海洋石油电气自动化系统继电保护安全技术应用

张庆航，苏利然，陈烽文

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤西作业公司，天津 300457)

0 引言

随着海洋石油开发的不断深入和扩展，对海洋石油平台和设备的电气安全保护变得至关重要。电气设备的故障或事故可能导致严重的人员伤亡、环境破坏和经济损失。因此，研究和应用电气自动化系统的继电保护安全技术对保障海洋石油工作的安全性和可靠性具有重要意义。

1 海洋石油电气自动化系统继电保护概述

1.1 电气自动化系统的定义和功能

电气自动化系统是指在海洋石油开发中广泛应用的一种控制系统，它主要由电气设备、传感器、控制器和通信网络等组成，用于监测、控制和保护海洋石油平台或海底油井的电力系统。该系统的主要功能包括实时监测电气参数、实现远程控制、保障电力系统的稳定运行以及提供安全保护等。在海洋石油开发中，电气自动化系统扮演着关键角色，不仅能够实现对电力系统各个部分的集中监控和控制，还能提供快速响应和自动化操作，从而提高生产效率和安全性。在海洋环境中，电气自动化系统面临着复杂的工作条件和安全挑战，因此继电保护作为系统的重要组成部分，发挥着保护电力设备和人员安全的重要作用[1]。

1.2 继电保护的定义和作用

继电保护是电力系统中常用的一种保护手段，它通过监测电气参数的变化，并根据事先设定的保护参数和动作判据，及时采取措施保护电力设备免受电力故障或异常工作状态的影响。继电保护系统能够快速、准确地检测电力系统中的故障、短路、过载、欠电压和过电压等异常情况，并迅速切断故障部分，保护电气设备免受进一步损坏。在海洋石油电气自动化系统中，继电保护的作用至关重要。它能够及时检测和保护关键电气设备，如发电机、变压器、开关设备和电缆等，避免因电力故障而导致的生产中断、设备损坏甚至人员伤亡。继电保护系统的可靠性和准确性直接影响着海洋石油开发的安全性和经济效益。

1.3 海洋石油电气自动化系统的特点

海洋石油电气自动化系统的特点对继电保护的安全技术应用提出了特殊要求。

(1)复杂环境。海洋环境的恶劣条件，如高湿度、高盐度、大气腐蚀和高温等，对电气设备和继电保护系统的性能和可靠性产生重要影响。同时，海洋石油开发面临复杂的安全风险，如火灾、爆炸、电弧和电气故障等。因此，继电保护需要能够及时检测并切断故障电路，以保护设备和人员的安全。

(2)远程操作和维护。海洋石油平台或海底油井通常位于偏远的海洋环境中，需要实现远程监控和操作。继电保护系统需要具备远程通信和控制能力，以便远程监测电气参数并及时采取保护措施。海洋石油开发涉及大规模的电气设备和复杂的电力系统，因此继电保护系统需要能够同时监测和保护多个设备和电路，并能够处理大量的故障和异常情况。

(3)高可靠性要求。海洋石油开发对电力供应的可靠性要求极高。继电保护系统需要具备高可靠性和冗余性，以便在故障发生时迅速切断故障电路，确保电力系统的稳定运行。针对海洋石油电气自动化系统的特殊需求，继电保护安全技术的应用应考虑这些特点，并提供相应的解决方案，以确保电气设备和人员的安全[2]。

2 海洋石油电气自动化系统继电保护的安全需求

2.1 安全性要求和挑战

海洋石油电气自动化系统继电保护在安全性方面面临着特殊的要求和挑战。安全性是海洋石油开发中至关重要的因素，对人员、设备和环境的保护具有重要意义。在继电保护领域，有下述安全性要求和挑战：

(1)可靠性。海洋石油电气自动化系统继电保护需要具备高度的可靠性，即在故障发生时能够快速、准确地检测并切断故障电路。这要求继电保护系统的设备和算法具备稳定性和可靠性，以确保在各种工作条件下都能正常运行。

(2)快速响应。海洋石油电气系统中的故障可能会导致严重的安全问题，如火灾、爆炸和设备损坏。继电保护系统需要能够快速响应并采取适当的措施，以尽快切断故障电路，最大程度地减少事故的发生和扩大范围。

(3)精确性。继电保护系统需要具备精确的故障检测和定位能力，以确保故障电路的准确切断，避免误操作和漏保护的情况发生。精确性要求继电保护系统具备高精度的测量和判断能力，并能在复杂的电力系统中准确识别和响应故障。

2.2 灾害事故对海洋石油电气系统的影响

灾害事故对海洋石油电气系统的影响可能是灾难性的。这些事故可能导致人员伤亡、环境破坏和生产中断，对海洋石油开发和运营造成重大影响。

(1) 火灾和爆炸。电气设备故障、电弧和短路等因素可能引发火灾和爆炸，对人员和设备造成严重威胁。灾害事故的扩散和蔓延可能导致严重的安全后果，如设备烧毁、环境污染和生产中断等。

(2) 电气故障。电气系统中的故障可能导致设备的异常运行和损坏。电力故障可能引发电压波动、过电流和过电压等问题，对电气设备和系统稳定性产生不利影响，可能导致设备故障、停电和生产中断。

(3)系统不稳定。在海洋石油电气系统中，故障电路的存在可能导致系统的不稳定性，影响整个电力网络的运行。系统不稳定可能导致电力质量下降、设备损坏和生产中断等问题。

2.3 继电保护在事故预防和保护方面的重要性

继电保护在海洋石油电气自动化系统可以预防事故的发生并提供必要的保护措施。

(1)故障检测和切断。继电保护系统能够快速、准确地检测电气故障，并及时切断故障电路。通过故障检测和切断，继电保护系统可以防止故障扩大和进一步影响系统的稳定性和安全性。

(2)精确定位和定序。继电保护系统具备精确的故障定位和定序能力，能够准确判断故障发生的位置和顺序。这对快速修复故障、恢复系统运行具有重要意义，避免延误和进一步损失。

(3)远程监控和操作。继电保护系统可以实现远程监控和操作，通过远程通信技术实时监测电气参数和状态。远程监控和操作能够及时发现问题并采取相应措施，提高系统的响应速度和安全性。

3 海洋石油电气自动化系统继电保护的技术应用

3.1 状态监测技术

在海洋石油电气自动化系统中，状态监测技术是继电保护的关键应用之一。通过监测设备和传感器，系统可以实时获取各种电气参数和状态信息，为继电保护系统提供准确的数据支持。以下是状态监测技术在海洋石油电气自动化系统继电保护中的两个重要方面。

3.1.1 传感器和监测设备

传感器是状态监测技术中的关键组成部分。在海洋石油电气自动化系统中，各种传感器被部署在关键设备和线路上，用于监测电流、电压、温度、湿度等关键参数。常用的传感器包括电流互感器、电压传感器、温度传感器和湿度传感器等。这些传感器能够实时采集各个设备和线路的状态信息，为继电保护系统提供准确的输入数据。

3.1.2 监测参数和数据采集

通过传感器和监测设备采集到的参数数据需要进行有效地采集和处理。监测参数的选择和配置是继电保护系统设计中的重要环节，在海洋石油电气自动化系统中，常用的监测参数包括电流、电压、频率、功率因数、温度等。这些参数的实时监测和采集能够帮助继电保护系统准确判断设备和线路的工作状态，及时发现潜在的故障。数据采集是状态监测技术中的关键环节，可以实现对传感器和监测设备采集到的参数数据进行实时记录和存储。数据采集系统能够处理大量的数据流，将数据转化为可视化的图表、曲线和报表，为继电保护系统提供直观、可操作的信息。状态监测技术的应用为海洋石油电气自动化系统继电保护提供了重要的技术手段。通过传感器和监测设备的部署，可以实时获取关键设备和线路的状态信息。同时，数据采集和处理技术能够帮助继电保护系统准确分析和判断电气故障，及时采取相应的保护措施。

3.2 故障诊断与定位技术

在海洋石油电气自动化系统的继电保护中，故障诊断与定位技术是关键的应用领域。这些技术能够帮助系统准确识别故障类型、快速定位故障位置，并采取相应的措施进行修复。以下是故障诊断与定位技术在海洋石油电气自动化系统继电保护中的两个重要方面。

3.2.1 故障诊断方法和算法

故障诊断方法和算法是故障诊断技术的核心。在海洋石油电气自动化系统中，常用的故障诊断方法包括基于规则的诊断、基于模型的诊断和基于统计的诊断等。基于规则的诊断方法依靠预先定义的规则和经验知识进行故障诊断，可以快速准确地判断故障类型。基于模型的诊断方法基于电气设备的数学模型，利用模型和实际测量值之间的差异进行故障诊断。基于统计的诊断方法通过统计分析故障数据，识别异常模式和故障模式，从而实现故障的诊断。此外，故障诊断算法的应用也非常重要。常见的算法包括模式识别、人工智能算法(如神经网络、遗传算法、模糊逻辑等)以及机器学习算法(如支持向量机、决策树、随机森林等)。这些算法能够处理大量的数据，并从中发现潜在的故障模式和规律，从而实现准确的故障诊断。

3.2.2 故障定位技术

故障定位技术是在发生故障后，准确确定故障位置的重要手段。在海洋石油电气系统中，故障可能包括短路、接地故障、过电压等。故障定位技术通过测量电流和电压的相位差、幅值变化以及故障时的波形特征等参数，计算故障点的位置。海洋石油电气自动化系统中常用的故障定位技术包括：(1) 基于距离保护原理的定位是一种常用的故障定位方法，它通过测量电流和电压之间的相对距离，根据预设的阻抗特性来确定故障位置。该方法适用于线路上的短路和接地故障的定位。(2) 基于波动阻抗的定位：波动阻抗是指故障点周围电气系统的阻抗在故障发生时出现明显变化的现象。基于波动阻抗的定位方法通过监测和分析电压和电流波形的变化，计算故障点附近的波动阻抗，从而确定故障位置。(3)基于时差测量的定位，这是一种常用的故障定位技术，它利用电流和电压在故障点处的时差来确定故障位置。通过测量电流和电压的到达时间差，结合传输速度等参数，可以计算出故障点的距离。不同的故障类型和系统结构可能需要选择和优化不同的故障诊断与定位技术，以适应实际应用的需求。

3.3 自动化决策与控制技术

自动化决策与控制技术在海洋石油电气自动化系统继电保护中扮演着重要角色。这些技术能够通过分析系统状态和故障信息，自主进行决策并控制系统的运行，以确保系统的安全性和可靠性。

3.3.1 自动化决策算法

自动化决策算法是基于系统状态和故障信息进行决策的关键工具。在海洋石油电气自动化系统中，常用的算法包括规则推理、模糊逻辑、遗传算法、神经网络等。这些算法能够根据故障类型、系统状态和运行条件，自动进行决策并生成相应的动作和控制策略。例如，在发生故障时，自动化决策算法可以自动切除故障部分，重新配置系统运行状态，以确保系统的安全性和可靠性[3]。

3.3.2 控制策略和控制装置

控制策略和控制装置是自动化决策的具体实现。在海洋石油电气自动化系统中，控制策略是根据自动化决策算法生成的决策结果，制定具体的控制方案和操作规程。这些控制策略可以涉及故障隔离、设备切换、负载调节等。控制装置是实施控制策略的硬件和软件设备，可以包括自动化控制系统、继电保护装置、开关设备等。控制装置能够实时监测系统状态和故障信息，并根据自动化决策算法生成的控制策略进行操作，以确保系统的安全性和可靠性。通过自动化决策与控制技术的应用，海洋石油电气自动化系统继电保护能够实现自主决策和控制，提高系统的响应速度和准确性。

4 结语

海底油井电气安全保护案例中的继电保护系统应用以及自动化决策与控制技术的数据展示了其在保障海底油井运行安全方面的重要作用。随着技术的不断进步和创新，可以进一步完善和优化这些技术的应用，提高海洋石油电气自动化系统继电保护的安全性和可靠性，为海洋石油工业的可持续发展作出贡献。