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摘 要：文章针对某海上油田电力系统的优先脱口的原理、现状，以某海上油田优先脱口为例，结合海上油气田电力系统的实际情况，对海上油田电力系统的优先脱口系统改造进行研究，并提出并分析某海上油田的优先脱扣改造方案，同时可为新油田开发提供优先脱扣设计参考。
关键词：优先脱扣；过电流保护；PLC；分级；卸载
中图分类号：U674.38 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）12-0001-03
电力系统是现代化工业企业当中不可或缺的重要组成部分，而电力系统中，“安全供电，安全生产”又是重中之重。优先脱扣系统就是企业为了保证安全生产供电所专门独立设置的一套控制系统。在石油化工系统的生产过程中，更能深刻体现出优先脱扣系统的重要性。
1 优先脱扣系统介绍
1.1 优先脱扣的作用
发电机和变压器等的主要供电设备，长期超载运行，会由于发热大，温升高而引起损坏。为了避免这种故障发生，如前所述设计了长延时过电流脱扣保护。例如：当发电机负荷电流超过发电机额定值的15%～25%时，长延时过电流保护动作经过20 s左右的延时，断开真空断路器停止供电，达到保护发电机的目的。
断路器跳闸后，发电机虽然得到了保护，但电站却停电，生产中断了，这样的电站系统的可靠性较低，为此设计了优先脱扣功能。
虽然负荷管理系统检测到发电机负荷超过90%额定值时，负荷管理系统会发出信号起动第二台发电机，但燃气轮发电机从起动到投入运行往往需要4～5 min，较大的过载会使第一台发电机在20 s左右的时间内，还等不到第二台机组投入就跳闸停电。优先脱扣功能又可在长延时过电流保护动作前的20 s内，先将部分负荷卸掉，避免发电机超载，使长延时过电流保护不动作，等第二台发电机自动投入并联后，再投入卸掉的负荷，这种设计就可以避免电站系统在超载时出现跳闸停电的现象，提高了电站运行的可靠性。上述的提前卸载功能就是优先脱扣。
1.2 优先脱扣值的设定
优先脱扣保护实际上也是一个长延时过电流保护，只是其设定值与长延时过电流保护设定的不同而已。
1.2.1 设定的原则
设定值必须小于长延时过电流保护的设定值。它应先于长延时过电流保护动作，如果长延时过电流保护设定在120%的额定值，则优先脱扣就应设定在120%的额定值以下，可以取115%，105%，100%，95%，90%，85%……等。
主变压器的长延时过电流保护值设定为120%的额定值，优先脱扣虽也设定在120%，但无延时，还是可以先于过流保护动作。
1.2.2 动作时间
一般在15 s以内完成，可以根据过载的大小和机组的运行情况，分1次或2次优先脱扣。
2 某油田优先脱扣系统目前的现状和存在的问题
①此前，由于部分大功率设备停用，原电力系统脱扣逻辑发生变化。
②现增加了新设备，新增设备的负荷已经超过脱扣后单台发电机的负荷，所以要在优先脱扣系统中加入，接回改造前原设备的脱扣回路。
③原优先系统由JACOM发电机控制器和相关中间继电器组成，其功能较简单，控制范围也较小。而且随着设备和负荷的变化，原先的分组级别及逻辑需要较大的改动，这些改动都需要通过硬线变化，施工不方便且风险较大。同时，由于油田电潜泵负荷越来越大，占透平机主体部分，如何灵活控制这部分负载，保护发电机及稳定生产，对优先脱扣系统改造有重要意义。
3 优先脱扣改造
3.1 PLC控制系统
增加一套独立的PLC控制系统，实时采集平台的负载运行信息及发电机组运行信息，采用循环累加优化算法，实时计算当发生发电机故障时需要卸载的负载数量，当发电机断路器跳闸时立刻切除超载部分负载，改造后采用编程及设置终端控制可编程控制器，并通过远程I/O对现场设备进行控制。监测、控制系统内设备运行状态，对于系统内设备可以统一进行组态，设置各个设备的优先级别，对实时发生的各种报警和故障作出及时的调整和变化，以保证平台必要设备的运行，保证油田的正常生产。
3.2 优先脱扣系统
新方案中优先脱扣系统如图1所示，由新增加的一套A-B，Control Logix 5000 PLC和Panel View Plus1000触摸屏来控制。ControlLogix系统是一种框架式控制系统，具有最新的I/O技术。ControlLogix系统可以在严格的工业环境下长期、稳定地运行。ControlLogix系统具备良好的电磁兼容性，支持I/O模板在系统运行过程中进行带电热的插拔、交换。
Control Logix 5000 PLC可以对各机组的运行、停止、温度等实时数据进行采集，然后再经过一系列的运算，当机组出现故障时能对负载进行合理的脱卸。
按照以上拓扑图：
①通过编程及设置终端（IFIX）独立通信网络监视并控制PLC（AB的CompactlLogix），以达到监视并控制优先脱扣状况，调整现场各设备优先级，记录并处理报警信息等功能。
②PLC（AB的CompactLogix的1769-L32E）作为控制器，接受编程及设置终端命令，读取并控制现场设备运行。同时将读取到的实时数据传送给编程及设置终端。（具体逻辑关系可参考PLC程序，程序图如图2所示）。
③现场设备根据PLC命令，脱开或合上相应负荷。
3.3 分级设置的优点
①可以根据系统实际需要进行脱扣动作。
②可以在系统发生变化的情况下，调整各脱扣系统的优先级，以更好的适应变化后的系统。
③可以对各个优先级别的设备进行负荷统计，在脱扣动作执行之前，就可以提前预见到脱扣后效果。 3.4 优先脱扣的负荷分组
优先脱扣在过载时优先卸掉的负荷是不太重要的负荷，其分组如下：
A组 （用于发电机优先脱扣） 注水系统。
B组 吊机、空调、海水提升泵A、电伴热、造淡机。
C组 生活模块（不包括应急部分）。
D组 （用于主变压器的优先脱扣）电潜泵。
3.5 优先脱扣设定原则
本电站系统发电机的优先脱扣设定值在负荷管理器起动另一台发电机的设定值（90%）以上，而又在发电机的长延时过电流保护设定值（120%）以下。
3.6 本系统的优先脱扣逻辑
优先脱口系统硬件控制原理图如图3所示，优先脱口系统硬件控制原理图如图4所示。
①如果系统剩下两台透平机带载运行，在系统出现过载信号时，延时5 s后将实际运行负荷总量（Q1）与当前运行机组总容量（Q）的80%进行比较，若Q1>80%Q，则执行1级优先脱扣。
在执行完1级优先脱扣后，延时5 s后，再将此时Q1与80%Q进行比较，若Q1若仍然大于80%Q，则执行2级优先脱扣。
如果有发电机超温信号，延时5S脱掉1级和2级负载，若仍然有超温信号，延时5 s脱3级负载。
②如果系统只有一台透平机带载运行，当透平机发生过载，若Q1>80%Q，立即脱掉1级和2级负载，在执行完1、2级优先脱扣后，延时5秒后，再将此时Q1与80%Q进行比较，若Q1若仍然大于80%Q，则执行3级优先脱扣。
如果有发电机超温信号，延时5 s脱掉1级负载和2级负载，若仍然超温，延时5 s脱3级负载。
③如果系统两台透平运行时，有一台透平突然故障停机。此时立刻将Q1与Q进行比较，若Q1>80%Q，立即脱掉1级和2级负载，在执行完1、2级优先脱扣后，延时5 s后，再将此时Q1与80%Q进行比较，若Q1若仍然大于80%Q，则执行3级优先脱扣。
④如果有发电机超温信号，延时5 s脱掉1级负载和2级负载，若仍然超温，延时5 s脱3级负载。
经过上述优化后，即使在只有一台主机运行的情况下，仍能保证部分油田不停产，供电系统的可靠性进一步提高。同时，井口平台保持正常生产，避免了海管凝管的风险。
PLC实时取样各机组的状态，当有机组温度过高（如果达到关停机组的设定值20 s内温度还没有降下去，那么该机组就会关停。
所以负载的脱卸必须在十几秒内完成，给机组一个降温的时间）或负荷率超过90%时，延时5 s进行一级脱扣，脱去Pre.1的负载，此时应急机启动带应急母排；若负荷率仍然超过90%或温度高，延时10 s进行二级脱扣。为了防止有突然的波动，在PLC程序里应该对采样来的数据进行过滤处理。
优先脱扣就是根据系统检测到不同级别的动作电流，实现关断不同组别的设备，从而由低级别关断设备，在最大程度的保护到发电机的同时，还能保证生产。
3.7 编程及设置终端
目前对于优先脱扣系统的脱扣条件只能在相应的JACOM控制器进行调整，如果因为工程或者维修需要强制某些动作的话，在JACOM控制器强制动作影响范围较大，这样既不方便也不合理。
例如，以前因为发电机参数设置出问题导致起机时引起超温脱扣，在原因不明之前，只有在脱扣控制器上摘除3台发电机的过热信号。
新增加编程及设置终端既便于观察控制逻辑和条件，又可以在特殊情况下旁通脱扣条件和强制脱扣动作。
编程及设置终端画面主要包括三部分，如图5和图6所示。
①现场设备实时状况画面。
②设备优先级更改及强制画面。
③设备优先级列表。
4 使用效果评价
本方案利用油田原系统特点，通过利用涠洲电网有限脱扣控制方式，通过再进行软硬件连接测试，最终完成优先脱扣改造，实现改造方案。改造后，油田优先系统稳定运行，运行一年多，未出现因为优先脱扣系统动作导致电力系统关断、油田停产的情况，减少了大量的经济损失，一次关断需要约2 h全面恢复电力系统及生产系统，以油田日产1 200方原油，原油价格80美元计算，年减少损失约180万美元。
5 结 语
①改造后优先脱扣系统运行情况表明，对海上油田电力系统的保护方案是可行的。
②可编程控制系统具有严谨的逻辑控制功能，较之继电器控制的安全可靠性有着巨大的优势。
③可编程控制系统具有强大的可扩展性，提高了现有系统的适用范围。可编程控制系统保证了在今后的生产当中，对于增加的设备和负荷进行及时的调整，不必大范围更改控制部分，很快地融入到整个优先脱扣系统当中，提高了整体的生产效率。
④网络的实时性和可靠性提高了系统的通讯能力，能够第一时间发现并且解决问题。
⑤能够对现有的系统内设备的运行状态进行显示，并对系统实时脱扣状态进行统计。对于设备优先级的调整，只要在编程及设置终端上对设备进行属性的相应更改，就能达到目标，更能及时的适应系统的变化。
⑥中文化的人机界面不仅提高控制模式水平，体现现代化的控制理念，更方便员工的学习和使用。
参考文献：
[1] 国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，2000.
关键词：优先脱扣；过电流保护；PLC；分级；卸载
中图分类号：U674.38 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）12-0001-03
电力系统是现代化工业企业当中不可或缺的重要组成部分，而电力系统中，“安全供电，安全生产”又是重中之重。优先脱扣系统就是企业为了保证安全生产供电所专门独立设置的一套控制系统。在石油化工系统的生产过程中，更能深刻体现出优先脱扣系统的重要性。
1 优先脱扣系统介绍
1.1 优先脱扣的作用
发电机和变压器等的主要供电设备，长期超载运行，会由于发热大，温升高而引起损坏。为了避免这种故障发生，如前所述设计了长延时过电流脱扣保护。例如：当发电机负荷电流超过发电机额定值的15%～25%时，长延时过电流保护动作经过20 s左右的延时，断开真空断路器停止供电，达到保护发电机的目的。
断路器跳闸后，发电机虽然得到了保护，但电站却停电，生产中断了，这样的电站系统的可靠性较低，为此设计了优先脱扣功能。
虽然负荷管理系统检测到发电机负荷超过90%额定值时，负荷管理系统会发出信号起动第二台发电机，但燃气轮发电机从起动到投入运行往往需要4～5 min，较大的过载会使第一台发电机在20 s左右的时间内，还等不到第二台机组投入就跳闸停电。优先脱扣功能又可在长延时过电流保护动作前的20 s内，先将部分负荷卸掉，避免发电机超载，使长延时过电流保护不动作，等第二台发电机自动投入并联后，再投入卸掉的负荷，这种设计就可以避免电站系统在超载时出现跳闸停电的现象，提高了电站运行的可靠性。上述的提前卸载功能就是优先脱扣。
1.2 优先脱扣值的设定
优先脱扣保护实际上也是一个长延时过电流保护，只是其设定值与长延时过电流保护设定的不同而已。
1.2.1 设定的原则
设定值必须小于长延时过电流保护的设定值。它应先于长延时过电流保护动作，如果长延时过电流保护设定在120%的额定值，则优先脱扣就应设定在120%的额定值以下，可以取115%，105%，100%，95%，90%，85%……等。
主变压器的长延时过电流保护值设定为120%的额定值，优先脱扣虽也设定在120%，但无延时，还是可以先于过流保护动作。
1.2.2 动作时间
一般在15 s以内完成，可以根据过载的大小和机组的运行情况，分1次或2次优先脱扣。
2 某油田优先脱扣系统目前的现状和存在的问题
①此前，由于部分大功率设备停用，原电力系统脱扣逻辑发生变化。
②现增加了新设备，新增设备的负荷已经超过脱扣后单台发电机的负荷，所以要在优先脱扣系统中加入，接回改造前原设备的脱扣回路。
③原优先系统由JACOM发电机控制器和相关中间继电器组成，其功能较简单，控制范围也较小。而且随着设备和负荷的变化，原先的分组级别及逻辑需要较大的改动，这些改动都需要通过硬线变化，施工不方便且风险较大。同时，由于油田电潜泵负荷越来越大，占透平机主体部分，如何灵活控制这部分负载，保护发电机及稳定生产，对优先脱扣系统改造有重要意义。
3 优先脱扣改造
3.1 PLC控制系统
增加一套独立的PLC控制系统，实时采集平台的负载运行信息及发电机组运行信息，采用循环累加优化算法，实时计算当发生发电机故障时需要卸载的负载数量，当发电机断路器跳闸时立刻切除超载部分负载，改造后采用编程及设置终端控制可编程控制器，并通过远程I/O对现场设备进行控制。监测、控制系统内设备运行状态，对于系统内设备可以统一进行组态，设置各个设备的优先级别，对实时发生的各种报警和故障作出及时的调整和变化，以保证平台必要设备的运行，保证油田的正常生产。
3.2 优先脱扣系统
新方案中优先脱扣系统如图1所示，由新增加的一套A-B，Control Logix 5000 PLC和Panel View Plus1000触摸屏来控制。ControlLogix系统是一种框架式控制系统，具有最新的I/O技术。ControlLogix系统可以在严格的工业环境下长期、稳定地运行。ControlLogix系统具备良好的电磁兼容性，支持I/O模板在系统运行过程中进行带电热的插拔、交换。
Control Logix 5000 PLC可以对各机组的运行、停止、温度等实时数据进行采集，然后再经过一系列的运算，当机组出现故障时能对负载进行合理的脱卸。
按照以上拓扑图：
①通过编程及设置终端（IFIX）独立通信网络监视并控制PLC（AB的CompactlLogix），以达到监视并控制优先脱扣状况，调整现场各设备优先级，记录并处理报警信息等功能。
②PLC（AB的CompactLogix的1769-L32E）作为控制器，接受编程及设置终端命令，读取并控制现场设备运行。同时将读取到的实时数据传送给编程及设置终端。（具体逻辑关系可参考PLC程序，程序图如图2所示）。
③现场设备根据PLC命令，脱开或合上相应负荷。
3.3 分级设置的优点
①可以根据系统实际需要进行脱扣动作。
②可以在系统发生变化的情况下，调整各脱扣系统的优先级，以更好的适应变化后的系统。
③可以对各个优先级别的设备进行负荷统计，在脱扣动作执行之前，就可以提前预见到脱扣后效果。 3.4 优先脱扣的负荷分组
优先脱扣在过载时优先卸掉的负荷是不太重要的负荷，其分组如下：
A组 （用于发电机优先脱扣） 注水系统。
B组 吊机、空调、海水提升泵A、电伴热、造淡机。
C组 生活模块（不包括应急部分）。
D组 （用于主变压器的优先脱扣）电潜泵。
3.5 优先脱扣设定原则
本电站系统发电机的优先脱扣设定值在负荷管理器起动另一台发电机的设定值（90%）以上，而又在发电机的长延时过电流保护设定值（120%）以下。
3.6 本系统的优先脱扣逻辑
优先脱口系统硬件控制原理图如图3所示，优先脱口系统硬件控制原理图如图4所示。
①如果系统剩下两台透平机带载运行，在系统出现过载信号时，延时5 s后将实际运行负荷总量（Q1）与当前运行机组总容量（Q）的80%进行比较，若Q1>80%Q，则执行1级优先脱扣。
在执行完1级优先脱扣后，延时5 s后，再将此时Q1与80%Q进行比较，若Q1若仍然大于80%Q，则执行2级优先脱扣。
如果有发电机超温信号，延时5S脱掉1级和2级负载，若仍然有超温信号，延时5 s脱3级负载。
②如果系统只有一台透平机带载运行，当透平机发生过载，若Q1>80%Q，立即脱掉1级和2级负载，在执行完1、2级优先脱扣后，延时5秒后，再将此时Q1与80%Q进行比较，若Q1若仍然大于80%Q，则执行3级优先脱扣。
如果有发电机超温信号，延时5 s脱掉1级负载和2级负载，若仍然超温，延时5 s脱3级负载。
③如果系统两台透平运行时，有一台透平突然故障停机。此时立刻将Q1与Q进行比较，若Q1>80%Q，立即脱掉1级和2级负载，在执行完1、2级优先脱扣后，延时5 s后，再将此时Q1与80%Q进行比较，若Q1若仍然大于80%Q，则执行3级优先脱扣。
④如果有发电机超温信号，延时5 s脱掉1级负载和2级负载，若仍然超温，延时5 s脱3级负载。
经过上述优化后，即使在只有一台主机运行的情况下，仍能保证部分油田不停产，供电系统的可靠性进一步提高。同时，井口平台保持正常生产，避免了海管凝管的风险。
PLC实时取样各机组的状态，当有机组温度过高（如果达到关停机组的设定值20 s内温度还没有降下去，那么该机组就会关停。
所以负载的脱卸必须在十几秒内完成，给机组一个降温的时间）或负荷率超过90%时，延时5 s进行一级脱扣，脱去Pre.1的负载，此时应急机启动带应急母排；若负荷率仍然超过90%或温度高，延时10 s进行二级脱扣。为了防止有突然的波动，在PLC程序里应该对采样来的数据进行过滤处理。
优先脱扣就是根据系统检测到不同级别的动作电流，实现关断不同组别的设备，从而由低级别关断设备，在最大程度的保护到发电机的同时，还能保证生产。
3.7 编程及设置终端
目前对于优先脱扣系统的脱扣条件只能在相应的JACOM控制器进行调整，如果因为工程或者维修需要强制某些动作的话，在JACOM控制器强制动作影响范围较大，这样既不方便也不合理。
例如，以前因为发电机参数设置出问题导致起机时引起超温脱扣，在原因不明之前，只有在脱扣控制器上摘除3台发电机的过热信号。
新增加编程及设置终端既便于观察控制逻辑和条件，又可以在特殊情况下旁通脱扣条件和强制脱扣动作。
编程及设置终端画面主要包括三部分，如图5和图6所示。
①现场设备实时状况画面。
②设备优先级更改及强制画面。
③设备优先级列表。
4 使用效果评价
本方案利用油田原系统特点，通过利用涠洲电网有限脱扣控制方式，通过再进行软硬件连接测试，最终完成优先脱扣改造，实现改造方案。改造后，油田优先系统稳定运行，运行一年多，未出现因为优先脱扣系统动作导致电力系统关断、油田停产的情况，减少了大量的经济损失，一次关断需要约2 h全面恢复电力系统及生产系统，以油田日产1 200方原油，原油价格80美元计算，年减少损失约180万美元。
5 结 语
①改造后优先脱扣系统运行情况表明，对海上油田电力系统的保护方案是可行的。
②可编程控制系统具有严谨的逻辑控制功能，较之继电器控制的安全可靠性有着巨大的优势。
③可编程控制系统具有强大的可扩展性，提高了现有系统的适用范围。可编程控制系统保证了在今后的生产当中，对于增加的设备和负荷进行及时的调整，不必大范围更改控制部分，很快地融入到整个优先脱扣系统当中，提高了整体的生产效率。
④网络的实时性和可靠性提高了系统的通讯能力，能够第一时间发现并且解决问题。
⑤能够对现有的系统内设备的运行状态进行显示，并对系统实时脱扣状态进行统计。对于设备优先级的调整，只要在编程及设置终端上对设备进行属性的相应更改，就能达到目标，更能及时的适应系统的变化。
⑥中文化的人机界面不仅提高控制模式水平，体现现代化的控制理念，更方便员工的学习和使用。
参考文献：
[1] 国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，2000.