陈 康，孙龙林
（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海 200137）
近几十年不断发展成熟的工业技术支撑了船舶海工工业的迅速发展，钻井平台整体作业能力和环境有了极大提升，各控制系统复杂程度的大大增加[1]，机电设备的集成化和数字化技术也对供电系统电网质量提出了进一步的要求。
由于海上钻井平台用电负荷集中且大功率负荷密集，特别是在钻井作业过程中，瞬间负荷波动可能达到数千瓦，这对容量较小的平台电网系统的供电质量提出了较大考验，所以平台电网系统难以达到民用配电系统的供电质量标准。表1、表2分别是CCS（中国船级社）[2]和民用配电规范[3]关于电气设备正常工作的电力系统波动范围，从中我们可以看出，CCS 规范中关于平台电力系统的供电质量标准也相应放宽了要求。
表1 CCS 规范关于电气设备可靠工作电压和频率偏差范围Table 1 CCS specification for electrical equipment reliable operating voltage and frequency deviation range
表2 GB 50052—2009 规定用电设备端子电压偏差允许值Table 2 Allowable voltage deviation values for electrical equipment specified in GB 50052—2009
图1是某新平台（JU-2000E）在四台1 530 kW发电机组并网情况下，三千多米井深工况正常起下钻过程中，电网发电机负荷率波动图，从图中我们可以看到1 min 内负荷率在68%～73.5%之间，最大负荷差336.6 kW，而且负荷大幅度波动基本是常态，在遇到大斜度、深井或者遭遇复杂作业工况，瞬间负荷变化将成倍增加；
变频驱动系统是钻井平台动态变化最大也是最主要的负荷系统，而且自动化程度越高大功率驱动电机也越多，大负荷的剧烈波动对电能质量的影响也更大。虽然没有人针对性对钻井平台钻井工况下电能质量进行检测，但是根据使用实际情况来看，通常情况下平台发电机在负荷达到65%以上时，发电机绕组温度基本维持在90 ℃以上，实际负荷率与温升之间存在明显的差异。而这明显的温升差异最重要的一个因素，就是驱动系统引起的电网谐波，导致系统损耗发热增加；
此外平台照明灯具的使用寿命，也因为供电质量无法满足其最佳运行条件而远低于设计寿命，也充分说明平台电力波动带来的不利影响。
图1 某钻井平台起下钻过程中3 mins 发电机负荷率图Fig.1 Figure of load rate of drilling trip duration of a drilling rig in 3 mins
为解决平台供电系统上述矛盾，减少平台电网的系统性风险，尽可能降低各种负面影响，平台在建造设计之初便对电力系统进行了多方面优化，船级社也针对平台电力系统设计原则进行了具体的规定[2]，即目前钻井平台电力系统的设计的基本原则[4]：主发电机、应急发电机、UPS 系统以及蓄电池。主发电机负责正常作业工况下所有的电力供应；
应急发电机则负责在主发电机出现供电异常时，应急启动供电以保障紧急情况下平台、井下和应急逃生设备运行所需的电力保障，蓄电池和UPS 则因为供电能力有限，通常会作为关键设备和对供电质量有要求的设备电源。这一供电模式充分结合平台作业实际对负荷进行了分级，并针对不同设备用电特性采用不同的供电模式，大大提高了海上平台这一特殊设施的安全性和其供电系统的可靠性。
UPS 系统电源由于采用交直交整流逆变变换，中间增加了滤波环节同时又有大容量蓄电池的加持，能够很好缓冲主电网波动和谐波的影响，所以成为平台各重要系统供电电源的首选，作为电力系统控制核心的继保系统[5]自然也不例外。但钻井平台的有限条件限制了UPS 系统的供电容量，所以为了降低成本和减少空间占用，平台会统一设置一套UPS 然后分别给各系统供电，这样会导致UPS 本身的可靠性有所降低。
图2是某新钻井平台供电继保系统的主要负荷级-----480 V 配电盘继保系统部分供电图，其中控制电源来自主船30 kVA UPS 系统。
图2 某平台480 V 配电盘原设计原理图Fig.2 Schematic diagram of original design of 480 V switchboard on a drilling rig
UPS 220 V 电源输送到主配电盘后主要分为两路：
（1）一路负责二次系统220 V 控制电源，作为控制柜内及设备空间加热器（防止停待工况设备防潮）等电源；
（2）另一路为经过开关电源变换后作为24 V控制模块直流电源。
其中24 V 直流电源主要负责二次系统的继保、控制、指示等，是该负荷级继保系统可靠工作的重要组成部分，在图2中已用红框标识，其主要供电对象如下：
a.29、30 为690 V/480 V 主断路器脱口、复位控制继电器电源，失电后会导致该电压等级主变压器前后级断路器失压线圈动作跳闸，发电机发出的电力将无法供给480 V 配线系统，相当于全船失电状态（480 V 为平台主要供电负荷级）。
b.31、32 为继保系统状态指示电源、故障报警复位继电器电源，失电后断路器开关状态指示和报警复位功能均失效。
c.33、34 为480 V 主配向下级供电系统供电的主断路器、以及应急发电供电系统继保电源，失电后480 V 母排电力将无法向下级输送。
上述三路是该平台480 V 级负荷系统最重要部分，是平台主要动力系统甚至应急系统功能实现的重要保障，一旦出现电源故障将直接导致平台失去近90%的动力（只剩下发电机供电级部分设备），报警电路、复位电路将一同失电。当系统出现问题时监控面板上也不会出现相应的故障报警，大大增加了故障排查难度，必将延长现场人员处理该类故障的时间，如果在关键作业期间出现问题，甚至有可能带来经济安全等方面的重大损失。当该路总电源出现故障时，将几乎算是一次全船失电事故，根据海上平台作业的相关规定，全船失电属于公司级事故，其严重性和影响力可见一斑。所以该回路电源的可靠性和稳定性显得尤为重要。
虽然说UPS 电源无论从电源质量和可靠性上都是最理想的，但是该设计中把UPS 电源作为整个二次系统的唯一控制电源，在一定程度上降低了系统供电的可靠性。主要在以下几个原因：
首先按照平台建造规范应急发电机、UPS 均位于平台生活区顶楼，以保证其在极限情况下的可靠性，而核心供配电系统则位于平台的最下层甲板，所以UPS 电源给主供配电系统供电需要穿越多层甲板，相对来说供电距离较远，海上钻井平台工作环境恶劣，供电线路会受到环境或者人为因素的影响也使故障率大大提高。
其次该UPS 电源作为全平台所有重要系统以及应急系统电源，同时供电的设备包括：部分应急照明、重要控制系统加热设备以及船舶集控系统、广播系统等关键设备，这些设备系统之间的故障会产生相互影响。
虽然UPS 供电系统设置了相应的保护分级，可以大大减小相互之间的干扰，但是多系统共用相互之间的影响必然存在，尤其是终端分电箱到用电负荷这段线路。从终端配电箱到各级配电盘的UPS 电源只有一条供电线路，他同时供给220 V和24 V 控制模块，其中包括控制柜和各重要电机的空间加热器，这些负荷往往发生短路故障的概率较大，他们之间只有熔断器保护，如果出现熔断器动作失误或者配合不合理，对其他系统的影响将是直接的。
该钻井平台在作业不久就出现过两次因为UPS 受到未知因素的影响而导致全船失电或者无法正常供电，一次是因为工程师在排查故障的过程中，因系统图纸与现场存在出入，在计划断开某一部分设备电源检修时，断开了给480 V 级配电盘供电的UPS 供电开关，导致平台整个二次系统失电。另一次在复台过程中，因为台风原因UPS 系统出现故障一时难以解决，导致应急发电机启动后无法正常恢复平台电力。由此可见单独由UPS 供电仍然存在一定的不可控风险。
基于上述分析，按照供配电设计的一般原则，最理想的选择是增加UPS 供电线路的冗余度，根据不同类型的设备分别供电，对特别重要的系统增加足够的冗余度，但是这样不仅增加了系统建设成本也增加了复杂度，所以不是最佳选择。
虽然在电能质量方面UPS 具有无法取代的地位，但是在钻井平台正常作业过程中，如果在主发电机正常工作的情况下，主电网供电虽然在电压波动、闪变以及谐波含量方面存在劣势，但在供电容量，供电距离和可靠性方面，却更有优势，其可靠性甚至高于UPS。所以我们可以从主电网这方面着手与UPS 一起构成冗余供电系统，这样就可以充分结合二者的优势。
通过对各级配电二次继保系统的负荷分类分级，我们可以得出如下结论：用于继保动作、报警、指示的控制电源负荷主要集中在直流24 V级；
目前成熟可靠的开关电源技术，电源范围宽，输出质量可靠，其输出品质基本可以达到UPS 水平，可以弥补电网系统电能质量的不利影响。如果能够充分利用主电网这一优势，使得在正常情况下主要由UPS 供电，当UPS 出现供电异常时系统能够及时利用主电网的优势投入临时供电，系统的可靠性将大大提高，其基本思路如图3所示。
图3 优化后的基本原理框图Fig.3 Optimized theory structure
这样主电力系统正常工作情况下，当UPS 系统出现供电线故障时，主电网可以提供稳定电源而不会出现大面积停电的事故。即使UPS 系统本身出现故障，也完全可以离线检修，而不至于对整个供电系统造成影响。同时也不会改变原设计的初衷，也满足相关规范的要求。大大降低了因在检修过程中误操作、控制回路主电路器件故障等，导致停电检修或者造成事故或者扩大停电范围的系统性风险，从而发挥一加一大于二的效果。
如果二次系统存在大量需要220 V 级供电的设备，同样可以采用隔离变压器或者变频电源，来实现其与主电网的隔离并从而提高供电质量。不过随着自动化和数字化技术的应用以及用电安全方面考虑，钻井平台继保系统越来越多的采用24 V 供电控制模块，这给该供电模式提供了另一种思路。
下面以上述钻井平台原理图进行的改造方案为例来说明，由于该平台已经是成熟平台，需要在现有的基础上进行改进，所以选择一个简单而折中的改造方案：只针对其中起核心控制继电装置的部分做冗余，这样就可以最大程度地减少UPS 系统故障而导致的停电范围，此外现场空间有限，也减少了冗余电源之间的切换电路和模块，而只是采用了二极管将二者进行隔离。
优化后的电路原理如图4所示。红框所示部分为另外增加的冗余电源模块，该电源模块电源取自主480 V 配电系统主母排，只要480 V 母排正常供电该模块就会一直保持供电状态 ，二极管D1、D2 作用是隔离两路不同的开关电源，其实这里也可以采用专门的电源冗余模块，二极管相对来说取材方便，成本较低。
图4 优化控制系统供电方案原理图Fig.4 Schematic diagram of power supply scheme of optimal control system
这样这两路电源模块只要一路供电正常，下级的继保系统就能正常工作。该平台在出厂初期多次因为上述问题导致停电，之后平台根据上述方案对所有配电盘的控制系统电源均按照上述方案进行升级改造之后，就再未出现过类似的问题，而且平台在后期进行UPS 系统检查维护过程中也取得了更加便利的效果。
对于上述方案，其具体实施电路存在多种实现方式，如果在设计初期就将该思路考虑在内，将会更加完善和合理，可靠性和实用性也将大幅提高。此外对于部分开关电源来说本身还具备一定的缓冲功能，即在主电源断开后的一定时间内，其内部的缓冲模块仍可以具备短时间的供电能力，利用开关电源的这一特性，我们采用中间接触器来实现冗余电源键的切换。也可以利用在开关电源之后安装冗余电源模块来实现，这样能够进一步提高控制系统供电质量和可靠性，效果也会更理想。
图5为增加冗余电源后系统供电质量的对比图，其中A 曲线为UPS 系统经过开关电源供电波形，B 曲线为系统经开关电源供电的波形，从图中我们可以看出，虽然相对于UPS 供电来说系统电源受到其他负载系统谐波的影响较大（曲线宽窄代表供电谐波多少），但是二者在供电质量上基本接近，这些细小的区别对于电子电路来说基本上可以忽略。
图5 UPS 供电与系统供电电源质量对比（A 为UPS，B 为开关电源）Fig.5 Comparison of power supply quality between UPS and Power Unit（A is UPS,B is switching power supply）
虽然平台UPS 采用集中系统供电，在最初的设计中也考虑到各级负荷保护，尽量减少了不同供电系统之间的干扰，但是平台用电负荷由于负荷波动和负荷变化不规律，所以难以保证供电负荷保护的设计完全满足现场使用要求，加上海上钻井平台的特殊性，大大降低了UPS 系统的可靠性，所以用UPS 作为唯一的控制电源，仍然存在一定的供电风险，这些风险对于高投入、高风险、高要求的石油钻井作业来说是不可承受的，应该尽量避免。本方案在原有的设计基础上，围绕钻井平台必须具备高可靠性的基本要求，充分考虑UPS 和结合平台主电网各自的特性，将二者的优势加以利用，使他们互为补充。虽然开关电源稳定性不如UPS，但是利用它将相对可靠的平台主电网与容量有限的UPS 系统相结合，构成冗余，既可以大大降低UPS 电源故障的导致停工停产风险，也大大降低平台UPS 系统日常检修维护的难度，可谓一举多得。该平台正是由于在实际应用中遇到前述问题，通过增加冗余电源后，在后期的使用和UPS 系统检修等过程中，未再出现过类似的故障，大大提高了系统供电的可靠性和稳定性，给日后钻井平台可靠施工提供了坚实基础，减少不必要的损失并创造出更大的经济效益。通过上述方案在该平台的实践与运用，进一步验证了其必要性和可靠性。
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