張書忠

(上海宏華海洋油氣裝備有限公司工程設(shè)計(jì)部，上海 201206)

基于ETAP軟件的自升式生活平臺(tái)初步設(shè)計(jì)

張書忠

(上海宏華海洋油氣裝備有限公司工程設(shè)計(jì)部，上海 201206)

給出了用ETAP軟件規(guī)劃海洋自升式平臺(tái)電網(wǎng)的計(jì)算分析知識(shí)點(diǎn)。探討計(jì)算分析結(jié)果內(nèi)容的理解，對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性進(jìn)行反思，并給出建設(shè)性意見。

自升式生活平臺(tái) 初步設(shè)計(jì) ETAP軟件 短路電流 潮流分析

0 引言

本文涉及的自升式生活平臺(tái)是基于我國南海海域現(xiàn)狀，吸收目前國內(nèi)自升式鉆井平臺(tái)，半潛式鉆井平臺(tái)的某些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，以及國外近海導(dǎo)管架式海洋觀測平臺(tái)，綜合考慮設(shè)計(jì)的新型多功能生活平臺(tái)。本平臺(tái)可以作為近海各種服務(wù)補(bǔ)給裝備，具有船舶短時(shí)停靠、油水供應(yīng)、人員生活、貨物存放、直升機(jī)起降和存放、氣象預(yù)報(bào)、衛(wèi)星通信、聲納、平臺(tái)狀況遠(yuǎn)程監(jiān)控、自身防御等功能。該系統(tǒng)不同于鉆井平臺(tái)，不涉及石油平臺(tái)的生產(chǎn)性工藝設(shè)備，而根據(jù)應(yīng)用的可能性，大幅度增加了平臺(tái)的內(nèi)外服務(wù)設(shè)備。

ETAP軟件是美國OTI公司開發(fā)的優(yōu)秀電力電氣系統(tǒng)分析軟件，包括一些海洋工程企業(yè)在內(nèi)的國內(nèi)外許多企業(yè)均有應(yīng)用。該軟件具有功能齊全，操作簡單，不易出錯(cuò)，修改建模容易、直觀等特點(diǎn)；具有大幅度縮短設(shè)計(jì)分析時(shí)間，加快數(shù)據(jù)結(jié)果與分析結(jié)論的獲取，迅速為后續(xù)設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)，提高功效的優(yōu)點(diǎn)。作者在自升式生活平臺(tái)項(xiàng)目中，運(yùn)用ETAP軟件完成對(duì)電網(wǎng)的短路電流，潮流，大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，諧波，變壓器容量估計(jì)，主干電纜選擇校驗(yàn)等工作，取得良好效果。下文僅以短路電流，潮流為例結(jié)合項(xiàng)目工作體會(huì)予以闡述。

1 計(jì)算分析基礎(chǔ)

ETAP軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)分析需要建模，即對(duì)電源、網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷進(jìn)行建模；一般情況下無須任何編程，完全圖形化完成。建模所需要的各種電氣元器件全部采用IEC或IEEE（ANSI）標(biāo)準(zhǔn)，軟件本身提供了部分常見元器件數(shù)據(jù)庫。建模過程中需要對(duì)設(shè)備設(shè)置大量技術(shù)參數(shù)，這些參數(shù)有些很容易獲得，有的則需要向產(chǎn)品設(shè)備制造商索要，有的則即使產(chǎn)品制造商也不易確定。設(shè)備參數(shù)對(duì)各種不同目的的計(jì)算結(jié)果都有不同的影響，所以在建模設(shè)置設(shè)備參數(shù)時(shí)應(yīng)遵循“最大化”原則，就是盡可能的結(jié)合有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件和實(shí)際設(shè)備參數(shù)去設(shè)置，無法獲取的則取用軟件本身提供的典型參數(shù)。本自升式生活平臺(tái)電網(wǎng)建模具體情況是：全網(wǎng)IEC標(biāo)準(zhǔn)；發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等設(shè)備參數(shù)由輪機(jī)和其它相關(guān)機(jī)械設(shè)備專業(yè)提供，電儀通設(shè)備則是本專業(yè)根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)而不斷設(shè)計(jì)和修改確定；其它則用軟件本身提供的典型參數(shù)值。

在本專業(yè)與輪機(jī)，舾裝等專業(yè)技術(shù)人員協(xié)商確定情況下，依據(jù)全船負(fù)荷分析所確定工況作為計(jì)算工況；相關(guān)儀表和通訊設(shè)備遵循冗余和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)要求配置。

所建平臺(tái)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（其中較為詳細(xì)的說明內(nèi)容有些是筆者后來加上去和做過調(diào)整，這些標(biāo)記與后文引用的過程計(jì)算表格內(nèi)容不完全一一對(duì)應(yīng)；最終計(jì)算分析后所確定的電網(wǎng)與該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常接近，從略）

表1

在電網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)備參數(shù)輸入調(diào)整，設(shè)備運(yùn)行工況確定這“三步曲”完成后，接下來的工作就是有關(guān)計(jì)算。

2 系統(tǒng)短路電流計(jì)算分析

短路電流計(jì)算是正確設(shè)計(jì)船舶電力系統(tǒng)，選擇合適的保護(hù)開關(guān)和確定分析開關(guān)動(dòng)作值，實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)的基礎(chǔ)[1]工作。短路電流計(jì)算的方法也有多種，文獻(xiàn)[2,3]都做了較為詳細(xì)的闡述。船舶、海洋平臺(tái)電網(wǎng)屬于孤島微網(wǎng)，在計(jì)算時(shí)選用IEC61363-1。表1給出部分主匯流排部分計(jì)算結(jié)果。

圖1

從表1可以看出，對(duì)于同一段故障母線處其它條件不變的情況下，因超暫態(tài)電抗減小而有了較大增加；換言之，發(fā)電機(jī)的這個(gè)參數(shù)直接影響到電網(wǎng)主要母線的短路電流，亦即對(duì)母線的電動(dòng)力效應(yīng)有較大的影響。而母線的動(dòng)穩(wěn)性不但對(duì)配電板系統(tǒng)安全可靠性運(yùn)行起著重要不可忽視的作用，同時(shí)也影響到每一配電板幾何安裝參數(shù)，進(jìn)而對(duì)配單板安裝外形尺寸產(chǎn)生影響。而安全可靠性的要求則導(dǎo)致母線配置多少的差異，進(jìn)而影響到造價(jià)和設(shè)備重量。

表2是其它有關(guān)條件不變的情況下，改變發(fā)電機(jī)的額定工作電壓和主要負(fù)載的額定工作電壓條件下，各部分母線短路電流情況。

表2

從表2看出，電網(wǎng)電壓等級(jí)下降后主母線短路電流均增大，而電壓等級(jí)調(diào)整的母線短路電流值變化不是很大。筆者經(jīng)過多種工況下兩種電壓等級(jí)的計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)有關(guān)廠家的斷路器進(jìn)行相關(guān)選擇比較分析知，所用斷路器系列級(jí)差基本提高一檔，功能參數(shù)也大多提高一檔。這樣變化的結(jié)果總體上導(dǎo)致配電板價(jià)格上升；而不提高電網(wǎng)電壓的情況下，有時(shí)某些電氣支路選用廠家器件較為困難現(xiàn)象，也就是出現(xiàn)大多數(shù)廠家不能提供合適產(chǎn)品的情形。但電流參數(shù)的提高則導(dǎo)致系統(tǒng)安全可靠性下降，配電板內(nèi)部器件安裝擁擠，基于安全的考慮外形尺寸需要加大，還要采取一些安全措施，這樣盤柜外形和重量勢必增加。經(jīng)過多次模擬分析結(jié)果表明，總的說來提高電網(wǎng)電壓是有利于現(xiàn)有廠家電氣件的選擇，盤柜尺寸，重量變化不是很嚴(yán)重。但是變壓器設(shè)備的重量，安裝尺寸，以及變壓器本身的冷卻處理等要求得到提高。

以上這些在文獻(xiàn)[1,4]都談到過。但據(jù)筆者對(duì)國內(nèi)一些企業(yè)的技術(shù)人員調(diào)查，結(jié)果并不理想：大多數(shù)人都知道短路電流計(jì)算結(jié)果主要供有關(guān)設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)和熱穩(wěn)性校核，但除了功能參數(shù)選擇外，因功能參數(shù)的變化導(dǎo)致前文所涉及電氣零部件本身的幾何、重量等內(nèi)容變化，盤柜內(nèi)部安裝電氣零部件的安全可靠性要求，以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性（不同廠家內(nèi)部電氣部件配置安裝設(shè)計(jì)的差異有時(shí)導(dǎo)致盤柜價(jià)格上較大的差異）等很少考慮甚至不考慮，單純認(rèn)為這是一個(gè)商務(wù)問題而缺乏綜合評(píng)估思想。筆者認(rèn)為這是錯(cuò)誤的，在市場經(jīng)濟(jì)條件下，節(jié)能越發(fā)重要情況下，“綠色”海洋工程的大環(huán)境下，筆者認(rèn)為技術(shù)人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)計(jì)算后的參數(shù)化結(jié)論所隱含的其它思想要有充分的認(rèn)識(shí)和洞察，并能綜合運(yùn)用。

3 潮流分析

通過對(duì)電網(wǎng)在不同條件下的潮流分析可以讓技術(shù)人員充分了解發(fā)電機(jī)組配置載荷是否滿足使用要求；不同條件下運(yùn)行的發(fā)電機(jī)機(jī)組是否過載；其它設(shè)備如變壓器，電纜等等主要技術(shù)參數(shù)是否合適；各配電板負(fù)載平衡情況；各主要設(shè)備功率損耗，電壓下降，系統(tǒng)不同回路有功無功分配情況等等。根據(jù)這些及時(shí)把握了解電網(wǎng)和設(shè)備的狀況，進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)工作和優(yōu)化設(shè)備分配及其參數(shù)確定等工作，潮流分析對(duì)從宏觀上把握整個(gè)平臺(tái)電網(wǎng)系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)性也具有很大的參考價(jià)值。

本自升式生活平臺(tái)電網(wǎng)潮流計(jì)算所采用模型為前述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的電網(wǎng)，大多數(shù)參數(shù)在進(jìn)行短路電流分析時(shí)已經(jīng)輸入；但部分參數(shù)，如電纜長度，截面積，根數(shù)等，需要手工初步計(jì)算確定；考慮到在初步設(shè)計(jì)階段，大量機(jī)械設(shè)備電機(jī)參數(shù)不明，如功率，根據(jù)規(guī)范原則我們采用等效處理。等效負(fù)載主要包括恒容量負(fù)荷和恒阻抗負(fù)荷，前者等效有關(guān)電機(jī)，后者等效有關(guān)電阻性負(fù)載。在初步設(shè)計(jì)階段，部分電阻性負(fù)載如加熱裝置不易精確確定，但功率份額即使到整個(gè)項(xiàng)目完成后所占也不是很大，故在初步設(shè)計(jì)階段不作過多的區(qū)分，兩種類型的等效負(fù)荷一律統(tǒng)一為一種等效負(fù)荷，但適當(dāng)調(diào)整負(fù)荷類型比例關(guān)系以達(dá)到區(qū)分兩種類型負(fù)載的目的。

參照常見的自升式鉆井平臺(tái)和一般近海岸船舶常見的工況，計(jì)算采用 “拖航”，“升降定位”，“對(duì)外服務(wù)”，“應(yīng)急”等幾種類型工況。不同工況設(shè)備的投入運(yùn)行只需要切換模型中的斷路器開關(guān)設(shè)備以及負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定（COLSE/OPEN）即可實(shí)現(xiàn)，非常便捷。

因?yàn)橥暾?jì)算報(bào)告內(nèi)容非常多，這里將部分結(jié)果以表格的形式“對(duì)比”給出，只給出拖航和起升工作狀態(tài)的情況。

表3中顏色填充部分表示結(jié)果不在許可范圍內(nèi)，出現(xiàn)低壓非嚴(yán)重計(jì)算報(bào)警狀態(tài)。出現(xiàn)這種情況的原因一般是負(fù)載有功、無功分配不當(dāng)，負(fù)載過多過大。為了避免這種狀況的，必須要對(duì)與該母線相連的設(shè)備參數(shù)重新核定設(shè)置和對(duì)負(fù)載調(diào)整，必要時(shí)要對(duì)同級(jí)母線進(jìn)行重新分段配載。當(dāng)該段母線的上級(jí)變壓器配置參數(shù)設(shè)置不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)類似結(jié)果情況時(shí)，需要調(diào)整變壓器主參數(shù)和分接頭。

表3

表4

表4給出了經(jīng)由電纜或變壓器各支路的部分（省略部分類似）潮流結(jié)果。據(jù)該表，可以看出系統(tǒng)中通過電纜連接的支路在設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)潮流分布正常；所選擇的電纜也是達(dá)到運(yùn)行要求的。（表中結(jié)果為0和結(jié)果為空表示在工況設(shè)備運(yùn)行情況時(shí)，該支路未接入設(shè)備和雖然接入設(shè)備但未投入實(shí)際運(yùn)行）。

經(jīng)過在幾種不同運(yùn)行工況條件下計(jì)算，結(jié)果顯示部分設(shè)備在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)負(fù)荷率超過100% ，即出現(xiàn)微過載情況。一般來說，主要原因在于系統(tǒng)模型本身，大量設(shè)備負(fù)荷采用了等效處理的辦法，等效統(tǒng)計(jì)結(jié)果本身存在誤差，潛在的等效處理設(shè)備的隨機(jī)性會(huì)帶來統(tǒng)計(jì)結(jié)果上的偏差——等效處理時(shí)同一母線或主干回路上的設(shè)備恒容量負(fù)荷和恒阻抗負(fù)荷的比例分配關(guān)系及其設(shè)備的功率因數(shù)值上存在問題；有時(shí)電纜選用不合適也會(huì)出現(xiàn)這種情況。鑒于這些，筆者多次有針對(duì)性的調(diào)整相關(guān)設(shè)備負(fù)載參數(shù)，調(diào)整變壓器分接頭；根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際調(diào)整電纜的長度，截面積；對(duì)母線或主干回路之間進(jìn)行調(diào)載等措施最終使問題得以解決。此外要說明的是，如果發(fā)電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重過載則可能需要調(diào)整發(fā)電機(jī)本身的技術(shù)參數(shù)，如額定功率，電壓等；筆者在整個(gè)項(xiàng)目的分析過程中也的確遇到過這種情況并最終得以解決。

通過本項(xiàng)目的潮流分析，在初步設(shè)計(jì)階段，筆者優(yōu)化和確定了發(fā)電機(jī)，變壓器，母線及主要電纜技術(shù)參數(shù)；也為發(fā)電機(jī)組的自控控制和全電網(wǎng)運(yùn)行提供了相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

4 利用計(jì)算軟件分析計(jì)算參數(shù)輸入注意事項(xiàng)

潮流和短路計(jì)算所需參數(shù)可以參見文獻(xiàn)[5]，或者通過ETAP軟件手冊，可以知道兩種不同目的的計(jì)算所需要的參數(shù)有很大一部分是都需要的，這些參數(shù)也是影響最終結(jié)果的因素。所以，類似前文所述，建模輸入?yún)?shù)盡量用設(shè)備制造商提供的或類似設(shè)計(jì)項(xiàng)目的設(shè)備數(shù)據(jù)為參考，無法獲取的則盡量用軟件本身所提供的典型值，這些典型值當(dāng)然也都是軟件開發(fā)商根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合理論所給出的；通過這些選擇，盡最大限度減少不合實(shí)際的影響因素，減少和避免計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)過大偏差甚至錯(cuò)誤，提高電網(wǎng)設(shè)計(jì)的科學(xué)化和合理化。

ETAP軟件提供的潮流計(jì)算方法是牛頓-拉夫遜法，快速解耦法，加速高斯-賽德爾法。算法本身都需要進(jìn)行迭代處理，進(jìn)行電網(wǎng)的潮流計(jì)算分析有時(shí)會(huì)遇上計(jì)算時(shí)間長而沒有計(jì)算結(jié)果的程序“假死”現(xiàn)象，一般主要是計(jì)算所選用的方法有問題和計(jì)算步長，迭代次數(shù)不夠所致；出現(xiàn)該情形時(shí)需要重新選擇算法和設(shè)置計(jì)算步長。當(dāng)節(jié)點(diǎn)類型不設(shè)置或設(shè)置不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致程序不能正常運(yùn)行。為此，設(shè)置“平衡節(jié)點(diǎn)”類型是必須的。據(jù)電網(wǎng)潮流分析理論，計(jì)算需要一個(gè)電源點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角已知，是其它節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算的參考點(diǎn)，待求的是該節(jié)點(diǎn)的有功和無功，即所謂平衡節(jié)點(diǎn)；此外就是所謂的PQ節(jié)點(diǎn)，PV節(jié)點(diǎn)。在這三個(gè)節(jié)點(diǎn)類型中，對(duì)自升式生活平臺(tái)這種微電網(wǎng)，在迭代運(yùn)算過程中存在PV到PQ的轉(zhuǎn)化，所以具體節(jié)點(diǎn)的PV、PQ類型不加更詳細(xì)的區(qū)分設(shè)置，對(duì)計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果影響不大，只設(shè)置平衡節(jié)點(diǎn)即可。

最后要指出的是，利用ETAP軟件進(jìn)行短路電流計(jì)算峰值用到抗阻比X/R計(jì)算方法的選擇問題。ETAP軟件提供了三種ABC三種方法，這三種不同方法存在差異，對(duì)于船舶類電網(wǎng)，我們一般選用第三種，即C法。關(guān)于三類法更詳細(xì)的理論分析有興趣者可以查閱IEC60909標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

運(yùn)用ETAP電力電氣分析軟件，對(duì)自升式生活平臺(tái)電網(wǎng)進(jìn)行短路電流、潮流以及其它計(jì)算分析完成了平臺(tái)電網(wǎng)基本規(guī)劃和主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)的確定，為進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

利用ETAP軟件進(jìn)行不同計(jì)算分析時(shí)要求輸入?yún)?shù)比較多，容易發(fā)生疏漏和錯(cuò)誤，并對(duì)最終計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響，也影響到對(duì)電網(wǎng)性能的判別，在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)必須注意，不能認(rèn)為利用軟件計(jì)算就可以一勞永逸；而微電網(wǎng)的計(jì)算分析要想達(dá)到較為客觀的結(jié)果需要工作人員對(duì)設(shè)備參數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備供電等方面需要做較多的工作，要熟悉目的并對(duì)結(jié)果所揭示的問題要進(jìn)行處理。

本文所涉及的平臺(tái)電網(wǎng)屬于孤島微網(wǎng)，文中內(nèi)容沒有考慮與其它電網(wǎng)并網(wǎng)擴(kuò)展聯(lián)合使用的情況，也沒有考慮帶推進(jìn)器運(yùn)行或者動(dòng)力定位的情形；反之，電網(wǎng)的分析還需要更多的工作去做。關(guān)于海洋電網(wǎng)組網(wǎng)擴(kuò)展問題，有興趣的讀者可以參看文獻(xiàn)[6]；帶推進(jìn)器或動(dòng)力定位系統(tǒng)的電網(wǎng)分析可以參考其它有關(guān)平臺(tái)或船電相關(guān)文獻(xiàn)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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Preliminary Design of Self-elevating Living Platform Based on ETAP Software

Zhang Shuzhong
（Department of Engineering and Design, Honghua Ocean Oil Equipment Co., Ltd, Shanghai 201206, China）

In this paper, the author describes knowledge on planning grid for self-elevating livingplatform by use of ETAP software. There are some discussions about the understanding of the results for analysis on the grid and some reflections on the economy and practicality of the grid design. In addition, it gives constructive suggestions about it for grid.

self-elevating living platform, preliminary design, ETAP software, short-circuit, flow analysis

TP273

A

1003-4862（2015）08-0017-05

2015-04-21

張書忠（1972-），男，工程師。研究方向：電氣及自動(dòng)化系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)研發(fā)。