FDPSO安全约束下的修正动态负载管理

《工业控制计算机》2019年第32卷第5期浮式钻井生产储卸油装置(Floating Drilling Production Storage and Offloading ,FDPSO )是近年来新兴的一类具有集成功能的海洋油气平台,其多功能的集成环境一旦失稳,强耦合现象将冲击整个电力系统,带来严重影响。

近年来国内外对船舶能量管理系统(Power Management System ,PMS )和安全功能已有研究,文献眼1演使用了简化模型对下一代集成船载电力系统进行动态负载管理;文献眼2演研究了不同的安全约束PMS 方案对船舶的综合影响;文献眼3演提出了一种自我修复策略使船舶电力系统自动修复;文献眼4演提出了一种基于逻辑的船舶电力系统优化控制,但对于FDPSO 的特殊工况,目前没有相应的安全约束和动态管理规则。

本文通过对FDPSO 平台电力模型的分析,建立对应的安全约束规则,实现稳定的动态负载管理。

1安全约束下的动态管理负载管理主要分为直接负载控制、间接负载控制和存储能量控制。

通过对负载的投切和发电机的控制实现平台的稳定运行。

而动态负载管理(Dynamic Load Management ,DLM )的目的主要集中在实现PMS 基本功能的同时,根据实时和未来的负载变化重新分配发电机和负载的工作模式,实现降低峰值负荷、优化输电线路、降低总能耗和保证更高的安全性等功能。

PMS 动态管理模式如图1所示。

在满足安全性约束(Security Constrained ,SC )的前提下,如果没有足够的发电量来为系统中的所有实时负载供电,则只有较高优先级的负载会接入系统,并且一些非重要负载会被释放以避免发电机过载。

考虑到负载的优先级,动态负载管理可以表示为优化问题。

而设定安全约束可以在保证动态负载管理的同时,减少发电机的并网和解列,同时使具有不同动态特性的负载保持稳定的工作状态。

2SCDLM 方案设计FDPSO 生产模式属于常态模式,钻井功能启用时平台负载达到峰值,简化电力模块可分为综合用电、动力用电、工况用电和紧急用电四个部分。

针对不同模块的用电设备设置不同的安全等级,根据等级生成相应指标,设计SC 下的动态负载管理策略,使PMS 达到符合安全性的最优控制。

2.1电力系统模型设计FDPSO 平台电源系统包括2台16MW 主柴油涡轮发电机G1-G2,2台8MW 辅柴油涡轮发电机G3-G4,一台4MW 备用发电机G5作为应急电源[5-6]。

根据负载功能和动态特性对负载进行重要因子赋值,赋值越大,重要性越高。

设计如表1所示。

2.2DLM 方案的设计及修正DLM 问题可表述为优化问题,目标为最大化通电负载函数值与重要因子函数值,表示如式(1):J 1=max k ∈L ∑P k (t )·y k (t )·W k J 2=max k ∈L ∑q k ⎧⎩⏐⏐⎨⏐⏐(1)其中,L 为负载,y 为符号函数,1表示接入,0表示断开,W 表示权重,P 表示负载功率。

W 权重计算方法如(2)式:1:W k =P max3+P max2P k()+12:W k =P max 2P k ()+13:W k =P k P k ()14:W k =0.5⎧⎩⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐(2)FDPSO 安全约束下的修正动态负载管理∗王唯一旷弘捷(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)Correction Dynamic Load Management of FDPSO Security Constrained摘要:针对浮式钻井生产储卸油装置存在的电气系统安全问题,提出了具有安全约束条件的动态负载管理策略,设计了安全约束条件和修正的动态负载管理方案,建立了平台的电力系统,对传统能量管理系统和提出的模型进行了仿真对比验证。

结果表明,具有安全约束的动态负载管理方案不仅保证了系统的安全用电,也降低了抖振幅度和电压波动幅度,保证了系统的安全性。

关键词:安全约束,动态负载管理,修正系统,电气模型Abstract 押A dynamic load management strategy with security constraints is proposed in this paper.The security con⁃straints and the modified dynamic load management scheme are designed熏the power system of the platform is established熏the simulation of the traditional energy management system and the proposed model are carried out.Keywords 押security constrained熏dynamic load management熏correction system熏electricalmodel图1平台PMS 动态管理流程图表1负载重要系数与功率表∗国家高技术船舶科研计划(工信部、财务部)资助项目(20100331)139FDPSO 安全约束下的修正动态负载管理式(2)中1~4表示重要等级。

在建模过程中,负载简化为恒定电阻负载。

综合用电、动力用电、工况用电和紧急用电四个部分在不同的主工况下其负载重要因子q 需要修正,修正方式如式(3):q j =q jminq jmax qj q i =q i{i ,j ∈L (3)其中,j 为非主工况下其他工况负载编号,i 为主工况下负载编号。

与此同时,重要等级t 优先于重要因子进行量化,故重要等级在不同的主工况下也需要进行修正,方式如式(4):i j =t j -1i i =t i{i ,j ∈L (4)其中i i 为主工况负载重要等级,i j 为非主工况负载的重要等级。

2.3安全约束设计评估FDPSO 电力管理系统的安全性,需要定义一组安全约束。

在安全约束下对动态负载进行管理可以保证系统在安全性完全被满足的情况下进行最优功率分配:1)模型必须满足所有总线负载和电力系统总损耗之和不应大于可用电源容量;2)发电机输出功率不超过标幺值(pu )的±5%;3)发电机频率保持在标幺值(pu )的±2%以内;4)各级扰动电压峰值保持在标幺值(pu )的±20%以内;5)不同工作模式下的负载功率必须被满足。

如公式(5)所示:k ∈L ∑P k (t )·y k (t )+P losses (t )≤j ∈S ∑P G (t )t ∈[0,T ]P n (t )≤P max n t ∈[0,T ]F minn ≤F n (t )≤F maxn t ∈[0,T ]V ̇min m ≤V ̇m (t )≤V ̇max m t ∈[0,T ]⎧⎩⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐(5)其中,P losses (t )是t 时刻脱离系统负载的功率,P G 为发电机发电最大功率,n 为各发电机的编号,V ̇m(t )为m 线路的电压振幅,V m (t )为m 线路的扰动电压峰值,F n (t )发电机n 的频率。

3SC 动态负载管理仿真验证为了验证SCDLM 方案的有效性,在本节中,FDPSO 电力系统的使用MATLAB 的simulink 模块搭建模型进行仿真验证。

仿真技术路线如图2所示。

目标是在不违反安全约束和的情况下最大化船载电力系统中的通电负载。

考虑系统故障到恢复的工况模式用电情况。

在该工况下,工况负荷的重要等级高于其他负荷。

此外,本例设定发电机G1发电机t 时刻开始故障状态,t+2时刻恢复正常。

全平台最输出大功率48WM (应急发电机除外)。

模型参数如下:使用(1)~(4)式求解该电力系统工况模式下J 值,参考工况负载工作情况,J 1值为87.78,J 2值为18.4,总负载43.75MW ,其中工况和综合负荷满载运行,推进器系统L21-L24负载工作,系统工作状态保持稳定。

当系统t=8s 时,设定发电机G3出现故障解列,10s 系统恢复。

系统最大输出功率降为40MW 。

验证DLM 方案的有效性,先通过DLM 方案计算出故障时的J 1值为81.78,J 2值为17.2,总负载37.75MW ,DLM 根据重要等级和功率排序,系统卸去L24,将出功分配到L21-L23上,并在故障恢复时将L24接回系统,同时下调L21-L23的出功。

验证安全约束的DLM 方案有效性,将约束方程式纳入到重要因子函数和大化通电负载函数的计算中,解得J 1值为93.78,J 2值为20.4,总负载为44MW ,系统考虑到电压端的安全约束,在故障时通过应急发电机G5的并网来消除主辅发电机端电压的抖振现象,在接入L41提升J 2值的同时抑制转速的波动。

相关仿真结果如图3、图4、图5所示:图3发电机端输出结果图发电机端输出如图3所示,普通管理方案用双划线表示,平台在8s 发电机G3故障时的总负载预测没有改变,虽然故障在2s 时解除,PMS 也在0.5s 内进行功率分配,但是在故障结束之后的P n (t )达到了0.15pu ,不满足安全约束,这样的工况对系统损害十分严重。

DLM 为虚线所示,P n (t )符合要求。

SCDLM 如实线所示,P n (t )符合要求。

图4发电机转速结果图(下转第142页)图2仿真技术路线图图5发电机电压结果图140工业私有云安全防护体系研究与分析(上接第140页)发电机转速如图4所示,普通管理方案用双划线表示示,发电机转速标幺值满足安全约束。

DLM 如虚线所示,但转速在故障解除后骤降至0.975pu ,F n (t )超出了2%的安全约束,系统不安全。

SCDLM 为实线所示,F n (t )符合要求。

发电机电压如图5所示,普通管理方案用双划线表示,V ̇m(t )超过了20%并伴随抖振现象,系统处于不稳定状态。

DLM 如虚线所示,V ̇m(t )也超过了20%并伴随抖振,系统不稳定。

SCDLM 为实线所示,V ̇m(t )符合要求。

针对FDPSO 复杂的负载结构和电力系统,本文对DLM 方案进行设计,在此基础上添加安全约束,并进行相关因子的修正,通过相关仿真进行了模型的验证。

结果如表2所示。

4结束语本文设计的SCDLM 在案例工况下的使用结果良好,不仅保证了系统的安全用电,也降低了抖振幅度和电压波动幅度,功率重分配效果也符合安全约束。

仿真结果表明,SCDLM 修正模型为具有复杂电力系统的海工装备PMS 设计提供了参考。

参考文献[1]Xianyong Feng熏Takis Zourntos熏Karen L熏et al.Dynamic LoadManagement for NG IPS Ships眼C演∥IEEE PES General Meet⁃ing.2010[2]Salman Mashayekh熏Karen L ButlerPurry.Security ConstrainedPower Management System for the NG IPS Ships 眼C演∥NorthAmerican Power Symposium熏2010[3]K L ButlerPurry熏NDR Sarma.Self -Healing Reconfiguration forRestorationofNavalShipboardPowerSystems 眼J演.IEEETransactions on Power Systems熏2004熏19穴2雪押754-762[4]Edoe F Mensah.Logic-Based Optimal Control for Shipboard Power System Management 眼D演.Drexel University.2008押25-27[5]谭瞳.“丹纳”FPSO 电力系统的功率匹配设计分析[J ].企业科技与发展,2017(8):25-27[6]于兴军,王亚峰,栾苏,等.第6代深水半潜钻井平台配电系统研究[J ].石油矿场机械,2008,37(12):16-18[收稿日期:2019.1.21]表2方案验证结果对比表的概率及对系统的影响程度,均远高于来自外部的直接攻击。