标题 | 流花11-1FPS电站电源管理系统(PMS)的设计与开发 |
范文 | 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 [1]高健.浅谈海上电网优先脱扣系统控制方法[J].通讯世界,2016(1):174-175. [2]刘新天.电源管理系统设计及参数估计策略研究[D].合肥:中国科学技术大学,2011. [3]罗宇杰.浅谈电气自动化在电力系统中的应用[J].广东科技,2007. [4]谭啟韬.电力推进型船舶PMS电站管理系统设计[J].电子世界,2013(12):47. |
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