海上动力平台电网“晃电”情况研究

摘要：首先，阐述了海上平台电力系统的发展历程，并对不同结构电网的优缺点进行了分析；然后，以岸电投用后的三次“晃电”情况为案例进行量化剖析，对比三则案例所造成的影响，找出影响生产的关键因素；最后，分别针对高压盘、中压盘、变频柜等设备提出了相应的防“晃电”措施和改进方案，为后续海上平台接入岸电适应性改造探明了方向，提供了问题解决思路。

关键词：海上平台；晃电；孤岛模式；岸电

中图分类号：TM774  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.001

1    海上电力系统发展

渤海油田开发建设以来，海上油田电力系统从最开始的自发电模式，发展到近几年逐步趋于成熟的岸电供电模式，经历了三个阶段——孤岛模式、区域组网、岸电入海，每一次改变都代表着海上电力系统向更加可靠、更加稳定迈进一步[1]。

1.1    孤岛模式

渤海油田开发早期，油田的电能来源是海上自备发电机以天然气或原油为燃料进行发电，以辐射结构向中心平台及周边小平台供电，发电机所产生电能仅用于矿区内，不与外电网联系，这种供电模式被称为“孤岛模式”。这种模式下，一旦燃料供应系统出现问题，或发电机本身发生故障，将导致整个矿区失电，生产中断，与此同时，大型设备的启停也会对电网造成较大冲击，所以，孤岛模式存在供电稳定性差、热备容量低等缺陷。

1.2    区域组网

渤海油田油气勘探开发不断发展，海上平台数量持续增加，相邻油矿间的距离也在逐渐拉近，让区域组网成为可能。通过综合评估，在距离相近的三到四个矿区间铺设海底动力电缆，组成区域电网，实现不同油矿间发电机组互为备用，一定程度上提高了供电的稳定性，降低了大电机启动带来的电网冲击，也为后续岸电接入打下了局部基础，积累了运行经验。

1.3    岸电入海

随着高压海底电缆技术不断成熟，为了克服海上油田开发电力瓶颈，助力海上油田绿色发展，海上平台也迎来了电力系统发展的新阶段。从陆地开关站敷设220 kV海底电缆至海上动力平台，海上动力平台间220 kV电网互联，动力平台经220 kV/35 kV变压器降压后，依托原区域电网送至各个油矿，至此，海上平台步入岸电时代。

2    “晃电”分析

“晃电”是指电网电压瞬间跌落，在1.5 s以内又恢复正常的现象。某海上动力平台向各油田正式供电以来，已出现三次晃电情况，其中两次是站外故障导致。三次故障严重程度不同，对电网造成的冲击程度不同，对平台设备运行及正常生产带来的影响也不同。现对三次晃电情况进行定量分析，以便后续以此为依据进一步优化参数设置，提高设备应对电网晃电性能，提高生产流程运行的稳定性。

2.1    第一次“晃电”

2022-12-19T19：36：56，陆地开关站上级变电站在为某风电项目并网时发生单相对地短路故障，安稳系统启动故障录波，录波波形如图1所示，由右侧实线游标数据可见，220 kV线路A相电压由正常运行时的131 kV拉低至30.6 kV（23.3%），35 kV线路C相电压由正常运行时的20.7 kV拉低至12.6 kV（60.9%）。

如图2所示，故障持续约60 ms后，220 kV和35 kV电压均恢复至正常值。

2.2    第二次“晃电”

此次“晃电”不是站外故障导致，而是动力平台同一段母线相邻线路故障导致，故障类型为单相对地短路故障，造成电网单相拉低1 038 ms。据统计，单相接地短路故障占电力系统故障比例高达65%，因此，本次案例具有一定的典型性，故在此引申出来。

2022-12-23T10：43：03，海上动力平台在向某一油矿中心平台初次送电时，发生单相对地击穿故障，安稳系统启动录波，波形如图3所示，该油矿中心平台供电开关所在35 kVⅠ段母线A相电压由正常运行时的20.7 kV拉低至1.02 kV（4.9%），由于35 kV系统为高阻抗接地系统，B、C两相对地电压提升至35 kV左右。35 kV Ⅱ段母線未受影响，位于35 kV Ⅱ段母线的另一油矿中心平台供电未见异常。

如图4所示，故障持续约1 038 ms后，供电开关综保零序过流保护动作，供电开关分闸切断故障，35 kV Ⅰ段母线电压恢复至正常值。由于该油矿中心平台供电线路为栈桥电缆，无光纤差动保护，而零序过流保护时限1 s，因此，故障持续时间为1 038 ms。

此故障发生时，与初次送电油矿中心平台供电开关同在35 kV Ⅰ段母线的两座无人平台正处于调试阶段，之前已在中控对高压盘失压信号设置延时1 s，但由于持续时间超过1 s（故障持续时间为1.038 s），所以WHPB平台触发关断。WHPC平台中控正在做功能调试，高压盘失压信号为旁通状态，因此未触发关断，在35 kV供电线路A相低电压的1 s内，现场电机、加热器、控制盘等设备均未见异常动作。

2.3    第三次“晃电”

2022-12-30T17：37：47，风电项目并网时对其他相邻线路造成扰动，安稳系统启动故障录波，录波波形如图5所示，由右侧实线游标数据可见，220 kV线路A相电压由正常运行时的131 kV拉低至82.97 kV（63.3%），35 kV线路C相电压由正常运行时的20.7 kV拉低至16.35 kV（79.0%）。

如图6所示，故障持续约60 ms后，220 kV和35 kV电压均恢复至正常值。

2.4    对比分析

对比分析，第一次晃电发生时，某10.5 kV盘柜欠压保护继电器定值为90%，且中控接收到欠压信号后无延时立即动作，故导致该平台三级关断发生。后将欠压保护继电器设定值调整为70%，与综保定值一致，中控对中高压盘柜失压信号设置1 s延时，以躲过陆地开关站供电发生的常规“晃电”情况。

第二次晃电发生在调试阶段，未对生产造成影响。根据波形分析和现场设备运行情况统计，1 038 ms的晃电时长对现场设备不会造成影响，因此将中控检测到高压盘、中压盘失电信号逻辑触发延时调整为5 s，与综保定值失压保护动作延时保持一致。因为如果失电超过5 s，综保会触发高压盘失压保护，触发开关动作分闸，即使5 s后电网电压恢复，生产平台也无法立即恢复供电，需要人为恢复供电，此时就需要中控系统触发相应关断逻辑以保证生产流程安全停运[2]。

经过逻辑和保护参数调整优化，在第三次“晃电”发生时，对现场未造成影响，可以验证逻辑、参数优化达到了躲过“晃电”的效果。

3    防“晃电”措施

海上平台供用电设备种类繁多，不同设备对于“晃电”情况的敏感程度不同，下面就海上平台的几种常用电气设备列举相应可以采取的防“晃电”措施，通过这些措施，可以将“晃电”情况对现场生产流程的影响降至最低。

3.1    配电盘

海上平台的主要配电设备由高压盘、中压盘、低压盘组成，配电设备能否躲过“晃电”周期直接决定现场供电的稳定性，而且往往失电信号与中控关断信号间存在逻辑关系，配电系统一旦发出失电信号，中控系統会判断配电系统故障，根据逻辑关系触发相应的现场设备关停，造成生产关断。所以，防止“晃电”对现场设备造成影响的关键一步就是优化配电系统保护参数。

高、中压盘柜的继电保护系统一般采用综保装置，以渤海某油田为例，高、中压盘柜均采用长园深瑞继保自动化有限公司生产的ISA系列综保装置，失压保护设定如表1所示。

由表1参数可以看出，该油田将电压低于额定值的70%作为发生失电的电压判定值，设定延时5 s，只有当电压低于额定电压70%持续时间超过5 s，才触发失压保护动作，以此来躲过电网电压短时间内的大范围波动。

3.2    油井变频器

多数变频器的出厂默认设置中，当供电电压降低时，变频器直流母线电压也会随之降低，当直流母线电压下降至欠压保护电压时，保护系统触发欠压报警并关停变频器。针对该情况，需要从两方面降低“晃电”情况对油井变频器的影响：一方面，与高、中压盘综保定值修改思路一致，调低欠压保护电压定值，设定延时时间，以保证“晃电”期间不触发变频柜报警关停；另一方面，油井变频器的负荷是井下潜油电泵机组，负荷具有较大的惯性动能，供电恢复正常后，负荷侧电机仍在运行，为了保证供电恢复后变频器能够拖带井下机组重新恢复到原设定工况，需要设置允许飞车重启动。根据表2修改油井变频器参数后，油井变频器能够穿越“晃电”周期，且保证井下机组运行不受影响。

4    结语

本文针对渤海油田引入岸电后，电网“晃电”对现场正常生产造成的影响，对比了海上油田从孤岛模式、区域组网到岸电入海三个阶段供电结构的优缺点，以三次典型的“晃电”情况为案例进行定量、定性分析，最终从配电盘和油井变频器两个角度，阐明了消除“晃电”影响的两个重要方面是失压/欠压设定值与延时时间。对于现场电机等惯性负载，还需在变频器设置允许飞车重启动，以保证电网恢复正常后，变频器能重新拖带电机恢复设定频率。

岸电入海为海上油田开发提供了更加稳定、清洁的能源[3]，与此同时，也为海上电气专业带来了新的课题。一方面，结合岸电供电质量等特点，如何对海上设备、保护参数进行适应性优化，另一方面，探索动力平台110 kV、220 kV高压设备在海上的管理、运维模式，均将成为下一阶段研究的重要课题。

[参考文献]

[1] 李雪，高璇，魏澈.海上石油平台引入岸电的应用探讨[J].自动化应用，2018（2）：125-126.

[2] 雷欧纳德·L.格雷斯比.电力系统稳定与控制[M].李相俊，李生虎，金恩淑，等译.3版.北京：机械工业出版社，2017.

[3] 高璇，刘国锋，李雪.海上油气田岸电应用设计要点分析[J].电气应用，2020，39（3）：74-77.

收稿日期：2023-03-07

作者简介：王萌（1990—），男，天津人，电气工程工程师，研究方向：电气工程及其自动化。