：WHP(Wellhead Platform)为井口平台；WHPA为井口平台A；VCB(Vacuum Circuit Breaker)为真空断路器；ACB(Air-operated Circuit Breaker)为万能式断路器；Transformer为变压器。

图1 调试阶段电力网络单线图示例

海洋油气平台调试阶段的电力网络可概括为由干路和3类分支线路(供电线路、负载线路和连接线路)共同组成的网络。干路是整个网络的主干，根据电压可区分为高压干路和低压干路，不同电压的干路之间无法直接连接。供电线路是由岸电或发电机开始、经断路器和变压器等设备接入干路的分支线路。负载线路是由干路引出、经变压器和断路器等设备连接至具体的用电设备或配电板的分支线路。连接线路是不同干路之间的连接通道，在连接不同电压干路时连接线路需要配置变压器。按干路和分支线路的模型将电力网络分解，每条干路或分支线路的结构均可简化为无分支的简单路径，经抽象提取的电力网络[2]如图2所示。

图2 电力网络干路与分支路线

在电力网络图中，所有的设备均对应一个节点；所有分支路线在干路上的接入点需要对应一个节点；干路和分支路线上的所有连线均对应一条边。图的保存方式分为连接列表和连接矩阵，根据电力网络的结构判断，其对应的图结构为弱连通形式，因此使用连接列表的方式节约存储空间。

根据供电路径规划的需要，将电力网络的节点分为4类：普通节点、电源节点、开关节点和负载节点。普通节点对应干路的接入点和变压器，仅需要记录连接关系，在单线图中不属于设备，直接按序进行编号。电源节点为岸电和发电机的抽象模型，由于岸电无功率限制，而发电机有最大功率，因此电源节点需要额外记录功率、电压和类型(岸电或发电机)的属性。开关节点为断路器的抽象模型，在每次调试工作前需要知晓断路器的开合状态，在设计配电方案时需要考虑断路器的许用电流，由于部分断路器之间存在互斥关系，即断路器A和断路器B无法同时合上，因此开关节点的额外属性需要包括开合状态和互斥列表。负载节点对应具体的用电设备或配电板，其额外属性为功率。

各类节点建模的字段如表1所示。

表1 节点建模字段列表

在将所有设备与接入点抽象为节点后，仅需要逐条将干路和分支路线的连线两侧节点编号记下，纳入图的连接集合，即可完成电力网络拓扑建模。电力网络局部设备与接入点的抽象化建模结果如图3所示，其中：IL为擎住电流(Latching Current)符号；RMS(Root Mean Square)为均方根；NC(Normal Close)为常闭触点；NO(Normal Open)为常开触点；MCCB(Moulded Case Circuit-Breaker)为模压外壳断路器。

图3 电力网络拓扑模型构建

2 基于寻路算法的配电方案规划

在电力网络图中，一个配电方案由多个从电源节点出发、连接至负载节点的路径组成。进行配电方案规划的第一步是进行供电路径搜索。搜索2个节点之间连通路径的寻路算法分为宽度优先搜索(Breadth First Search，BFS)、深度优先搜索(Depth First Search，DFS)、A*和贪婪等。根据电路网络的整体拓扑结构，选择相对成熟简便的BFS算法。

BFS是连通图的一种遍历算法，是很多重要的图的算法原型，属于盲目搜寻法，目的是系统地展开并检查图中的所有节点，以寻找结果。BFS并不考虑结果的可能位置，而是彻底搜索整张图，直到找到结果为止。BFS的基本过程是从起点开始，一层一层由内向外遍历所有节点；每次搜索指定点，并将其所有未访问过的邻近节点加入搜索队列，循环搜索直到队列为空。BFS算法描述如下：①将起始节点压入搜索栈内；②搜索栈首节点弹出并标记为已访问，遍历该节点的全部未访问邻居节点；③将全部未访问邻居节点压入搜索栈；④重复第2步，直至搜索栈清空。

由于断路器的开合状态影响电力网络的连通性，进而影响图模型的结构，因此在执行BFS算法前需要检验所有的开关节点。对于互斥列表为空的开关节点，在算法中全部默认为合上，除非用户指定为断开；对于互斥列表内的开关节点，基于互斥关系进行穷举，每种互斥配置均单独生成一张新的图结构进行搜索。电力网络互斥节点如图4所示，其中：1和2为互斥开关节点；A为电源节点；a和b分别为负载节点。按互斥关系产生仅有节点1和仅有节点2的2张派生图进行搜索[3]。

图4 电力网络互斥节点示例

在处理互斥节点后，给定电源节点和负载节点即可进行供电寻路。单个供电路径BFS结果如图5所示：最终抵达名为MCCB01的配电板。

图5 供电路径BFS结果

每次BFS可稳定返回2个节点之间的一条供电路径，而一次调试工作存在多个可用电源和多个负载设备，需要进行多次供电路径搜索，分别保存每个电源-设备的路径，用于不同的配置方案。以3个电源节点(A、B和C)、2个负载节点(a和b)为例，在供电路径穷举后共有9种配置方案，如表2所示。

表2 3个电源节点、2个负载节点的供电路径配置方案

穷举的配置方案并非全部有效，其中一些会超过电源或断路器承载上限，其余配置方案在物理上完全等效，需要进一步对配电方案进行校验，保留实际有效的方案[4]。

3 配电方案校验

配电方案校验主要包含3项内容：电源容量检验、断路器容量检验和重复方案剔除。

电源容量检验是计算每个电源的累积承载功率。单个电源负载功率为累加对应的负载设备功率值，将其与电源的功率上限值进行比较，超出功率上限的配置方案不可行，应当剔除。

断路器容量检验是将断路器的累积电流值置零，遍历全部供电路径，根据功率计算供电路径经过的断路器电流值。将每个断路器累加电流值与断路器许用电流值进行比较，超出的方案为不可行，予以剔除。

在通过电源容量校验和断路器容量校验的配置方案中，有些是在物理上等效的重复方案，将每个方案的电源和断路器电流作为特征值进行检验，特征值完全一致的视为相同方案予以合并[5]。

4 配电软件开发

在上述工作的基础上，基于VS2019 C#进行海洋油气平台调试配电软件的开发工作。软件实现的主要功能：以Excel表格形式读取电力网络拓扑结构并建立对应图模型；根据用户选择配置ACB、MCCB和VCB状态；根据用户选择电源和负载列表进行配电方案的规划与检验，并保存输出至Excel表格文件[6]。海洋油气平台调试配电软件界面如图6所示。

图6 海洋油气平台调试配电软件界面

5 结 语

在海洋油气平台的调试过程中涉及频繁的配电方案规划工作。配电方案的核心逻辑是根据每次调试的电力网络连通状态，寻找合理供电路径。基于图结构进行海洋油气平台电力网络拓扑结构建模，基于寻路算法设计配电方案的规划方法，并开发配电方案规划软件，为海洋油气平台调试工作提供支持。