电站保护和功率管理模块在海洋平台上的应用

于栋亮，褚 炜

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

电站管理系统（Power Management System，PMS）既是海洋平台实现自动化的一个重要部分，也是进一步提高电站供电可靠性和连续性的主要工具。传统的电站控制主要应用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和保护并车模块（PPU-3），其中PLC实现电站管理和自动化的功能；新型电站则采用保护和功率管理（Protection and Power Management-3，PPM-3）模块和PLC，依靠PPM-3模块完成电站管理和自动化的主要功能，PLC仅用于系统信息的采集和通信，该方案不仅能改善控制系统的性能，还可实现输入数据、输出数据共享，从而提高电力系统的可靠性，实现分布式控制[1]。

1 PPM-3在海洋平台电站中的新型应用

常规电站的PMS组成见图1，主要由控制主站和从站、触摸屏及柴油发电机组并车保护单元（PPU-3）组成。每套柴油发电机组配置一套PPU-3，可控制柴油发电机组的调频调载、负载分配和并车解列，并提供机组的安全保护功能。PPU-3通过通信总线将信息发送给PMS主站，由PMS主站完成PMS的其他功能和安全保护功能，并在触摸屏上进行工况显示。触摸屏可监测柴油发电机组的运行工况和全船重要用电设备的运行工况，可通过触摸屏手动控制机组的并网、解列及更改控制参数。DEIF PPU-3是一个基于微处理器的控制装置，用于并联和保护单元，包含发电机组保护和控制全部所需的功能（包括发电机调压器的控制、柴油机调速器的控制及同步并网等），同时包含所有必需的三相测量电路，并能在液晶显示屏上显示当前所有的测量值和报警。

DEIF PPM-3模块是国内外船舶电站控制系统应用较多的一种发电机组控制设备，其控制面板图见图2。PPM-3也是基于微处理器的控制单元，是应用于海工电站的一个非常灵活的控制器，包含柴油发电机控制和保护所有必要的功能，所有回路的监测数据和报警都在液晶屏上显示。

PPM-3的检测功能是指接收汇流排的电压、频率及其控制的发电机的电压、电流和频率等信号，并进行运算和作相应的处理，从而监测电网和所控发电机的运行状态；控制功能是指控制发电机组的启动和运行，包括发电机组启动和建压后电压矢量的同步、主开关的合/分闸、频载调节及相关的保护[2]。

图2 PPM-3控制面板图

鉴于 PPM-3 除了具有电网检测功能之外，还有逻辑控制功能，可从经济的角度出发，对现行控制网络做一些改进，不配置 PLC。在 3台发电机组的电站中使用 PPM-3的电气连接示意见图 3。直接采用 3台PPM-3 分别控制3台发电机组，3台PPM-3 间建立简单的电气联系，各模块间可互相通信[3]。

图3 PPM-3连接示意

2 新型海洋平台电站管理系统的组成

新型海洋平台电站管理系统是一个集中控制系统，包含 PPM-3控制单元、调压器、调速器、PLC和MP377触摸屏。对每台发电机来说，安装在主机屏上的PPM-3控制装置用于功率管理、电网的控制和保护。

主机保护功能完全由PPM-3实现，在这种方式下，一旦系统崩溃，只需1台主机正常运行即可保证电网的安全性。

主机信息包括电流、频率、电压及功率等信号和电气数据，这些信息既可直接送入中控，通过中控直接控制，也可通过触摸屏MP377来操作。

应用PPM-3的海洋平台电站由6台发电机组成，分2段母排，每段母排连接3台发电机组（如图3所示），整个电网6台机组安装6个PPM-3控制装置、调速器和调压器，此外应急发电机进线屏和690V母联屏也安装该控制装置。

3 PPM-3模块在海洋平台电站中的应用功能

PPM-3模块的主要功能是实现海洋平台电站的保护和电站系统的管理，具有主机的控制、监控及保护和发电机的保护、自动同步及负载分配等功能[4]。在该模块上可选择主机的并网顺序，以及其他功率管理功能。一旦某个模块发生故障，功率管理计算将自动转入下一个可用模块。一旦正在运行的主机发出报警信号，系统将在故障主机退出电网之前自动启动下一台主机，然后同步并网。若出现故障停机的情况（开关脱扣、主机切断），系统将直接启动下一台主机并网[5]。

PPM-3模块具有PPU-3模块的控制功能，可控制发动机调速控制器调整发动机的转速（并网后调节发动机输出有功功率），可控制发电机自动电压调节器（AVR）调整发动机的电压（并网后调节发电机机输出无功功率），并实现机组的并网和保护。

PPM-3模块具有发电机组启动控制功能，按下发电机组启动按钮，首先检测发电机是否满足启动条件（即油、气、水是否满足主机启动条件，主机是否有报警），若满足条件，PPM-3发出启动命令，主机启动；随后检测主机电压和频率是否满足要求，若满足，则并入电网，否则发出报警信号。

PPM-3模块具有的主要功率管理功能有：优先脱扣、优先选择顺序启动、母排断开和配合变频器（VFD）控制系统完成功率限制。

1) 优先脱扣：PPM-3可自动实现非重要的负载在应急情况下自动脱扣，将这些非重要负载分为一级脱扣和二级脱扣2级。当一台主机的输出功率超过设置值，且电网中无备用发电机可使用时，相关的非重要负载组可自动被脱扣。设置值可根据现场实际需求，由客户来修改和设定。

2) 优先顺序启动选择：可用2种方式选择顺序。一种是通过手动设置发电机组的号码来设置发电机组的优先顺序，这些设置仅能在主机模块上进行调节，调节之后优先顺序必须通过传输模块来手动传输给其他主机。另一种是使用显示屏上的第一优先按钮，推荐在半自动模式下设置所有主机，以免主机出现不必要的启动情况。

3) 母排断开：690V主网通过母联开关（BUS-TIE）分为2段母排，母排断开有2种方式，一种是通过母排开关上的OFF按钮手动操作，另一种是通过数字量输入或自动操作按钮来完成。

在断开母排之前，PPM-3会通过检测2段母排的功率来自动启动柴油发电机组，若柴油发电机组无法承担载荷的变化，会发出“母排无法断开”信号。

若一段母排的所有发电机组都处在故障或不可用状态，则母联开关也会发出“无法断开”信号，PPM-3不会进入母排断开控制模式，因为分段母排上所连的柴油发电机组无法承担母排上的相应载荷。一旦母排开关断开，各段母排上将会实现机组正常启停功能。

4) 配合VFD控制系统完成功率限制：在海洋平台上，钻井设备都是大功率负载，因此需具有防止主电网过载和黑启动的过载保护功能，该功能由钻井系统的电力系统和主要设备来实现。

功率管理系统从每个发电机屏的PPM-3控制传感器中获得4～20mA信号，这些信号被送至变频器控制单元，主机的最高负荷率被送至变频器控制的PLC。其他必要设备和功率限制所需的逻辑也被送至变频器系统。在负荷率达到预设值之后，变频器内的功率限制功能将快速响应，抑制负载的增加，以便将主机负荷控制在合适的范围之内。

该系统的稳定性关系到整个电网的安全，故必须独立于 PMS之外，即使在功率管理系统失效的情况下该系统也能正常运行。此外，当主网可用功率减少时，为防止电站系统崩溃，PMS需做出快速响应。从实际载荷增加时开始，到发动机的载荷状况又回到正常水平为止，系统的总反应时间在150～200ms[5]。

4 结 语

在设计海洋平台主电站系统时，通常采用PLC与PPU-3组合的方式，由PLC实现电站管理和自动化的功能；也可采用PPM-3与PLC组合的方式，本文所述方案中电站管理和自动化的功能由PPM-3模块来完成，简化了系统设计，提高了经济性和可靠性。为每台发电机组配置一个PPM-3模块，除完成电站管理和自动化的功能以外，实时监测主网和每台发电机的电气参数，既可根据电网负荷动态调整发电机的在网台数，也可根据发电机组的在线时间合理安排发电机组保养计划。