流花11-1FPS电站电源管理系统（PMS）的设计与开发

高奇

摘 要 流花11-1FPS海上平台电站是典型的孤岛电站，通过该电源管理系统（PMS），主要实现了两个功能：1）机组出力管理，PMS系统通过PLC采集机组数据，然后按照机组出力偏差和频率偏差对发电机出力进行调整；2）负荷优先脱扣，当PMS系统检测到发电机开关跳闸后，然后按照系统预先计算的卸载范围进行脱扣，以保障孤岛电站的平稳运行和设备的安全。

关键词 电源管理系统；PMS；安全生产

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0211-03

流花11-1油田位于南中国海珠江口外海海域，距香港东南约220km，水深约310m左右。平台电站由3台进口小功率机组和一台大功率国产机组并网供电，对运维人员来说，保持电站平稳运转具有很大的挑战性。

流花11-1FPS电站电源管理系统（PMS）由发电机组PLC控制系统，与VSD PLC系统，钻机SCR PLC和集成在FPS生产控制系统（FCS）的电源管理PLC组成，实现对平台现有电源管理功能。

电站电源管理系统（PMS）要切实保障油田电站正常生产和生活用电的需求，所以必须满足以下条件：

1）确保人身安全和设备安全。

2）确保持续供电和可靠性供电。

3）确保电能质量和减少能源浪费。

4）尽可能做到节能减排，提高能源效率。

油田电站安全可靠运行、提供优质电能和提高电能经济性，是PMS系统建设和运营的一项最基本任务。

1 设计原则

流花11-1FPS电站PMS系统按照以下原则进行设计：

1）符合国家标准、行业标准和相关规定，严格按照国家或者国际及行业最新规范和标准要求

2）性价比高，系统具有较高的性能价格比，使管道以最低的运行成本、最优的工况正常运行。

3）技术先进，功能强大，系统采用罗克韦尔自动化公司软硬件产品进行开发，其产品在工业应用中已被证明是成熟的产品。系统具有强大的人机对话能力，能满足各种现场复杂环境下的连续监控的功能。

4）系统安全、稳定、可靠。PMS系统的PLC控制器、控制电源、I/O系统、HMI等都采用冗余的架构，重复利用率可达到99.99%，当某一节点发生故障时，可自动进行切换，电站系统安全、稳定、可靠的运行。

5）可扩展性强，硬件是模块化的，允许将来在容量和功能上的扩展。

2 硬件架构（图1）

流花11-1FPS电站PMS系统控制系统硬件采用A-BPLC的ControlLogix系统，ControlLogix系统封装外形小，不仅可提供离散、驱动、过程和安全控制，还具有可靠的通信功能和最先进的I/O，系统采用模块化结构，使开发者能高效的进行设计、构建和修改，从而大幅节省培训和工程设计成本。

2.1 过程信号采集

系统输入信号：

1）发电机输出功率。

2）发电机组出线断路器状态。

3）4160V A/B段母线频率。

4）ESP，生产管汇及测试管汇运行优先权数据。

5）钻/修井工况时，SCR系统斜率控制和相位控制。系统输出参数：

1）以百分比柱状图形显示的发电机功率。

2）VSD/ESP运行功率。

3）发电机组接入和停机提示信号。

4）系统错误，事件及故障报警信号及打印。

5）钻机SCR系统模拟相控信号。

6）ESP/VSD 速度降低至预设低频信号。

2.2 软硬件配置

PMS系统的硬件要求配置如下：

1）ControlLogix系统采用双环ControlNet网络。

2）CPU采用冗余配置。

3）各控制子站的交换机网络采用冗余环网架构。

4）由不间断电源供电（即UPS），信号电源采用独立的DV24V电源供电。

5）DO信号输出的继电器需确保可靠性。

6）HMI服务器由主服务器和备用服务器构成。

7）PLC程序基于RSLogix5000开发，上位机基于FactoryTalk View Studio开发。

3 系统功能（图2）

3.1 电源管理及负荷分配

PMS系统与5台机组通过以太网通讯交换数据，包括有功功率、无功功率、频率、电压等。并根据不同的在线发电机配置，PMS系统可与发电机的调速器和AVR协调工作，并实现以下功能。

1）有功功率和无功功率分配控制：在电站中发生负荷波动时，为了防止个别发电机的频率和电压可能会接近其PQ图的边界，此时PMS系统将分配各发电机组之间的出力，以提高系统在扰动下的稳定性。

2）功率需量和功率因数控制：PMS系统会实时各发电机相对于母线的输入/输出功率，并计算功率差额。然后根据功率因数的范围，在满足发电机基本出力的前提下，调整AVR控制无功功率输出，以维持系统的功率因数在合理范围内。

3）母线频率和电压控制：当电站负荷发生变化时，系统调整发电机输出的有功功率和无功功率，以维系电站的频率和电压稳定。

3.2 负荷优先脱扣

PMS系统会实时监测电站电气设备的状态，如发电机的出力、负载消耗的功率以及断路器的状态。当系统检测到发电机断路器跳闸，则会根据预计算的能量平衡结果，如果超过了电站所能承受的最大出力，则切除部分负荷，以确保电站发电机平稳运行。

优先脱扣系统可设置多个优先级，由运行人员预先定义。在系统中针对不同的优先脱扣触发条件，形成一个优先级别卸载表，当优先脱扣触发后，将系统计算得到的卸载级别与优先级别表对比后，发出卸载指令，卸载时间在80ms以内。

3.3 重载启动时负荷的保证及分配

一些重载设备（大负载）都可在HMI上设定额定负载及启动冲击系数。系统根据机组剩余功率、要启动的重载设备额定功率及启动冲击系数，实时计算发电机功率余量，以判断此重载能否启动。重载启动后，机组按照前述负荷分配模式自动分配负荷。

3.4 断路器的控制及自动同步控制

断路器与控制系统之间通过硬接线，连接断路器状态、手车位置、分合闸指令等信号，实现包含基本的状态监视、控制等功能。当进行发电机并车时，系统会判断逻辑条件，发出发电机断路器合闸指令，并最终由同期装置完成并车。

3.5 备用发电机组自启动控制

当在线机组发生故障停机，或过载，过流，过压，低频等极限情况时，处于备用状态的机组自动启动。

3.6 电站监控和报警系统

系统监视整个电站主要电气设备的状态和运行参数，当出现报警时，会有多种报警提醒方式，包括蜂鸣器，指示灯，旋转报警灯，同时HMI上会有详细的报警信息文字。

4 关键技术问题介绍

4.1 发电机转速控制技术

发电机的调速系统中调频器的作用在于，当发电机的负荷发生改变时，手动或者自动的操作调频器，使发电机的静态特性发生改变。如果负荷变动时，调速系统使原动机的转速保持不变，则称之为无差调节（Isoch）；而如果负荷变动时，原动机的转速随着负荷增大而降低，则称之为有差调节（Droop）。多台发电机并列运行时，为了实现对其调节的有效性及避免系统震荡，都会采用单机Droop模式运行，调速系统完成部分调速任务，剩下的由机组控制系统来实现转速无差调整。

4.2 发电机频率调整策略

区域发电机组频率调节时，可分为按频率偏差调整、按交换频率偏差调整和按频率和交换功率偏差调整三种。按频率偏差调整时，只能保证系统频率不变，不能控制联络线上流通的功率；按交换功率偏差调整时，只能保证联络线上的交换功率不变，而不能控制系统的频率。只有按频率和交换功率偏差调整时，才可以保证区域范围内功率的就地平衡。在PMS系统，对影响发电机频率的各个调整因素进行逻辑排序，当发电机的频率和对电站的有功贡献发生偏差时，便对其进行相应调整。

5 结论

流花11-1FPS电站PMS系统自投入运行以来，系统运行效果良好，给整个电站提供了完整的安稳策略，极大地减少了故障停产的损失，取得了显著的经济效益，为整个油田安全稳定生产提供了可靠的保障。

参考文献

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