深水半潜式支持平台母联闭合型中压电网设计

颜建军，王世伟，李 晗

(南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226006)

0 引 言

根据国家《海洋工程装备产业创新发展战略(2011—2020)》的规划，近年来我国逐步加大了对船舶海洋工程配套产业的投入力度，为我国海洋资源开发提供了新的动力。在此背景下，我国海洋工程装备产业需尽快打造完整的科研开发、总装制造、设备供应和技术服务体系，培育若干知名企业，掌握海洋工程装备研发制造技术，具备新型海洋工程装备自主设计建造能力和完备的产业创新体系，以满足该行业的发展需求。

1 系统需求分析

半潜支持平台是海上工程作业体系的重要组成部分，其主要作用包括：提高特定海域的后勤保障能力和海上作业的指挥、调度能力;缓解长期在海上作业人员的身心疲劳度，提高其工作效率。

因此，半潜支持平台需具有与作业平台临时对接、支持的能力，较强的海上独立生存能力和较好的舒适性。若要具备这些特性，需具有高效可靠的动力定位(Dynamic Positioning，DP)系统。本文根据挪威船级社(Det Norske Veritas，DNV)的要求，对DP相关要求进行分析。

表1 各类海工产品需满足的DP要求

各类海工产品需满足的DP要求[1]见表1，其中：

1)Ⅰ是指对于需接近其他海工产品或作业目标的情况，需满足DP3或与其具有同等效果的DP配置要求；在充分考虑实际作业流程和目标物的状况，并对各种工况进行分析的情况下，可考虑采用DP2配置。

2)Ⅱ是指该项服务目标可根据建造要求而定。

3)Ⅲ是指可通过风险分析适当降低“Ⅰ”中的DP3要求。

半潜支持平台可根据作业工况选择DP2、DP3和DP ER加强型等3种DP模式，其中：

1)DP2 要求每个DP组的运行不受其他组的影响，任何动态部件(如电控阀、泵等)出现故障最多影响1个DP组，静态部分(如纯机械阀、管路、电缆和风管等)尽量在物理空间上分开。

2)DP3 要求每个DP组的运行不受其他组的影响，任何动态或静态单一故障最多影响1个DP组。动态布置和静态布置严格按防水和A60防火要求分开，且动态故障和静态故障均需考虑。

3)DP ER除了需满足DP2和DP3的要求以外，每台主机还要配有独立的燃油、冷却、压缩空气和配电等辅助系统。

目前主流的DP产品开始考虑绿色环保、人体工程和经济性等因素。母联闭合型电网的设计可有效提高发电机的使用效率，降低污染物排放、噪声和振动对人体的影响，使设备经济环保、维护灵活。然而，相对于传统的孤岛式DP配电系统，母联闭合型电网各配电组是相互关联的，从根本上颠覆了以往DP的设计理念，需避免传统设计中最希望避免的安全隐患，这对电力系统整体的安全性和可靠性提出了极大的挑战。

目前国际市场上的大型DP海工平台的环网设计基本上都已被AKA、SIEMENS、ABB和KM等行业巨头垄断，Wartsila和Bakker等欧洲厂家也已初步具备设计建造此类平台电力系统的能力。国内目前在海工平台中压电力系统应用研究方面仍处于起步阶段，特别是母联闭合型中压电力系统方面的研究较少，尚无成熟的产品推出。

通过对深水半潜式支持平台中压电力系统进行应用研究，既有助于解决海工平台中压电力系统供配电、防失电和能量管理等方面的关键技术问题，研制出海工平台中压电力系统关键设备，又能为其他类型海工项目的开展提供良好的技术支持。

2 中压电力系统顶层架构

DP配电系统设计通常可根据DP等级要求划分为DP1、DP2、DP3和DP ER加强型等4种(本文根据DNV符号简写)，其中DP2、DP3和DP ER加强型可分别设计成母联闭合型(C型、O型)和孤岛型。由于DP1没有冗余要求，因此不考虑母排分段设计[1]。

在上述DP模式中，最适合母联闭合型电网设计的是DP ER加强型模式。这主要是由于DP2模式和DP3模式不考虑因发生故障而丢失的系统或设备的可恢复性，而DP ER加强型模式是允许备用机启动的,且其灵活性和可靠性更强。当然，DP ER加强型模式对系统配置的要求更高，且故障分析更复杂，建造成本更高。

DP环网配电设计称为母联闭合“O”型设计；母联闭合直线电网设计称为母联闭合“C”型设计。在各种发电机组态下：母联闭合“O”型设计在应对单点故障时更灵活，冗余度更高，具体对比可从后续组态失效分析中看出；母联闭合“C”型设计更易实现电网失效保护，建造成本更低。二者各有利弊，如何选择取决于用户的要求。从系统研发的角度看，可先从母联闭合“C”型设计入手，由浅入深进行系统研发。

在进行组太分析之前，首先要明确DP在不同工况下的电力需求。通过对典型船舶和海工平台的工作环境和运行模式进行分析总结，得到某海域环境下深水半潜式支持平台的运营工况和工作模式见表2。

表2 某海域环境下深水半潜式支持平台的运营工况和工作模式

从表2中可看出，海工平台60%以上的时间都处于低DP功率需求状态，传统DP模式相对于母联闭合型电网至少要多运行1台发电机。

DP配电系统的发电机组态主要受以下几个因素的影响：

1)不同作业海况对应的DP模式的要求(通常由业主决定)；

2)风力、洋流和波浪对平台的定位能力和平稳性的影响；

3)最大单点故障模式的定位能力。

同时，电网电力需求还需考虑可能存在的大型负载突加/突卸、快速撤离时推力突变等功率管理问题。常见的DP配电系统电网结构及其配置见表3，其中：

1)A一般应用在结构空间有限的DP2和DP3工程船上；

2)B一般应用在结构空间有限的DP2和DP3工程船或半潜平台上；

3)C一般应用在DP2和DP3半潜平台上；

4)D、E和F一般应用在DP ER 加强型半潜平台上。

表3 常见的DP配电系统电网结构及其配置

由此可见，DP ER对系统配置、系统控制逻辑和系统保护设计的可靠性要求相比DP2和DP3更高。

当孤岛式DP任意一组电站发生故障导致局部瘫痪时，不会影响其他组电站正常运行。但是，DP2、DP3和DP ER的母联闭合型电网都有一个无法避免的隐患，即全船失电。为提高电网的可靠性，需在常规的DP电站系统的基础上增加1种或多种形式的保护或隐藏故障检测预警系统。若系统中某个重要部件每年发生故障的概率为0.001～0.010，则采取双重形式的故障预防措施会使其发生故障的概率大大下降，满足工程中的故障发生概率要求。然而，多个故障(如隔离保护执行机构失效，且备用保护失效)同时发生的可能性是客观存在的，且概率很低。因此，工程上一般不考虑全面、无差别地通过无限制增加保护措施来降低故障发生概率，而是只针对故障发生概率高且对DP影响较大的设备或传感器提出高阶冗余要求。此外，通过考察全船失电之后快速恢复DP的能力来确定电网和全船所有与DP相关的系统的可靠性[1]。

标准型半潜支持平台母联闭合型电网的总体策划思路见图1。

图1 标准型半潜支持平台母联闭合型电网的总体策划思路

以F型半潜式支持平台的加强型电网结构为例，其主要包含：3个配电组；3个机舱；3个配电盘间；6套中压柴油发电机及辅助设备；6套推进器及辅助设备；6套发电机保护和电站管理装置；6组日用变压器；6组不间断电源(Uninterruptible Power System，UPS)，作为DP配电盘和重要负载的控制电源；相关的动力设备，电缆路径相互独立，以水密和A60级防火分割在不同的空间内。

最大允许单点故障丢失1个DP组，即1个机舱或1个配电盘间或1组推进器。

3 母联闭合DP组态分析

在母联闭合模式下，根据表2所示海况和作业要求，该型平台的主机在网数量一般为2～4台(表1包含4机4桨、6机6桨和8机8桨等3种情况，此处以6机6桨为例)。根据发电机在网数量和最大梯次可变载荷确定不同组态下主机允许的最大工作负荷。此处只进行组态分析，对于每种组态下的单机负荷上限，可参考电站管理系统设定。

电站管理系统软件设计是母联闭合电力系统设计的关键技术之一，组态分析是设计电站管理软件的前提和方向。从供配电的角度提供满足电网各工况需求的策略，评估各种故障模式对电网的影响，给出合理的发电机组合形式。

1)DP2模式下的最大允许单点故障为丢失1个DP组，“O”型电网和“C”型电网发电机组态故障分析情况见表4和表5。

表4 DP2模式下“O”型电网发电机组态故障分析情况

表5 DP2模式下“C”型电网发电机组态故障分析情况

由表4和表5可知，在DP2模式下，“O”型电网相比“C”型电网具有以下优势：

(1)组态不受在网主机数量的限制，当电网只需双机运行时，可考虑任选其中2台，不必担心因单点故障而导致母联解列，进而影响超过1个DP组的供电能力；

(2)当发生故障时，可将故障控制在最小范围内。

2)DP3模式下的最大允许单点故障为丢失1个DP组，“O”型电网和“C”型电网发电机组态故障分析情况见表6和表7。

表6 DP3模式下“O”型电网发电机组态故障分析情况

表7 DP3模式下“C”型电网发电机组态故障分析情况

由表6和表7可知，在DP3模式下，“O”型电网与“C”型电网的差别仍然存在，但仅限于双机在网时的组态。需注意：在DP3模式下，当需要4台主机在网时，发生最大单点故障会损失1/2的电力，此时要根据DP能力分析确认，选择增加1台主机，因为此时损失的推进器输出功率可能大于允许的最大值。

3)DP ER模式下的最大允许单点故障为丢失1个DP组，“O”型电网和“C”型电网发电机组态故障分析情况见表8和表9。

表8 DP ER模式下“O”型电网发电机组态故障分析情况

表9 DP ER模式下“C”型电网发电机组态故障分析情况

由表8和表9可知，在DP ER模式下，“O”型电网和“C”型电网在发生故障之前与系统稳定之后几乎无差别，但过程中仍存在较大的差别。在此过程中，由于“O”型电网仍存在很大保持在“C”型电网状态下运行的可能性，而“C”型电网很可能解列成几个DP组，瞬态的推进器电力平衡性较差，最终的DP能力可能受到一定的影响。“C”型电网通常将两端的发电机作为主要运行的机组，将中间段的发电机作为备用机组。备用机组的优先级取故障组最高，无在网发电机的DP组次之，其余按主机序号顺序排列。需注意，在DP ER模式下，发生火灾和水灾事故时可不考虑隐含故障[1]。

在双机在网情况下，“O”型电网和“C”型电网对DP2模式的影响最大，而双机在网是正常作业时间占比较大的工况。在具体项目中，为更好地满足经济性和实用性需求，通常会选择DP2环网加DP3标准型模式。当2台以上主机在网时，通常可通过对比这些主机的状态来辨识故障机(2台或多台主机同时发生故障的概率很小，通常认为同一时刻只会有1台发生故障)，而只有2台主机在网时无法通过这种方法判断哪台主机是健康的(比如，故障可能是欠频，也可能是过频,当此类故障发生时，主机监控会发现其中一台主机逆功，另一台状态相反)，此时究竟是哪种故障发生在哪台机器上很难判断。因此，在判断主机故障时需采用更精密的判别方法，比如历史记录参考法、主机反馈闭环控制法等。这既是双机在网必须解决的难题，又是母联闭合设计的创新点。

4 防护方案研究

母联闭合型中压电站运行过程中的控制管理、故障预防、故障诊断、故障隔离和抗故障穿越等方面的研究是防护方案研究的关键，称为防失电系统策略。此外，DP3模式和DP ER模式还需考虑失电快速恢复供电方案，确保平台在允许的时间内使DP推进器恢复定位能力。

防失电保护系统和失电快速恢复策略也是母联闭合电力系统的关键技术，其中独立的发电机保护系统是此类电力系统特有的防失电保护技术。下面简要介绍防失电保护系统和失电快速恢复策略的设计思路，具体见文献[2]。

4.1 防失电系统策略需考虑的事项

1)电网某处发生短路故障对整个电网的影响。

(1)中压母排短路故障：通常采取快速断开与其距离最近的母联开关的方式达到隔离故障屏的目的。备用方案通常是隔离其所在DP组的母联开关。由于母联开关是成对配备的，因此可覆盖执行机构隐含故障问题。检测信号和处理器通常也应考虑主备配置。

(2)发电机短路故障：通常采取快速断开发电机开关的方式达到隔离故障发电机的目的。备用方案通常是隔离与其距离最近的母联开关，其中发电机保护装置起关键作用。

(3)配电盘间母联短路故障：通常采取快速断开与其距离最近的母联开关的方式达到隔离故障的目的。备用方案通常是隔离其所在DP组的母联开关。由于母联开关是成对配备的，因此可覆盖执行机构隐含故障问题。检测信号和处理器通常也应考虑主备配置。

(4)下游负载端短路故障：通常采取快速断开负载开关的方式达到隔离故障的目的。备用方案通常是隔离其所在DP组的母联开关。

2)电网某处发生接地故障对整个电网的影响。

(1)中压母排接地故障：通常采取快速断开与其距离最近的母联开关的方式达到隔离故障屏的目的。备用方案通常是隔离其所在DP组的母联开关。由于母联开关是成对配备的，因此可覆盖执行机构隐含故障问题。检测信号和处理器通常也应考虑主备配置。

(2)发电机接地故障：通常采取快速断开发电机开关的方式达到隔离故障的目的。备用方案通常是隔离其所在DP组的母联开关，其中发电机保护装置起关键作用。

(3)配电盘间母联接地故障：通常采取快速断开与其距离最近的母联开关的方式达到隔离故障屏的目的。备用方案通常是隔离其所在DP组的母联开关。由于母联开关是成对配备的，因此可覆盖执行机构隐含故障问题。检测信号和处理器通常也应考虑主备配置。

(4)下游负载端接地故障：通常采取快速断开负载开关的方式达到隔离故障的目的。备用方案通常为隔离其所在DP组的母联开关。

3)缺项和逆序等问题，通常在与发电机相关的保护系统中予以考虑。

4)发电机本身发生故障导致的过压和欠频等故障，需通过发电机保护和电站管理系统制订相应的保护方案。

5)电网系统中因负载故障导致的高谐波畸变分析和预防。

6)大量数据信息通信过程中的抗网络风暴能力设计。

7)抑制电网冲击(负载突变)的方案。

8)电站在不同组态下发生故障时的电力储备测算和预报警。

4.2 在DP允许失效时间范围内失电快速恢复策略

当电网大面积失电时，与DP相关的控制和动力系统通常都配有UPS控制电源，使其在失去主电力系统供应时仍能记忆或维持失电之前的状态，在电力恢复时能快速指挥系统恢复工作状态。但是，此类系统通常会配备大量的报警和故障联锁控制逻辑，在发生重大故障时不会自动恢复工作，起到保护设备或平台的作用。因此，电站管理系统应考虑如何快速、自动做好各重要系统进入工作状态的准备工作，一旦电力系统恢复供电，立刻恢复运转。同时，需考虑如何快速建立电力系统，采取何种组态，如何缩短或缓解大量重要的大型负载(如推进器变压器等)突加对电网的冲击。

以上问题是中压母联闭合型电力系统在供配电和能量管理方面需解决的核心技术问题。共线母排最大的安全风险是母排连为一体，若故障原因诊断或隔离不及时，会引起其他组别发生故障，导致大面积失电。因此，需对整个电网的设计提出更高的技术要求，深入研究电站的故障机理，使系统在必要时能做出及时的响应动作。

5 结 语

通过组态分析可看出，在母联闭合型电网中，DP ER模式相比DP2模式和DP3模式，共线电网更灵活可靠，但设计和建造成本较高。在设计母联闭合型DP电网时，需注意以下几点：

1)要对目标项目的作业环境进行全面分析，结合作业工况给出各种情况下的DP能力分析，从而获得推进器DP功率需求。

2)通过分析统计推进器定位的功率需求，结合其他必要设备的电力需求，选择合适的DP组态。分析各种工况下的负荷和最大允许故障点。根据需要选择合适的DP模式和母联形态。

3)基于组态分析结果制订具体的防护策略和后备方案。通过失效模式与影响分析(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)检验该系统设计是否满足规范的要求，是否符合组态分析的目标。通过分析发现问题，并有针对性地给出解决方案，完善系统设计。

组态分析是海工平台性能与DP电网系统设计的衔接点，为实现此类平台的电力系统设计指明了方向，对海工项目关键设备建造具备有一定的参考价值，同时为类似系统的设计提供了很好的论证方法。