劉 勇，李曉升，郭海平，謝靜遠，倪崇本

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913;2.海洋石油工程股份有限公司 安裝分公司，天津 300452；3.上海船舶工藝研究所，上海 200032；4.上海交通大學 a.海洋工程國家重點實驗室；b.船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引 言

海洋油氣平臺電氣設備眾多，電力網(wǎng)絡結構復雜，平臺交付前的設備調試工作非常重要。在調試期間，設備供電形式多樣，平臺的主發(fā)電機和備用發(fā)電機與岸電均可能作為電源使用，但設備的納期、狀態(tài)和容量等因素會限制其中一個或多個電源的接入。同時，平臺施工作業(yè)并未停止，電力網(wǎng)絡狀態(tài)仍在變化中，其中部分斷路器可能不可用或多個斷路器互斥無法同時接入。油氣平臺調試期間的配電方案設計是建造過程中的必要環(huán)節(jié)[1]。

以某海洋油氣平臺單日的設備調試工作為例，需要在調試工作開始前擬定計劃接入的調試設備，根據(jù)平臺狀態(tài)明確不可用的斷路器和電源，根據(jù)電源和斷路器容量平衡負載，給出合理可用的配電方案。長期以來，油氣平臺調試工作的配電方案高度依賴經(jīng)驗。通過對某型平臺調試階段的電力網(wǎng)絡結構深入研究，提出將電力網(wǎng)絡進行拓撲建模、運用尋路算法智能規(guī)劃合理配電方案的方法。

1 電力網(wǎng)絡拓撲建模

在海洋油氣平臺電力網(wǎng)絡中進行供電路徑規(guī)劃的先決條件是使用數(shù)學模型描述電力網(wǎng)絡的拓撲結構。圖結構是數(shù)據(jù)結構的一種，常用于描述網(wǎng)絡的拓撲結構。圖由節(jié)點和連接組成。海洋油氣平臺調試階段電力網(wǎng)絡單線圖如圖1所示，其中：WHP(Wellhead Platform)為井口平臺；WHPA為井口平臺A；VCB(Vacuum Circuit Breaker)為真空斷路器；ACB(Air-operated Circuit Breaker)為萬能式斷路器；Transformer為變壓器。

圖1 調試階段電力網(wǎng)絡單線圖示例

海洋油氣平臺調試階段的電力網(wǎng)絡可概括為由干路和3類分支線路(供電線路、負載線路和連接線路)共同組成的網(wǎng)絡。干路是整個網(wǎng)絡的主干，根據(jù)電壓可區(qū)分為高壓干路和低壓干路，不同電壓的干路之間無法直接連接。供電線路是由岸電或發(fā)電機開始、經(jīng)斷路器和變壓器等設備接入干路的分支線路。負載線路是由干路引出、經(jīng)變壓器和斷路器等設備連接至具體的用電設備或配電板的分支線路。連接線路是不同干路之間的連接通道，在連接不同電壓干路時連接線路需要配置變壓器。按干路和分支線路的模型將電力網(wǎng)絡分解，每條干路或分支線路的結構均可簡化為無分支的簡單路徑，經(jīng)抽象提取的電力網(wǎng)絡[2]如圖2所示。

圖2 電力網(wǎng)絡干路與分支路線

在電力網(wǎng)絡圖中，所有的設備均對應一個節(jié)點；所有分支路線在干路上的接入點需要對應一個節(jié)點；干路和分支路線上的所有連線均對應一條邊。圖的保存方式分為連接列表和連接矩陣，根據(jù)電力網(wǎng)絡的結構判斷，其對應的圖結構為弱連通形式，因此使用連接列表的方式節(jié)約存儲空間。

根據(jù)供電路徑規(guī)劃的需要，將電力網(wǎng)絡的節(jié)點分為4類：普通節(jié)點、電源節(jié)點、開關節(jié)點和負載節(jié)點。普通節(jié)點對應干路的接入點和變壓器，僅需要記錄連接關系，在單線圖中不屬于設備，直接按序進行編號。電源節(jié)點為岸電和發(fā)電機的抽象模型，由于岸電無功率限制，而發(fā)電機有最大功率，因此電源節(jié)點需要額外記錄功率、電壓和類型(岸電或發(fā)電機)的屬性。開關節(jié)點為斷路器的抽象模型，在每次調試工作前需要知曉斷路器的開合狀態(tài)，在設計配電方案時需要考慮斷路器的許用電流，由于部分斷路器之間存在互斥關系，即斷路器A和斷路器B無法同時合上，因此開關節(jié)點的額外屬性需要包括開合狀態(tài)和互斥列表。負載節(jié)點對應具體的用電設備或配電板，其額外屬性為功率。

各類節(jié)點建模的字段如表1所示。

表1 節(jié)點建模字段列表

在將所有設備與接入點抽象為節(jié)點后，僅需要逐條將干路和分支路線的連線兩側節(jié)點編號記下，納入圖的連接集合，即可完成電力網(wǎng)絡拓撲建模。電力網(wǎng)絡局部設備與接入點的抽象化建模結果如圖3所示，其中：IL為擎住電流(Latching Current)符號；RMS(Root Mean Square)為均方根；NC(Normal Close)為常閉觸點；NO(Normal Open)為常開觸點；MCCB(Moulded Case Circuit-Breaker)為模壓外殼斷路器。

圖3 電力網(wǎng)絡拓撲模型構建

2 基于尋路算法的配電方案規(guī)劃

在電力網(wǎng)絡圖中，一個配電方案由多個從電源節(jié)點出發(fā)、連接至負載節(jié)點的路徑組成。進行配電方案規(guī)劃的第一步是進行供電路徑搜索。搜索2個節(jié)點之間連通路徑的尋路算法分為寬度優(yōu)先搜索(Breadth First Search，BFS)、深度優(yōu)先搜索(Depth First Search，DFS)、A*和貪婪等。根據(jù)電路網(wǎng)絡的整體拓撲結構，選擇相對成熟簡便的BFS算法。

BFS是連通圖的一種遍歷算法，是很多重要的圖的算法原型，屬于盲目搜尋法，目的是系統(tǒng)地展開并檢查圖中的所有節(jié)點，以尋找結果。BFS并不考慮結果的可能位置，而是徹底搜索整張圖，直到找到結果為止。BFS的基本過程是從起點開始，一層一層由內向外遍歷所有節(jié)點；每次搜索指定點，并將其所有未訪問過的鄰近節(jié)點加入搜索隊列，循環(huán)搜索直到隊列為空。BFS算法描述如下：①將起始節(jié)點壓入搜索棧內；②搜索棧首節(jié)點彈出并標記為已訪問，遍歷該節(jié)點的全部未訪問鄰居節(jié)點；③將全部未訪問鄰居節(jié)點壓入搜索棧；④重復第2步，直至搜索棧清空。

由于斷路器的開合狀態(tài)影響電力網(wǎng)絡的連通性，進而影響圖模型的結構，因此在執(zhí)行BFS算法前需要檢驗所有的開關節(jié)點。對于互斥列表為空的開關節(jié)點，在算法中全部默認為合上，除非用戶指定為斷開；對于互斥列表內的開關節(jié)點，基于互斥關系進行窮舉，每種互斥配置均單獨生成一張新的圖結構進行搜索。電力網(wǎng)絡互斥節(jié)點如圖4所示，其中：1和2為互斥開關節(jié)點；A為電源節(jié)點；a和b分別為負載節(jié)點。按互斥關系產(chǎn)生僅有節(jié)點1和僅有節(jié)點2的2張派生圖進行搜索[3]。

圖4 電力網(wǎng)絡互斥節(jié)點示例

在處理互斥節(jié)點后，給定電源節(jié)點和負載節(jié)點即可進行供電尋路。單個供電路徑BFS結果如圖5所示：最終抵達名為MCCB01的配電板。

圖5 供電路徑BFS結果

每次BFS可穩(wěn)定返回2個節(jié)點之間的一條供電路徑，而一次調試工作存在多個可用電源和多個負載設備，需要進行多次供電路徑搜索，分別保存每個電源-設備的路徑，用于不同的配置方案。以3個電源節(jié)點(A、B和C)、2個負載節(jié)點(a和b)為例，在供電路徑窮舉后共有9種配置方案，如表2所示。

表2 3個電源節(jié)點、2個負載節(jié)點的供電路徑配置方案

窮舉的配置方案并非全部有效，其中一些會超過電源或斷路器承載上限，其余配置方案在物理上完全等效，需要進一步對配電方案進行校驗，保留實際有效的方案[4]。

3 配電方案校驗

配電方案校驗主要包含3項內容：電源容量檢驗、斷路器容量檢驗和重復方案剔除。

電源容量檢驗是計算每個電源的累積承載功率。單個電源負載功率為累加對應的負載設備功率值，將其與電源的功率上限值進行比較，超出功率上限的配置方案不可行，應當剔除。

斷路器容量檢驗是將斷路器的累積電流值置零，遍歷全部供電路徑，根據(jù)功率計算供電路徑經(jīng)過的斷路器電流值。將每個斷路器累加電流值與斷路器許用電流值進行比較，超出的方案為不可行，予以剔除。

在通過電源容量校驗和斷路器容量校驗的配置方案中，有些是在物理上等效的重復方案，將每個方案的電源和斷路器電流作為特征值進行檢驗，特征值完全一致的視為相同方案予以合并[5]。

4 配電軟件開發(fā)

在上述工作的基礎上，基于VS2019 C#進行海洋油氣平臺調試配電軟件的開發(fā)工作。軟件實現(xiàn)的主要功能：以Excel表格形式讀取電力網(wǎng)絡拓撲結構并建立對應圖模型；根據(jù)用戶選擇配置ACB、MCCB和VCB狀態(tài)；根據(jù)用戶選擇電源和負載列表進行配電方案的規(guī)劃與檢驗，并保存輸出至Excel表格文件[6]。海洋油氣平臺調試配電軟件界面如圖6所示。

圖6 海洋油氣平臺調試配電軟件界面

5 結 語

在海洋油氣平臺的調試過程中涉及頻繁的配電方案規(guī)劃工作。配電方案的核心邏輯是根據(jù)每次調試的電力網(wǎng)絡連通狀態(tài)，尋找合理供電路徑。基于圖結構進行海洋油氣平臺電力網(wǎng)絡拓撲結構建模，基于尋路算法設計配電方案的規(guī)劃方法，并開發(fā)配電方案規(guī)劃軟件，為海洋油氣平臺調試工作提供支持。