海底电缆油泵站油流控制功能开发研究

黄小卫 汪焰 吴青帅 韩坤 王尤河

摘要：海南联网系统中林诗岛站和福山站油泵站的油流控制功能模块由海缆计算模块、泵计算模块、泵运行模块组成，通过对海底电缆内绝缘油的压力、流量进行监测和计算，可以准确调节海底电缆内的绝缘油压力和流量，同时通过泵运行模块可以优化现场绝缘油泵的运行;当海底电缆遭到破坏时，油流功能模块可以判断到海底电缆运行出现异常，同时在异常情况下，加大绝缘油流量，确保海水不能进入海底电缆。

关键词：海底电缆;油流控制模块;紧急油流模式

0 引言

海南联网系统[1]的林诗岛站和福山站之间采用海底电缆进行输电，海底电缆铺设在海底，最深处距海平面100 m。海底电缆造价昂贵，维修困难，为避免来往船只抛锚损伤海底电缆，同时确保海底电缆的输电效果，需要通过对海底电缆内部输入绝缘油进行保护。

林诗岛站和福山站分别配置了一座绝缘油泵站，每个绝缘油泵站包含6台绝缘油泵（提供动力将绝缘油打入海底电缆内部）、1台绝缘油罐（用于储存绝缘油）、6臺液压油泵（配套为绝缘油泵提供动力）、液压油罐（储存液压油）、1套真空系统（保持绝缘油罐内真空度）、液压油冷却净化系统（保持液压油运行过程中温度稳定）。在林诗岛站和南岭站之间，绝缘油经过海底电缆来回流动，通过改变系统内参数来改变绝缘油的流动方向，如此往复进行，保证输油电缆的正常工作。

海底电缆成本高昂，维修难度非常高，在保证海底电缆正常工作的前提下，需要对其运行情况进行实时监控，遇到海底电缆被抛锚割破等突发情况时，控制系统能够及时调节绝缘油流量和压力，保证海水不会进入海底电缆内部，对海底电缆内部进行保护。

林诗岛站和南岭站内均设有一套控制系统，用于监控海底电缆内部绝缘油压力和流量，若出现运行不正常情况会自动报警，出现海底电缆由于渔船抛锚而割损情况时，会启动紧急模式，加大绝缘油量，对海底电缆进行保护。

该控制系统包含真空模块、油流控制功能模块、冷却系统模块等，其中油流控制模块是控制系统的最主要模块，其功能是检测并控制海底电缆内绝缘油的流动情况，确保海底电缆的正常运行。

1 功能块介绍

整个功能块采用模块化[2]设计原理，油流控制功能由海缆计算模块、泵计算模块、泵运行模块3个子程序组成。

（1）海缆计算模块的主要功能是通过检测到的海底电缆内绝缘油的压力和流量，与设定值进行比较，根据比较结果判断海底电缆当前的运行状态，计算模块将监测到的压力和流量与设定值进行比较，判断当前运行状态是否正常，根据判断结果确定油流功能模块的运行模式，若运行状态正常，油流功能模块处于正常油流模式;若海底电缆运行状态异常，则油流功能模块处于紧急油流模式。

（2）泵计算模块是根据海底电缆中绝缘油压力信号来计算开启绝缘油泵的台数，正常油流模式情况下，当监测压力大于油泵站出口压力设定值（南岭站为430 kPa且林诗岛站为300 kPa或南岭站400 kPa且林诗岛站为530 kPa）时，开启2台绝缘油泵;当检测到压力低于设定值时，模块会判断开启3台绝缘油泵;当压力继续减少，开启的绝缘油泵会继续增加，最多可同时开启6台绝缘油泵;在紧急油流模式下，6台绝缘泵全部打开。

（3）泵运行模块可以监测绝缘油泵的运行状态，运行状态分3种：正在运行、停止运行、故障状态，泵的运行模块会记录各台绝缘油泵的历史运行时间，根据泵运行的数量和各个泵的运行时间、是否处于故障状态等因素，最终判断启动几号绝缘油泵。绝缘油泵运行的优化处理，可避免出现某台绝缘油泵闲置时间过长或某台绝缘油泵运行时间过长。

2 功能块的控制过程及原理

2.1    控制过程

油流模块海缆控制流程如图1所示，程序启动并初始化以后进入系统参数设置阶段，需人工设置的参数为油泵站的海底电缆出口处的绝缘油压力，由于林诗岛站和南岭站两地的海平面高度存在差别，当南岭站出口压力设定值在430 kPa，林诗岛站出口压力设定值在400 kPa时，海底电缆内绝缘油从林诗岛站流向南岭站。当南岭站出口压力设定值在530 kPa，林诗岛站出口压力设定值在300 kPa时，油流方向从南岭流向林诗岛。根据绝缘油泵的能力，绝缘油流量值在0～13.4 L/Min。

监测到的海底电缆的绝缘油压力传输到油流控制模块时，程序首先对该压力值进行判断，判断该值是否错误，若传输信号为4～20 mA，则信号正常，考虑到线阻损耗导致的信号衰减以及信号干扰产生的偏差，会适当将监测范围上限及下限扩大5%，当超出该上下限值时，就判断该监测值错误，系统进行报警;若判断该监测值正常，则进行运行模式判断。

系统运行模式分为两种：正常油流模式和紧急油流模式。其判断标准为：当南岭站监测到的海底电缆绝缘油出口压力值低于430 kPa（林诗岛站该数值为300 kPa），并且流量高于10 L/Min，这时系统发出报警。若在报警开始30 s内绝缘油出口压力和流量恢复正常，系统取消报警，并恢复正常油流模式;若报警持续30 s后绝缘油出口压力和流量情况持续异常，未恢复到正常运行状态，此时系统继续报警，同时系统自动判断此时海底电缆处于紧急油流模式。

正常油流模式下，系统监控海底电缆内部绝缘油的压力和流量，并与设定值进行比较，比较计算后通过调节输油阀门和绝缘油泵的启停，来调节海底电缆内的油压和流量。

紧急油流模式下，油流控制功能模块第一时间全开输油阀门且打开6台绝缘油泵，将输油量调至最大，确保海水不会进入海底电缆内部，然后逐渐减小流量，最后保持稳定，在稳定的压力和流量条件下，使绝缘油从海底电缆内部流向海水，同时，油流流量最小，降低对海域的环境污染，同时减小经济损失。

2.2    正常模式和紧急模式的计算方法

2.2.1    正常油流模式

正常油流模式通过比较设定值和实测值的差，输出开启的泵的台数，关系如下：

y=23（x≤0）6（x≤0，且持续时间达到30 s以上）

式中，y为开启的泵的台数;x为实测值与压力设定值的差。

在正常情况下，有2台绝缘油泵持续运行，系统根据各个绝缘油运行时间进行优化配置，每个绝缘油泵轮流运行，保证在任何时候都有2台绝缘油泵运行且每台泵的运行时间基本相同;当实测值一旦小于设定值时，启动3台绝缘油泵，当压力恢复正常后，系统启动2台绝缘油泵;当压力实测值小于设定值，且持续30 s未能恢复正常，系统开启6台绝缘油泵。

泵的开启台数信號将输出到泵控制模块，泵控制模块根据各绝缘油泵的状态进行优化配置，决定开启6台绝缘油泵中的哪几台，将启动信号传输至相应的绝缘油泵。绝缘油泵控制的优化过程分为两部分：首先判断泵是否处于故障状态，如果泵处于故障状态，则将该绝缘油泵排出;然后根据每台泵的运行时间，优先启动运行时间短的绝缘油泵，从而最大限度保证各个绝缘油泵运行平衡。

2.2.2    紧急油流模式

紧急油流模式是海底电缆遭到破坏时，海水与绝缘油连通，若海水进入海底电缆内部，接触到输电元件，则会造成电力损耗，同时会造成海底电缆内部损坏，此时需要保证海水不能进入海底电缆内部，当系统判断为紧急油流模式的情况下，系统将绝缘油泵全部打开，通过输油阀门调节绝缘油流量，调节规律按照下式计算：

紧急油流模式最开始阶段流量达到最大为13.43 L/Min，随着时间慢慢减少，经过1 h后，流量降为8.88 L/Min，5 h后，流量降为1.76 L/Min，最后流量将降至0.1 L/Min。

紧急油流模式一旦启动，除非手动解除，否则将一直按照上式进行海底电缆绝缘油流量的调节。如此调节的主要目的有两个：（1）确保海水不能进入海底电缆内部，以免电缆内部损坏;（2）避免大量绝缘油流入海水而污染环境，同时避免造成过大的经济损失。为了满足上述两点要求，需要保证海缆中压力比海水大，保证绝缘油外流，同时其流量最小。

3 功能块的测试分析

使用信号发生器和脉冲发生器来模拟现场压力和流量，以测试功能块的运行情况[3]。首先准备3个模拟量输出信号和3个高速脉冲信号，分别模拟3根海缆中的压力和流量信号，压力量程为0～2 000 kPa，对应4～20 mA电流信号。当模拟量输出为12 mA时，此时压力显示为1 000 kPa。流量信号为高速脉冲速率，即在周期时间内通过的脉冲数的速率，计算公式为：

式中，S为流量;R为高速脉冲速率。

改变信号大小，可以观察到控制系统的反馈正常，可以正常行使其控制功能。

4 结语

本文介绍的海底电缆油泵站的油流控制模块，既可以满足正常情况下对海底电缆内绝缘油流量计压力的自动控制，又可以在海底电缆破损的紧急情况下，加大油量对海底电缆进行保护。同时，各功能块响应时间短，可快速进行系统调节，满足海底电缆运行需求。

[参考文献]

[1] 吴庆华，陈建康，郑伟，等.中国首条500 kV海底电缆线路工程的设计[J].中国电业（技术版），2014（10）：46-54.

[2] 高强，常勇，李航，等.加压泵站自动化系统程序的模块化设计[J].自动化仪表，2014，35（9）：24-26.

[3] 赵伟，张剑辉.一种测试PLC逻辑功能的方法[J].仪器仪表用户，2017，24（4）：70-73.

收稿日期：2020-04-27

作者简介：黄小卫（1985—），男，湖北黄冈人，高级工程师，主要从事海底电缆运行维护工作。