功率管理系统在SUPER-116E自升式钻井平台中的设计与应用

张瑞卿

（中石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司，东营 257100）

摘要：功率管理系统(PMS)主要是根据钻井施工工艺和负载来合理安排当前发电机的在线数量以达到安全高效的供电要求，其主要的功能包括发电管理，发电机断线预警，同步及负荷分配，功率限制，主母排失电黑起动(Blackout)，马达控制中心（MCC）装置控制，根据负载自动起停机，自动起停机顺序控制等。SUPER-116E自升式钻井平台利用三条电动升降的正方形桩腿，可以在水深350英尺以下的海水中进行9000米钻深的钻井作业。平台配备5台额定功率为1720KW的卡特彼勒3516C型柴油发电机组提供全船动力，应急发电机为一台1200kw的卡特彼勒3512B型柴油发电机，发电机组的功率管理成为平台指标的重要衡量指标，同时它与平台钻井控制和集中控制系统的信息交互，使得平台的自动化水平大大提高。

关键词：功率管理系统 自升式钻井平台 设计与应用 信息交互

一、功率管理系统构成

功率管理系统由6个DEIF的PPM-3控制单元，6个BASLER的DECS-200，6个WOODWARD 2301-E，位于每个发电机控制柜内；西门子双冗余PLC控制器与远程I/O控制器；Siemens MP377触摸显示屏；5KVA UPS组成。配置CPU414+CP443^[1]，冗余配置，位于VFD间，通过DP线与五台主发电机组、MCCA、MCCB、MCCV、以及NOV钻井控制系统进行通讯，并且有部分显示功能集成到司钻房内的司钻操作触摸屏上^[2]。位于远端的钻台本地电气间MCC D、应急发电机和MCCE内部通过DP通讯后，最终通过光纤和中继器连接到VFD间的IM153上进行通讯。CPU与MP377通过工业以太网连接交换机与ICS系统进行通讯。现场发电机采用丹控的PPM-3作为主控制器，通过PPM-3和2301-E控制柴油机的转速，实现转速平稳控制，PPM-3和BASLE电气的DECS-200，来控制发电机的励磁信号，使发电机输出电压平稳。PPM-3自带DP通讯功能，它们之间通过CAN总线进行通讯。每台PPM-3作为一个从站，对主站所发的读写命令进行响应，可以读取发电机及母排的电压、电流、有功、无功、频率等参数和报警信息，并可以通过命令来起停发电机或者故障复位。

二、系统具有的功能

根据自升式钻井平台的功率管理要求，PMS主要实现功率管理和保护^[3]；发电机下线预警；根据负荷启停柴油发电机；监控关键参数；主机同步和负荷分配；黑启动；启动优先级设定；MCC控制；柴油机控制模式转换，分为手动、半自动、自动控制三种等功能。每台发电机控制柜的柜门有模式转换开关，分别可以选择MANUAL和AUTO控制模式，AUTO模式又分为半自动和自动模式，由PPM-3控制。整个系统可以在触摸屏上显示,动力系统开关状态，包括发电机在线情况，各个马达控制中心的都在相应的显示界面可以查询到。每个设备的图标及相关参数,如电压、电流、断路器的状态,变压器的温度和报警信号将会显示在屏幕上,每个设备的详细信息可以通过触摸图标获取,触摸屏可执行以下操作命令：在柴油发电机半自动模式下，起车和合闸操作；动力变压器原边和副边的合闸和分闸；照明变压器原边的合闸和分闸。

黑启动功能是指当主母排突然失电时，母排失电信号会传递给功率管理系统，在自动模式下设为第一优先级的发电机会自启动，如果它启动失败，自启动信号会给到下一优先级的发电机。当所有的主发电机组无法自启动送电时，在45s内会起动应急发电机并自动上线给应急配电板送电；当主发电机恢复正常供电后，应急发电机供电断路器会在主发电机上线的同时自动断开，并停止应急发电机。这个功能在主发电机在半自动和自动模式下均可实现。

3. 柴油发电机的三种控制模式

3.1柴油发电机手动模式

在手动模式下，发电机断路器和发动机的所有操作都在配电盘上执行。维护时可采用手动操作模式。手动启动和停止发电机和开合断路器，通过旋钮开关调节柴油机速度和输出电压，PPM-3在手动模式下可以监控系统状态。

3.2柴油发电机半自动模式

在半自动模式下，发电机和发电机断路器是独立的单元，可以在PPM3上独立进行控制。启动和停止发电机，开、合断路器，电压和速度调整，以及发电机的同步在PPM3上进行操作和控制。在这种模式下，多个PPM-3单元之间通过CAN总线进行通信，然后每个PPM-3根据当前总有功功率和无功功率计算输出相应的有功功率和无功功率。PPM3将向调速器和AVR输出增加或减少的信号，以实现负荷分配。

3.3柴油发电机自动模式

在自动模式下，发电机和发电机断路器是复合的单元。发电机组由PPM3控制器里面的功能性程序进行控制。包含以下功能：发电机随负载自动启动，如果在给定的条件下，所有机组的总发电量配置超过一定的限制，额外的发电机组会连接到母线；发电机随负载自动停机，如果在给定的条件下，所有机组的总发电量配置低于一定的限制，就会断开与母线的连接，并且将柴油机停车；发电机优先级设置和更改，这个功能只能在一个发电机组的PPM3中进行调整。调整后，优先顺序自动传递给其他发电机组。当选择自动模式时，依赖于负载的启动和停止功能被激活，该命令基于计算需要多少发电机组以满足主母线的实际电力需求。每台发电机的限制范围设置为30%至70%。当在线负荷增加达到70%时，备用发电机启动，当功率降至额定功率30%以下时，根据程序设定的停机优先级，向正在运行的发电机发送停机命令

^[4]。

3. 与平台其他系统的交互功能

平台除了功率管理系统（PMS），还配有NOV的钻井控制系统（DCS），和全船的集中控制系统（ICS）,它们之间通过硬件和软件的连接，使得钻井平台成为一个有机整体，自动化程度越来越高，人际交互界面更加友好，有效监控平台重要设备状态，以及进行设备之间的遥控和根据设定好的控制逻辑自动启停。

4.1与NOV钻井控制系统的交互

PMS与NOV钻井控制系统(DCS)之间的通信通过PROFIBUS-DP和硬件连接。发送给DCS的信息包括发动机状态、发动机报警信号、以及相关的MSB和MCC状态信息。发电机的有功功率(KW)将被送至DCS。在DCS内部启动功率限制设置，有功功率限制在当前在线发电机额定功率的90%。当有功功率达到发电机额定功率的90%时，DCS不能增加交流变频驱动系统的负荷，包括NOV的顶驱、泥浆泵和顶驱。如果有必要，PMS将自动启动一台备用发电机以满足功率要求。PMS将为钻井系统的辅助电机(如绞车润滑油泵、散热风机)提供状态信号，DCS根据接收到的状态信号，向PMS发送启动和停止命令。在交流变频驱动设备开始运行之前，先启动辅助电机。然后DCS向PLC发送启动信号，PLC启动相关电机，并将运行状态信号反馈给DCS, DCS启动交流变频驱动设备。当油泵或风机的故障信号发送到DCS，交流变频驱动器接收到这些信号后会停止工作，钻井驱动器的故障处理由DCS负责。

4.2与全船集中控制系统（ICS）的交互

PMS与全船集中控制系统（ICS）之间的通讯有两种方式：一是通过工业以太网，二是通过硬线连接。PMS通过工业以太网将发电机，配电板以及马达控制中心等所有必要的信息给全船集中控制系统（ICS）。比如：发电机组的信息包括运行和停止、通用报警、操作方式，压力报警以及绕组和轴承温度；发电机的状态：实时功率、电压、电流、频率；发电机控制柜的操作方式手动、半自动，自动；变压器的温度信号：温度报警、高温报警、冷却风扇跳闸报警；MCC的信号等。通过硬线连接的一是PMS与ICS中的ESD（应急关断）。ESD根据情况的不同，分为5个等级。用于紧急情况时，通过控制欠压脱扣线圈将对应设备的断路器跳开。再一个通过硬线连接的是控制一些重要水泵的启停，主要是消防泵和压排载水泵的控制，这些功能的设置也是为了在平台压载和消防作业过程中更好的进行设备的集中控制。

3. 结语

功率管理系统在自升式钻井平台的设计与使用，属于船舶电站自动化的范畴。它的使用对于只能依靠柴油发电机组提供平台动力的钻井平台来说意义重大，尤其在重负荷钻井工况，功率管理的自动化能有效保证供电的稳定性和可靠性，防止平台因功率不足、钻井设备无法使用而导致井下复杂情况的发生；与钻井控制系统和平台集中控制系统的信息交互，使得平台的自动化程度大大提高，利于整个钻井平台的平稳运行和正确维护。

参考文献

[1]张奇,金奎.基于S7-400H的功率管理系统在海洋平台中的应用[J].船电技术,2016,36(08):13-16.

[2]王唯一,张明泉,杨帆,陈次祥.基于VC++的海洋钻井平台电站能量管理系统的研究[J].工业控制计算机,2014,27(05):64-65+68.

[3]毛亚洲. 1500米作业水深钻井船功率管理研究[D].江苏科技大学,2018.

[4]吴彬彬. 深水钻井船功率管理系统的研究[D].江苏科技大学,2016.

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