基于关键数据信息的油田群岸电故障识别及定位

黄浩军，冀泓舟，孟凡磊

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102；3.中海油安全技术服务有限公司，天津 300450）

0 引言

海上油田一般采用自备的发电机供电，随着海上油田技术的进步，油田开发的规模越来越大，以海上平台为基础形成的负荷变得日益庞大。此外，部分油田没有伴生气或者伴生气不足，需要采用原油发电机组，对原油的消耗量巨大，影响油田产出，污染严重，且发电机依赖进口，目前我国不具有自主生产能力[1]。借助岸电技术通过陆地电网为海上油田供电可很好地解决上述问题。

在秦皇岛和曹妃甸油田群岸电应用工程中，建立两个220 kV 开关站从电网引入220 kV 电源，通过高压交流海底电缆送至两个海上动力平台，并通过110 kV海底电缆互联实现电力互供，实现双路电源[2]。稳定性是岸电系统中的核心问题，在交流输电过程中易发生三相接地、单相接地、双相接地问题，但是现有文献尚未对岸电系统故障的识别问题和预防措施进行深入研究[3-6]。文献［7］通过峭度值识别了超高电压下的单相故障，但是未对其他种类故障的识别方法进行研究。文献［8］提出海上平台故障的供电恢复策略，但是系统建模和分析过程中忽略了线路阻抗的影响。文献［9］通过沿线电压分布规律快速锁定故障位置，但是所提出的方法无法确定故障类型。文献［10］通过电压相位的波动特征，对单相永久性故障进行了研究，但未对海上油田系统进行研究。

为及时识别故障，减小故障发生率及连带损失，保证输电稳定性，通过建立秦皇岛曹妃甸油田群岸电的电磁暂态仿真模型，模拟不同位置及不同类型故障，提取故障信息和故障发生前后的典型特征量，提出油田岸电运行故障识别算法，该算法可用于实际工程系统故障识别，极大提高了供电质量和安全性，在节能减排、周边油田依托开发等方面的社会效益显著，有利于推进碳达峰和碳中和计划的国家战略。

1 油田岸电等效模型及特点

根据渤海海域秦皇岛和曹妃甸油田群岸电系统的设计图建立油田岸电系统的拓扑结构（图1）。

图1 油田岸电系统拓扑结构

该系统采用HVAC（High Voltage Alternating Current，高压交流输电）技术，主要有曹妃甸和秦皇岛两个海上平台。由唐山港和乐亭分别用42.8 km 和26.7 km的海底电缆输送至曹妃甸和秦皇岛海上平台，曹妃甸和秦皇岛海上平台用62.3 km 的海底电缆相连，曹妃甸海上平台的负载为120 MW，秦皇岛海上平台的负载为80 MW。

1.1 海底电缆等效模型

线路电压为110～220 kV 的海底电缆采用中等长度输电线路。此种线路由于分布电容不可忽略，电晕影响可以不计，即G=0，可得：

由于Π 形等效电路更为常用，这里采用图2 中的Π 形等效电路。

图2 交流输电线等效电路

1.2 交流输电技术特点

将HVAC 用于海上油田电力传输，由于交流海底电的分布电容远远大于架空线，电缆相当于一部分输送能力被电容占用，当线路过于长时，电缆上的输送能力会被电容占据，造成线路无法输送电能，导致海上的输电距离受到限制。交流电缆的电容效应会降低线路的输电效率，电压等级越高，交流电缆线路越长，充电功率越大，可在线路两侧装设无功补偿装置保证线路功率的正常传输。对于海底电缆，线路位于海底，无法在线路中部进行补偿，输电距离受到限制，常用电压等级电力输电线路以及输电距离的大致范围见表1[11]。

表1 HVAC 电缆电压等级与输送容量、输电距离间的关系

表1 中所示范围内的交流输电经济性较高，从表1中可以看出HVAC 一般适用于小规模输电例如海岛供电和近岸石油平台供电等[12]。

2 故障特性分析

2.1 系统模型

在PSCAD/EMTDC 中搭建如图3 所示的油田岸电交流输电系统。通过针对油田岸电系统，分析不同故障下的系统响应特性，搭建HVAC 输电模型的具体参数见表2。

表2 秦皇岛和曹妃甸油田岸电输电系统参数

图3 油田岸电交流输电系统模型

2.2 仿真分析

在仿真模型中分析发生单相接地、双相接地、三相断路3 种故障时系统的动态响应。

2.2.1 单相接地和两相接地

于5 s/10 s/15 s/20 s/25 s 在位置I/II/III/IV/V 发生暂时性单相和两相接地故障，故障持续时间均为2 s，系统故障特性如图4所示。在I/II（III/IV/V）点发生接地故障时，对V1（V2）产生更大影响，这是由于V1（V2）相对于故障发生点的距离不同。

图4 不同位置发生单相/两相接地故障时的动态特性

发生短路故障时，线路电流增大，流入故障点，在两个变压器中间的传输线发生短路时即位置II（III），短路电流I1（I2）增大最明显，是由于此处距离故障点最近。

2.2.2 三相断路

于5 s/10 s/15 s/20 s/25 s/30 s 在位置I/II/III/IV/V/VI 发生暂时性三相断路故障，故障持续时间均为2 s，系统故障特性如图5 所示。

图5 不同位置发生三相断路故障时的动态特性

在I 处发生断路故障时，乐亭开关站供电中断，导致V1和V2减小，V1距离故障点更近，电压跌落更明显。在II、III、IV、V 处发生断路故障时，两侧开关站电源连接断开，分别独立向负载进行供电。在II 处发生断路故障时，I1电流降为零。在III 处发生断路故障时，I1电流减小，V1电压上升，V2电压下降。在IV 处发生断路故障时，I2电流降为零。在V 处发生断路故障时，I2电流减小，V1电压上升，V2电压上升。在VI 处发生断路故障时，乐亭开关站供电中断，导致V1和V2减小，V2距离故障点更近，电压跌落更明显。

3 故障识别

交流海底电缆发生故障概率相比架空线路低很多，但是由于交流输电电缆位于海底，停电检修和维护难度大，有必要针对交流海底输电线路进行故障位置及类型的识别。在上述数据的基础上，研究交流海底电缆输电故障类型及位置的识别方法。

3.1 故障类型判断

设置电压电流的基准值，Iset=1pu，Vset=1pu。结合实验数据对故障类型做出判断，如图6 所示，为之后的故障位置判断奠定基础。

图6 故障类型识别

数据输入后，当I1＜10Iset，故障为三相断路，当I1＞10Iset，故障为单相短路或两相短路，当V1＜0.4Vset，故障为单相短路，否则判断V2＜0.4Vset，如果符合则为单相短路，不符合为两相短路。

3.2 故障位置判断

当交流输电发生故障时，通过图6 流程进行判断得到故障类型，根据不同故障类型通过图7 进行相应的判断，得出故障位置。

图7 故障位置识别

发生单相短路（两相短路）故障时，当V1＜0.8Vset（V1＜0.4Vset），故障位置为I 或II，当I1＜100Iset，故障位置为I，否则故障位置为II。当V1＜0.8Vset（V1＜0.4Vset），故障位置为III、IV 或V，当V2＞0.67Vset（V2＞0.2Vset），故障位置为V，否则判断I2＞100Iset，如果符合为III 处发生故障，如果不符合为IV 处发生故障。

发生三相断路故障时，当I1＜Iset，故障位置为III或II，当V1＞1.01Vset，为II 处发生故障，否则为III 处发生故障。当I1＞Iset，故障位置为I、VI、IV 或V，当V1＜0.99Vset，为I 处发生故障，否则为VI、IV 或V 处发生故障，当V2＜0.99Vset，故障位置为VI，否则判断I2＜0.2Iset，如果符合为V 处发生故障，不符合为IV 处发生故障。

3.3 识别方法

通过故障类型和故障位置的判断，提出交流海底电缆输电的故障识别方法如图8 所示。数据输入后，进行逻辑判断，判定系统是否发生故障，再判断故障类型，最后判断故障位置并发出故障类型和位置。

图8 故障识别

4 结论与展望

针对秦皇岛和曹妃甸油田群岸电案例对交流输电进行研究，建立交流海底电缆的线路模型并选取交流输电过程中的故障类型和故障位置。在PSCAD/EMTDC中搭建交流输电模型，对3 种故障的不同位置进行仿真并选取测量位置进行分析。

根据交流输电模型的故障结果进一步提出来对故障的识别，根据不同的故障所得的4 个变量测量值，可以有效识别故障发生的位置和类型，电站工作人员可以根据故障发生的位置和类型进行精准抢修，减小故障时间，减少故障所带来的损失，提高交流输电的经济效益。