摘要：本文详细解释了某油田原优先脱扣系统的原理进行介绍，并分析其不足，提出了一种较为先进的优先脱扣系统。为新老油田中关于该系统的设计及实施提供有价值的理论及实践参考。
关键词：石油平台；优先脱扣；控制逻辑；改造
一、引言
随着海上石油平台的发展，合理利用各个设施孤岛电站的电能，实现油田群电站的优化组网，更加高效、可靠的为用户供电成为现阶段的一项重要任务。为了确保电网的稳定，优先脱扣控制已经成为电网中不可或缺的一项重要功能。虽然各个不同电网优先脱扣控制的基本原理一致，但在实际的运用过程中，某些老油田的优先脱扣逻辑比较粗放，在提质增效的新要求下，已经不能满足当前的实际生产需要，亟需进行合理优化改造。
二、原优先脱扣系统控制原理及存在的不足
以某海上油田的其中一个电网为例，该电网由一艘FPSO及1#、2#两个钻井生产平台组成，由位于FPSO上的5台额定功率为7.76MW的燃油发电机组给FPSO及1#、2#平台上的所有用户供电。正常工作情况下，四台主机在线，一台主机处于备用状态。
（一）原优先脱扣系统控制原理
在FPSO上存在的优先脱扣系统，其基本控制逻辑为：当发生机组过载或跳机时，将1#或2#两个平台的负载整体卸载，保证剩余的在线发电机组能够正常运行。由于每次优先脱扣时都会切除一个或全部平台的所有负载，卸载逻辑过于简单，而且不尽合理。
原有优先脱扣的动作控制原理分为三个卸荷级别，详细情况如下：
一级：在并网的发电机出现一台超载时，优先卸载外输泵。
二级：在外输泵没有运行/运行的条件下，当出现并网的发电机中一台发电机过载或故障停机时，在脱掉外输泵的同时优先卸载1＃和2＃平台中被选择的优先脱扣的平台。
三级：当三台主机并网运行，有两台超负荷或故障停机时，优先卸载外输泵（外输泵运行的条件下）、再卸载1＃和2＃平台。
手动紧急卸荷：当出现紧急情况时，可人为的手动进行紧急电气卸荷。
（二）存在的不足
1.存在隐患
该系统设计理念为20年前传统优先脱扣系统，全平台切除（1#，2#平台），卸载逻辑过于简单，要么卸载过多，要么过少。
2.卸载过多
（1）造成不必要的减产。
（2）机组可能超速，进而保护停机，造成油田停电停产。
3.卸载过少
（1）剩余机组负载过高，处于不稳定状态。
（2）不稳定状态的机组可能再次低频停机，造成油田停电停产。
三、优化改造方案
经过分析现有优先脱扣系统的控制逻辑，从本油田实际情况出发，结合各设施现有硬件配置，以提质、降本、节能、增效为出发点，提出相应的优化改造方案。
（一）需求分析
1.减少停电事故，避免油田溃网，避免单平台断电；
2.精细化卸载，尽可能的加入非生产必需设备进入优先脱扣范围；
3.将三个设施的设备作为一个整体考虑，从油田的角度来管理负载设备；
4.提前计算电力缺口，根据“缺多少，卸载多少”的原则进行脱扣；
5.卸载范围、级别可调整；
6.卸载设备提前预知；
7.电网余量实时管理；
（二）现有INTERLOCK系统硬件配置情况
该油田FPSO、1#、2#平台前期通过改造中，已有一套连锁保护系统INTERLOCK系统，该系统主要应用于平台电力设施、海管保护。
为了减少改造成本，优化后的优先脱扣系统需充分利用已有系统的在信号接入、通讯传输方面提供的便利性，充分利用现有连锁控制系统已有的硬件，降低项目成本，减少设备安装和调试时间。
（三）新优先脱扣控制系统硬件配置方案
在FPSO及两个平台各设置一套控制系统，本方案选择性能可靠的罗克韦尔Control Logix5000系列PLC，其中FPSO作为整个系统的主控制单元，1#、2#为子站。在各设施放置一台上位机，用于实现程序组态、监控、日常操作等功能。
FPSO的优先脱扣控制系统安装在高压配电间，1#、2#平台的优先脱扣机柜安装在UPS间。FPSO和平台的上位机分别安装在高压配电间和中控室，通过网线与现场控制器进行通讯相连。
FPSO/1#/2#之间通过已有的通讯链路相连，为了保证通讯的可靠行，在1#/2#平台均需要从控制子站铺设光纤至平台设备间取代已有连锁控制系统使用的网线通讯。
为实现和原有连锁控制系统的可靠结合，优先脱扣系统采用罗克韦尔Controligx系列可编程控制器及相关软硬件。
考虑到可靠性的要求，本系统在配置中满足以下要求：
●控制器冗余、网络冗余、电源冗余
●通道备用余量不小于30%
●电网安稳系统从故障发生至负荷卸载时间需小于120ms
●系统需配置为环网结构
（四）系统功能描述
1.发电机组的监视和控制
可实现对发电机组各种信息如有功功率、无功功率、频率、功率因数、油温、油压、运行状态、故障信号等的采集。
2.电网余量管理
可实时在线计算电网需要的旋转备用容量，制定相应的开停机策略。
3.优先脱扣功能
基于热备用值和可卸载负荷的实时数据，根据CASE发生的工况，预先计算出需要卸载的负荷，并标识出来，当跳机一旦发生，立即关停已经标示出来的负载。从发生到优先关停负载，优先脱扣内部执行时间加上外部设备动作时间总时间需小于120ms，以满足电网的稳定性要求。
优先脱扣系统控制原理如下：
优先脱扣功能的控制逻辑基于实时工况+触发条件、旋转热备用+预计算，通过对卸载等级的精细化管理，确保了系统可以在PLC的一个扫描周期内完成用户预设范围的卸载，当电站发生如发电机跳闸、发电机/变压器过载等故障时，则触发相应CASE进行范围卸载，以保证电网的平稳运行。
依照在线发电机的数目是否发生了改变，分为跳机类CASE和过载类CASE。
主要参数函数定义如下：
●APT：总在线发电机最大出力；
●APS：单机发电机最大出力；
●RPI：热备用，总在线发电机最大出力减去实际出力；
●OLT：总实时负荷；
●ALT：可卸载负荷；
●Δ：修正值；
●LevelN_KW：级别为N的可卸载设备的总功率；
●Trip_Level：卸载级别；
（1）跳机类CASE
分单机跳闸和多机跳闸两种情况。
①对于单机跳闸：RPI=APT-APS-OLT-Δ
即：CASE发生后的热备余量=总在线发电机最大出力-单机发电机的最大出力-总实时负荷-修正值。
如果RPI≥0，热备充足，不需要进行卸载。反之，则需要卸载，程序继续执行计算PRT+Level1KW，如果PRT+Level1_KW≥0，Trip_Level=1，跳出循环。反之程序继续执行计算PRT+∑LevelN_KW，如果PRT+∑LevelN_KW≥0，Trip_Level=N，如果N>10，则说明热备余量+可卸负载不足，此时就算所有的可卸负载都被卸载掉，发电机依然会过载，用户可酌情启用备用发电机。
依据以上的计算结果，当系统检测到实际有某台发电机发生跳闸后，则立即按照预计算的卸载级别进行脱扣。
以下是CASE执行逻辑图：
②对于多机跳闸CASE（比如2台）：RPI=APT-2*APS-OLT-Δ
即：CASE发生后的热备余量=总在线发电机最大出力-2*单机发电机的最大出力-总实时负荷-修正值
该电网优先脱扣系统判定多机跳闸的间隔范围为2秒，即2秒内，如果系统采集到有多台发电机发生跳闸，则执行多机跳闸CASE程序。其运算逻辑与单机跳闸CASE一致，但在卸载级别的判定上与单机跳闸CASE不一样。
电网发生单台发电机跳闸后，EMS系统会首先执行单机跳闸CASE。由于系统无法判断在之后的2秒内是否会有第二台发电机发生跳闸，所以执行多机跳闸CASE会发生在执行单机跳闸CASE之后，当跳机间隔超过2秒时，系统会执行多次单机跳闸CASE以保证电网稳定。
但对于跳机间隔小于2秒的多机跳闸CASE，其实也是会同时发生多次单机跳闸CASE和一次多机跳闸CASE的，为了保证系统的准确性和避免系统的不可预见性，对多机跳闸CASE脱扣级别，不能使用系统自动计算的脱扣级别，因为这个级别会随着第一个发电机跳闸而发生改变，而第二台发电机的跳闸时间又有不可预见性，所以极有可能是发生多次过多设备脱扣。
（2）过载类CASE
包括发电机单机过载、主变压器过载等。以单机过载为例，一般单机故障或者人为误操作、其他发电机跳闸后的负载转移都可能导致发生单机过载。
单机过载CASE的判定基于发电机的带载率和脱扣延时时间，并且带载率和延时时间应是反比例关系。过载率CASE的卸载级别是用户预设的，设定的依据是：
卸载功率=（过载百分比-额定百分比）*额定功率-修正值
然后根据这个卸载功率判断需要卸载的级别范围。
当由于发电机故障和人为误操作引起发生单机过载CASE后，这时发电机的带载率是随着时间逐渐增大的，在发电机重度过载前，系统有足够的时间来触发单机过载CASE来卸载部分负荷，以保证系统稳定，并提醒用户进行相关动力操作。
而对于由其他发电机跳机引起负载转移导致的单机过载，其特点是瞬时过载。由于单机过载CASE的延时时间的设定一般远大于跳机CASE的触发时间，所以在此情况下，一般都会先触发跳机CASE，将发电机带载率控制在一定轻度过载范围内，此时单机过载CASE将不执行或者有合理足够的时间执行。
4.报警、报表、趋势和分析工具等功能
（1）报警功能：
（2）报表功能：
（3）趋势和分析工具：
四、总结
该优先脱扣经过优化改造后，为FPSO四台主机运行优化为三台主机并网运行，提供了基础和前提。通过实际的测试评估，减少一台主机运行后，节能降本效果明显，每年可节约原油费用约300万元，节约滑油费用约80万元。
同时，优化后的优先脱扣系统解决了原脱扣系统的潜在缺陷。对保证电网稳定，避免油田关停，确保产量任务的完成具有重要意义，提质增效成果显著。
参考文献：
1.张继芬，胡鹏，刘峻等. 海上石油平台电力组网及其EMS 系统设计与实现[ J ].电力勘测设计，2008（2）：57-60。
2.李鑫，魏澈，刘国锋.电力组网技术在海洋油气田平台开发中的应用[J].中国海洋平台，2011（5）：26-29。
3.张继芬，胡鹏，刘峻.海上石油平台电网安全稳定控制系统[J].石油勘探及技术，2009，36（2）：237-241。
论文作者:付显英
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
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