黃小衛(wèi) 汪焰 吳青帥 韓坤 王尤河

摘要：海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中林詩(shī)島站和福山站油泵站的油流控制功能模塊由海纜計(jì)算模塊、泵計(jì)算模塊、泵運(yùn)行模塊組成，通過(guò)對(duì)海底電纜內(nèi)絕緣油的壓力、流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)算，可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)海底電纜內(nèi)的絕緣油壓力和流量，同時(shí)通過(guò)泵運(yùn)行模塊可以優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)絕緣油泵的運(yùn)行;當(dāng)海底電纜遭到破壞時(shí)，油流功能模塊可以判斷到海底電纜運(yùn)行出現(xiàn)異常，同時(shí)在異常情況下，加大絕緣油流量，確保海水不能進(jìn)入海底電纜。

關(guān)鍵詞：海底電纜;油流控制模塊;緊急油流模式

0 引言

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[1]的林詩(shī)島站和福山站之間采用海底電纜進(jìn)行輸電，海底電纜鋪設(shè)在海底，最深處距海平面100 m。海底電纜造價(jià)昂貴，維修困難，為避免來(lái)往船只拋錨損傷海底電纜，同時(shí)確保海底電纜的輸電效果，需要通過(guò)對(duì)海底電纜內(nèi)部輸入絕緣油進(jìn)行保護(hù)。

林詩(shī)島站和福山站分別配置了一座絕緣油泵站，每個(gè)絕緣油泵站包含6臺(tái)絕緣油泵（提供動(dòng)力將絕緣油打入海底電纜內(nèi)部）、1臺(tái)絕緣油罐（用于儲(chǔ)存絕緣油）、6臺(tái)液壓油泵（配套為絕緣油泵提供動(dòng)力）、液壓油罐（儲(chǔ)存液壓油）、1套真空系統(tǒng)（保持絕緣油罐內(nèi)真空度）、液壓油冷卻凈化系統(tǒng)（保持液壓油運(yùn)行過(guò)程中溫度穩(wěn)定）。在林詩(shī)島站和南嶺站之間，絕緣油經(jīng)過(guò)海底電纜來(lái)回流動(dòng)，通過(guò)改變系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)來(lái)改變絕緣油的流動(dòng)方向，如此往復(fù)進(jìn)行，保證輸油電纜的正常工作。

海底電纜成本高昂，維修難度非常高，在保證海底電纜正常工作的前提下，需要對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，遇到海底電纜被拋錨割破等突發(fā)情況時(shí)，控制系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)節(jié)絕緣油流量和壓力，保證海水不會(huì)進(jìn)入海底電纜內(nèi)部，對(duì)海底電纜內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)。

林詩(shī)島站和南嶺站內(nèi)均設(shè)有一套控制系統(tǒng)，用于監(jiān)控海底電纜內(nèi)部絕緣油壓力和流量，若出現(xiàn)運(yùn)行不正常情況會(huì)自動(dòng)報(bào)警，出現(xiàn)海底電纜由于漁船拋錨而割損情況時(shí)，會(huì)啟動(dòng)緊急模式，加大絕緣油量，對(duì)海底電纜進(jìn)行保護(hù)。

該控制系統(tǒng)包含真空模塊、油流控制功能模塊、冷卻系統(tǒng)模塊等，其中油流控制模塊是控制系統(tǒng)的最主要模塊，其功能是檢測(cè)并控制海底電纜內(nèi)絕緣油的流動(dòng)情況，確保海底電纜的正常運(yùn)行。

1 功能塊介紹

整個(gè)功能塊采用模塊化[2]設(shè)計(jì)原理，油流控制功能由海纜計(jì)算模塊、泵計(jì)算模塊、泵運(yùn)行模塊3個(gè)子程序組成。

（1）海纜計(jì)算模塊的主要功能是通過(guò)檢測(cè)到的海底電纜內(nèi)絕緣油的壓力和流量，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷海底電纜當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算模塊將監(jiān)測(cè)到的壓力和流量與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)是否正常，根據(jù)判斷結(jié)果確定油流功能模塊的運(yùn)行模式，若運(yùn)行狀態(tài)正常，油流功能模塊處于正常油流模式;若海底電纜運(yùn)行狀態(tài)異常，則油流功能模塊處于緊急油流模式。

（2）泵計(jì)算模塊是根據(jù)海底電纜中絕緣油壓力信號(hào)來(lái)計(jì)算開(kāi)啟絕緣油泵的臺(tái)數(shù)，正常油流模式情況下，當(dāng)監(jiān)測(cè)壓力大于油泵站出口壓力設(shè)定值（南嶺站為430 kPa且林詩(shī)島站為300 kPa或南嶺站400 kPa且林詩(shī)島站為530 kPa）時(shí)，開(kāi)啟2臺(tái)絕緣油泵;當(dāng)檢測(cè)到壓力低于設(shè)定值時(shí)，模塊會(huì)判斷開(kāi)啟3臺(tái)絕緣油泵;當(dāng)壓力繼續(xù)減少，開(kāi)啟的絕緣油泵會(huì)繼續(xù)增加，最多可同時(shí)開(kāi)啟6臺(tái)絕緣油泵;在緊急油流模式下，6臺(tái)絕緣泵全部打開(kāi)。

（3）泵運(yùn)行模塊可以監(jiān)測(cè)絕緣油泵的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)分3種：正在運(yùn)行、停止運(yùn)行、故障狀態(tài)，泵的運(yùn)行模塊會(huì)記錄各臺(tái)絕緣油泵的歷史運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)泵運(yùn)行的數(shù)量和各個(gè)泵的運(yùn)行時(shí)間、是否處于故障狀態(tài)等因素，最終判斷啟動(dòng)幾號(hào)絕緣油泵。絕緣油泵運(yùn)行的優(yōu)化處理，可避免出現(xiàn)某臺(tái)絕緣油泵閑置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或某臺(tái)絕緣油泵運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

2 功能塊的控制過(guò)程及原理

2.1 ? ?控制過(guò)程

油流模塊海纜控制流程如圖1所示，程序啟動(dòng)并初始化以后進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置階段，需人工設(shè)置的參數(shù)為油泵站的海底電纜出口處的絕緣油壓力，由于林詩(shī)島站和南嶺站兩地的海平面高度存在差別，當(dāng)南嶺站出口壓力設(shè)定值在430 kPa，林詩(shī)島站出口壓力設(shè)定值在400 kPa時(shí)，海底電纜內(nèi)絕緣油從林詩(shī)島站流向南嶺站。當(dāng)南嶺站出口壓力設(shè)定值在530 kPa，林詩(shī)島站出口壓力設(shè)定值在300 kPa時(shí)，油流方向從南嶺流向林詩(shī)島。根據(jù)絕緣油泵的能力，絕緣油流量值在0～13.4 L/Min。

監(jiān)測(cè)到的海底電纜的絕緣油壓力傳輸?shù)接土骺刂颇K時(shí)，程序首先對(duì)該壓力值進(jìn)行判斷，判斷該值是否錯(cuò)誤，若傳輸信號(hào)為4～20 mA，則信號(hào)正常，考慮到線阻損耗導(dǎo)致的信號(hào)衰減以及信號(hào)干擾產(chǎn)生的偏差，會(huì)適當(dāng)將監(jiān)測(cè)范圍上限及下限擴(kuò)大5%，當(dāng)超出該上下限值時(shí)，就判斷該監(jiān)測(cè)值錯(cuò)誤，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警;若判斷該監(jiān)測(cè)值正常，則進(jìn)行運(yùn)行模式判斷。

系統(tǒng)運(yùn)行模式分為兩種：正常油流模式和緊急油流模式。其判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)南嶺站監(jiān)測(cè)到的海底電纜絕緣油出口壓力值低于430 kPa（林詩(shī)島站該數(shù)值為300 kPa），并且流量高于10 L/Min，這時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。若在報(bào)警開(kāi)始30 s內(nèi)絕緣油出口壓力和流量恢復(fù)正常，系統(tǒng)取消報(bào)警，并恢復(fù)正常油流模式;若報(bào)警持續(xù)30 s后絕緣油出口壓力和流量情況持續(xù)異常，未恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)繼續(xù)報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)判斷此時(shí)海底電纜處于緊急油流模式。

正常油流模式下，系統(tǒng)監(jiān)控海底電纜內(nèi)部絕緣油的壓力和流量，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，比較計(jì)算后通過(guò)調(diào)節(jié)輸油閥門和絕緣油泵的啟停，來(lái)調(diào)節(jié)海底電纜內(nèi)的油壓和流量。

緊急油流模式下，油流控制功能模塊第一時(shí)間全開(kāi)輸油閥門且打開(kāi)6臺(tái)絕緣油泵，將輸油量調(diào)至最大，確保海水不會(huì)進(jìn)入海底電纜內(nèi)部，然后逐漸減小流量，最后保持穩(wěn)定，在穩(wěn)定的壓力和流量條件下，使絕緣油從海底電纜內(nèi)部流向海水，同時(shí)，油流流量最小，降低對(duì)海域的環(huán)境污染，同時(shí)減小經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 ? ?正常模式和緊急模式的計(jì)算方法

2.2.1 ? ?正常油流模式

正常油流模式通過(guò)比較設(shè)定值和實(shí)測(cè)值的差，輸出開(kāi)啟的泵的臺(tái)數(shù)，關(guān)系如下：

y=23（x≤0）6（x≤0，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到30 s以上）

式中，y為開(kāi)啟的泵的臺(tái)數(shù);x為實(shí)測(cè)值與壓力設(shè)定值的差。

在正常情況下，有2臺(tái)絕緣油泵持續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)絕緣油運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化配置，每個(gè)絕緣油泵輪流運(yùn)行，保證在任何時(shí)候都有2臺(tái)絕緣油泵運(yùn)行且每臺(tái)泵的運(yùn)行時(shí)間基本相同;當(dāng)實(shí)測(cè)值一旦小于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)3臺(tái)絕緣油泵，當(dāng)壓力恢復(fù)正常后，系統(tǒng)啟動(dòng)2臺(tái)絕緣油泵;當(dāng)壓力實(shí)測(cè)值小于設(shè)定值，且持續(xù)30 s未能恢復(fù)正常，系統(tǒng)開(kāi)啟6臺(tái)絕緣油泵。

泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)信號(hào)將輸出到泵控制模塊，泵控制模塊根據(jù)各絕緣油泵的狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化配置，決定開(kāi)啟6臺(tái)絕緣油泵中的哪幾臺(tái)，將啟動(dòng)信號(hào)傳輸至相應(yīng)的絕緣油泵。絕緣油泵控制的優(yōu)化過(guò)程分為兩部分：首先判斷泵是否處于故障狀態(tài)，如果泵處于故障狀態(tài)，則將該絕緣油泵排出;然后根據(jù)每臺(tái)泵的運(yùn)行時(shí)間，優(yōu)先啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間短的絕緣油泵，從而最大限度保證各個(gè)絕緣油泵運(yùn)行平衡。

2.2.2 ? ?緊急油流模式

緊急油流模式是海底電纜遭到破壞時(shí)，海水與絕緣油連通，若海水進(jìn)入海底電纜內(nèi)部，接觸到輸電元件，則會(huì)造成電力損耗，同時(shí)會(huì)造成海底電纜內(nèi)部損壞，此時(shí)需要保證海水不能進(jìn)入海底電纜內(nèi)部，當(dāng)系統(tǒng)判斷為緊急油流模式的情況下，系統(tǒng)將絕緣油泵全部打開(kāi)，通過(guò)輸油閥門調(diào)節(jié)絕緣油流量，調(diào)節(jié)規(guī)律按照下式計(jì)算：

緊急油流模式最開(kāi)始階段流量達(dá)到最大為13.43 L/Min，隨著時(shí)間慢慢減少，經(jīng)過(guò)1 h后，流量降為8.88 L/Min，5 h后，流量降為1.76 L/Min，最后流量將降至0.1 L/Min。

緊急油流模式一旦啟動(dòng)，除非手動(dòng)解除，否則將一直按照上式進(jìn)行海底電纜絕緣油流量的調(diào)節(jié)。如此調(diào)節(jié)的主要目的有兩個(gè)：（1）確保海水不能進(jìn)入海底電纜內(nèi)部，以免電纜內(nèi)部損壞;（2）避免大量絕緣油流入海水而污染環(huán)境，同時(shí)避免造成過(guò)大的經(jīng)濟(jì)損失。為了滿足上述兩點(diǎn)要求，需要保證海纜中壓力比海水大，保證絕緣油外流，同時(shí)其流量最小。

3 功能塊的測(cè)試分析

使用信號(hào)發(fā)生器和脈沖發(fā)生器來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)壓力和流量，以測(cè)試功能塊的運(yùn)行情況[3]。首先準(zhǔn)備3個(gè)模擬量輸出信號(hào)和3個(gè)高速脈沖信號(hào)，分別模擬3根海纜中的壓力和流量信號(hào)，壓力量程為0～2 000 kPa，對(duì)應(yīng)4～20 mA電流信號(hào)。當(dāng)模擬量輸出為12 mA時(shí)，此時(shí)壓力顯示為1 000 kPa。流量信號(hào)為高速脈沖速率，即在周期時(shí)間內(nèi)通過(guò)的脈沖數(shù)的速率，計(jì)算公式為：

式中，S為流量;R為高速脈沖速率。

改變信號(hào)大小，可以觀察到控制系統(tǒng)的反饋正常，可以正常行使其控制功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的海底電纜油泵站的油流控制模塊，既可以滿足正常情況下對(duì)海底電纜內(nèi)絕緣油流量計(jì)壓力的自動(dòng)控制，又可以在海底電纜破損的緊急情況下，加大油量對(duì)海底電纜進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，各功能塊響應(yīng)時(shí)間短，可快速進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，滿足海底電纜運(yùn)行需求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 吳慶華，陳建康，鄭偉，等.中國(guó)首條500 kV海底電纜線路工程的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電業(yè)（技術(shù)版），2014（10）：46-54.

[2] 高強(qiáng)，常勇，李航，等.加壓泵站自動(dòng)化系統(tǒng)程序的模塊化設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2014，35（9）：24-26.

[3] 趙偉，張劍輝.一種測(cè)試PLC邏輯功能的方法[J].儀器儀表用戶，2017，24（4）：70-73.

收稿日期：2020-04-27

作者簡(jiǎn)介：黃小衛(wèi)（1985—），男，湖北黃岡人，高級(jí)工程師，主要從事海底電纜運(yùn)行維護(hù)工作。