0 引　言

在当今全球能源需求持续增长的大背景下，海洋油气资源的开发愈发重要。钻井平台作为海洋油气开采的关键设施，其稳定运行直接关乎能源供应的效率与安全。然而，钻井平台所处的海洋环境极端复杂，面临着风浪、潮汐、盐雾侵蚀以及电磁干扰等诸多挑战。传统的独立发电系统难以满足钻井平台日益增长的电力需求，且存在发电稳定性差、能耗高、维护成本大等问题。为了提升电力供应的可靠性与稳定性，保障钻井平台的高效作业，研究钻井平台电网并网技术迫在眉睫，其中自动控制系统更是核心所在^[1]。

对钻井平台电网并网自动控制系统展开研究，具有极为重要的意义。从实际作业层面看，能确保平台与外部电网稳定连接，避免因供电不稳定导致的作业中断，大幅提升生产效率，减少经济损失。同时，通过实时监测与智能调控，有效预防电气故障，保障人员与设备安全。从行业发展角度而言，该研究推动了电力电子、自动控制等多领域技术在海洋工程中的融合创新，引领海洋工程装备向智能化迈进，为海洋油气资源的深度开发奠定坚实技术基础，助力能源行业可持续发展^{[2 − 3]}。

在海上钻井平台作业中，电力供应的稳定性与可靠性对保障高效、安全的开采作业至关重要。海上钻井平台电力系统并网控制系统在整个作业体系里扮演着极为关键的角色。

从电力系统专业范畴分析，该控制系统需精准调控，实现电力在平台各类复杂设备间的合理分配。要稳定电压和频率，防止出现过流、过载等故障情况，保证每台用电设备都能在额定工况下稳定运行。从海上钻井平台整体系统视角来看，其电力系统构成复杂，各子系统紧密耦合，电站作为基础能源供应的核心单元，其运行稳定性对全局影响巨大。一旦电站发生故障，钻井、通信、安全监测等众多重要系统都会受到波及，不仅会使钻井作业停滞，造成巨大经济损失，还可能引发严重的安全事故，危及平台工作人员生命安全。所以，保障电站稳定运行是海上钻井平台正常作业的根本前提。

海上钻井平台电力系统并网控制系统需要攻克2个核心难题。其一为不同发电机组的精准同步技术。要求待并网的发电机组与外部电网在电压、频率以及相位上实现精确同步，这一点直接决定了并网瞬间产生的冲击电流大小以及后续系统运行的稳定性^[4]。其二为负载均衡技术。海上钻井平台的电力负载具有多样化和动态变化的特性，若负载分配不合理，会致使单台发电机长期处于过载状态，加速发电机老化甚至引发故障，极大地提高了整个电站系统的故障率。同时，不合理的负载分配会使发电机偏离高效运行区间，造成能量损耗增加、发电效率降低、燃油消耗上升等一系列问题。而科学合理的负载均衡技术能够确保各发电机在高效区间工作，提升发电效率，降低运行成本，维持系统稳定运行，满足海上钻井平台在不同作业工况下的多样化用电需求。本文聚焦于以嵌入式处理为控制核心，深入探究海上钻井平台电力系统并网控制系统中的关键技术，旨在显著提升该系统的稳定性与可靠性，为海上钻井平台的高效、安全作业提供坚实保障。

1 海上钻井平台并网自动控制系统设计 1.1 结构设计

海上钻井平台并网自动控制系统对于保障平台电力供应的稳定性和可靠性起着关键作用，其结构包括数据采集模块、同步检测单元、核心控制、通信接口以及执行机构驱动模块，具体如图1所示。

1）数据采集模块

该模块包含各类传感器，用于实时采集待并机组和电网的关键电气参数，如电压、频率、相位、电流等。采用LV25-P电压传感器和LAH25-NP电流传感器，精确采集待并机组和电网的电压、电流等电气参数，为后续控制提供基础数据。通过AD620仪表放大器对传感器输出信号进行放大，提升信号强度；接着利用二阶巴特沃斯低通滤波器去除高频噪声干扰，保证信号质量；最后由ADS8556（16位同步采样ADC，6通道）将模拟信号转换为数字信号，便于后续处理。

2）同步检测单元

专用同步检查继电器：使用SEL-700G专用同步检查继电器，精准检测待并机组与电网的同步状态，为并网操作提供同步依据。

3）核心控制

采用STM32H743ZIT6，是双核Cortex-M7架构，主频480 MHz，配备2 MB Flash和1 MB RAM，运算和存储能力强，负责接收处理数据采集模块传输来的数据，进行逻辑判断和控制算法运算，生成控制指令。

4）通信接口

具备2×CAN-FD、2×以太网MAC（DP83848 PHY）通信接口，可实现系统内部各模块间的数据传输，以及与其他系统的通信交互，便于系统集成与协同控制。

5）执行机构驱动模块

并网断路器控制选用ABB Emax2系列智能断路器作为并网控制开关，通过光耦隔离（HCPL-316J）和缓冲电路（RC吸收）进行驱动隔离，确保控制信号可靠传输，实现对并网断路器的精确控制，保障并网操作安全。执行机构驱动采用数字PID输出，结合AD5761R（16位DAC）将数字控制信号转换为模拟信号，驱动MOOGG761-3005电液伺服阀等执行机构；同时，利用由IR2110和IGBT模块构成的H桥驱动电路，为执行机构提供足够驱动功率，实现对发电机组相关参数的精确调节，以满足并网要求。

1.2 控制流程设计

海上钻井平台并网自动控制系统的设计旨在确保电力供应的稳定、可靠与高效。通过对负载的实时监测，依据负载状况智能决策是否启动备用机组，以保障电力供给满足需求。同时借助精准的同步检测技术，对电压、频率、相位等关键参数进行采集与分析，经合闸计算判断并网条件是否满足，实现安全、准确的合闸操作。此外，系统还设置了智能学习与预测模块，在并网后可以根据系统的情况及时调整频率和功率分配，维持电力系统的稳定运行，从而为海上钻井平台的各类设备提供优质的电力支持，满足各类复杂工况下的用电要求。设计的海上钻井平台并网控制流程如图2所示，海上钻井平台并网自动控制系统的控制流程可分为前期准备与数据采集处理阶段，以及并网执行与后续优化阶段。

在前期准备与数据采集处理阶段，操作人员启动并网程序，系统随即初始化负载检测模块并实时监测负载情况，判断是否需要启动备用机组。同时，系统请求同步检测模块采集相关参数，并将这些参数传输至智能学习与预测模块。该模块对数据进行存储、处理，利用机器学习算法引擎训练预测模型，经过模型反馈与优化后，给出调整建议。进入并网执行与后续优化阶段，系统结合智能模块的建议进行合闸计算，若满足合闸条件便控制执行机构合闸，完成合闸操作。接着启动调频调载模块，对频率和功率分配进行调整。并网后，系统将运行数据反馈给智能学习与预测模块，模块利用新数据进一步优化模型，并执行持续优化策略。最后，系统通知操作人员并网流程完成。

2 关键技术 2.1 精确同步技术

海上钻井平台并网自动控制系统中需要解决的核心问题是：要实现待并发电机与电网的准确并网，需要保证两者在电压、频率和相位上达到同步^{[5 − 6]}。其中，相位差δ和频差△f是2个关键参数。相位差δ为待并发电机与电网之间的相位差值，反映了两者电压变化的时间先后关系。频差△f是待并发电机与电网的频率差值，即：

$ \Delta f=f_g-f_m 。$

(1)

式中：f_g为电网频率；f_m为待并发电机频率。

为了确保在合闸瞬间待并发电机与电网的电压、频率和相位同步，需要提前发出合闸指令。合闸时间的计算要考虑相位差和频差的动态变化。设电网电压为 $ {u_g} = {U_g}\sin ({\omega _g}t + {\varphi _g}) $，待并发电机电压为 $ {u_m} = {U_m}\sin ({\omega _m}t + {\varphi _m}) $，φ_g和φ_m分别为电网和待并发电机电压的相位，则相位差：

$ \delta=(\omega_gt+\varphi_g)-(\omega_mt+\varphi_m)=(\omega_g-\omega_m)t+(\varphi_g-\varphi_m) 。$

(2)

由于$ \omega = 2{\text{π}} f $，结合式（1）可得：

$ \omega_g-\omega_m=2{\text{π}}\Delta f ，$

(3)

$ \delta=2{\text{π}}\Delta ft+(\varphi_g-\varphi_m) 。$

(4)

在理想情况下，合闸瞬间要求相位差δ= 0。假设从发出合闸指令到实际合闸存在固定的动作时间t_op，需要在相位差达到某个特定值时发出合闸指令。设合闸指令发出时刻为t₁，合闸时刻为t₂，则

$ 2{\text{π}}\Delta ft_2+(\varphi_g-\varphi_m)=0 。$

(5)

将$ {t_2} = {t_1} + {t_{op}} $代入可得：

$ 2{\text{π}} \Delta f({t_1} + {t_{op}}) + ({\varphi _g} - {\varphi _m}) = 0 ,$

(6)

$ 2{\text{π}}\Delta ft_1+2{\text{π}}\Delta ft_{op}+(\varphi_g-\varphi_m)=0 ,$

(7)

$ t_1=-\frac{(\varphi_g-\varphi_m)+2{\text{π}}\Delta ft_{op}}{2{\text{π}}\Delta f} 。$

(8)

t₁即为根据当前的相位差和频差计算得到的合闸指令发出时刻，保证了在经过动作时间t_op后，待并发电机与电网的相位差为0，实现同步合闸。

为了提升海上钻井平台并网的准确性和同步性，采用超前角优化算法，其具体思路为：无论频差和相位差如何变化，合闸指令总是提前于固定的时间t_lead发出。这个固定时间是根据系统的动作时间和经验值确定的。考虑到断路器的合闸动作时间以及系统的响应时间，确定合适的t_lead值。设当前时刻为t，则合闸指令发出时刻为$ {t_{\mathrm{{send}}}} = t - {t_{\mathrm{{lead}}}} $。在这个时刻发出合闸指令，经过t_lead时间后断路器合闸，以期望实现同步。

在自动控制系统中，通过数字-模拟电路来实现超前角优化算法。数字部分主要通过系统中的数据采集模块来完成相位差和频差的检测与计算，模拟部分则根据计算结果生成中断信号。利用传感器采集待并发电机和电网的电压信号，经过A/D转换后输入到数字处理器中。数字处理器根据采样得到的电压数据计算相位差和频差。嵌入式处理器ARM将计算得到的合闸指令提前量（超前时间或超前相角）转换为模拟信号，输入到模拟电路中。模拟电路根据这个信号生成中断信号，触发合闸指令。通过这种方式，可以动态调整合闸指令的触发时机，减少同步误差。因为在并网过程中，频差和相位差动态变化，采用超前角优化算法能够实时适应这些变化，提高并网的准确性和可靠性。

对海上钻井平台并网的精确同步技术进行仿真，设定电网电压与2台待并发电机的电压幅值均为AC380 V，频率均为60 Hz。其中，发电机1与发电机2初始存在60°的相位差。在仿真时间轴上，于10 s时刻执行合闸操作。整个仿真过程对合闸前后的电压波形进行监测与记录，以分析并网时的同步情况，仿真结果如图3所示。

在合闸时刻（10 s）之前，电网电压、发电机1电压和发电机2电压的波形由于相位差的存在，呈现出明显的不同步状态，各波形的波峰、波谷等关键特征点在时间轴上相互错位。进入同步区域（合闸时刻附近），可以看到尽管存在初始相位差，但通过相关同步技术的作用，在合闸时刻附近各波形逐渐趋向重合，表明在合闸瞬间各电压在相位上实现了较好的同步，验证了同步技术在减小相位差、实现精确并网方面的有效性，能够满足海上钻井平台并网时对电压同步性的要求。

2.2 负载均衡技术

海上钻井平台并网自动控制系统实现负载均衡可以有效避免单台发电机因长期过载而加速老化或发生故障，降低整个电站系统的故障率，同时合理分配负载能使各发电机在高效区间运行，减少能量损耗。不同类型的发电机有其最佳工作功率范围，当负载均衡时，发电机可工作在接近额定功率的状态，提高发电效率，降低燃油消耗等运行成本。

本文提出的海上钻井平台并网自动控制系统采用混合功率分配策略，根据实时监测到的系统运行参数和工况条件，智能切换或协同运用下垂控制和分布式一致性控制，能够充分发挥二者的优势，有效提升了海上钻井平台并网自动控制系统的整体性能和适应性。

1）下垂控制。根据发电机的输出功率-频率特性和输出功率-电压特性曲线，让各发电机按照一定的下垂系数调整输出。当负载变化时，各发电机根据自身的下垂特性自动调整输出功率，使负载在各发电机之间按一定比例分配。这种方法不需要各发电机之间进行复杂的通信，具有较好的分布式控制特性和一定的负载均衡能力。

图4为下垂控制功率分配效果，在下垂控制下，发电机1和发电机2的功率分配误差呈现出频繁且较为剧烈的波动状态，误差值在0～0.3 kW的范围内不断起伏。表明下垂控制虽然能够基于发电机自身的下垂特性，在负载变化时自动对输出功率进行调整，以实现负载按一定比例分配，但该控制方法对负载变化的响应不够精确和稳定。在面对负载波动时，其无法将功率分配误差维持在一个极小的范围内，而是存在一定程度的偏差波动。

2）分布式一致性控制。各发电机通过通信网络与相邻发电机交换信息，如输出功率、频率等，根据这些信息和一致性算法调整自身的控制参数，实现负载在各发电机之间的均衡分配。这种方法不需要中央控制器，具有较强的鲁棒性和扩展性，适用于复杂的海上钻井平台系统。

图5为分布式一致性控制功率分配效果，在10 s和30 s左右，误差出现了明显的突变，误差值瞬间增大到接近0.5 kW，这是由于模拟的负载变化触发了系统较为剧烈的调整过程，但在其他时间段内，误差相对稳定地维持在较低水平，显示出该控制方法在正常运行状态下，能够通过发电机之间的信息交互和一致性算法的调整，较好地协调各发电机的功率分配，有效降低功率分配误差，使实际功率分配与理论期望功率更为接近，体现出其在维持功率分配稳定性和精确性方面的优势。

3 结　语

海上钻井平台并网自动控制系统对于保障平台电力供应的稳定性、可靠性以及高效性具有关键意义，本文主要结论如下：

1）精确同步技术在海上钻井平台并网过程中展现出良好的性能。仿真结果表明，尽管待并发电机初始存在相位差，但在合闸时刻附近，各电压波形能够逐渐趋向重合，实现了较好的相位同步，充分验证了同步技术在减小相位差、实现精确并网方面的有效性，满足了海上钻井平台并网时对电压同步性的严格要求。

2）采用的混合功率分配策略，即下垂控制和分布式一致性控制协同运用，能有效提升系统整体性能。下垂控制具备较好的分布式控制特性，可基于发电机自身特性在负载变化时自动调整输出功率，但对负载变化的响应精确性和稳定性欠佳；分布式一致性控制虽然在某些特殊时刻因负载变化调整会出现误差突变，但在正常运行状态下，能通过发电机间信息交互和算法调整，有效降低功率分配误差，维持功率分配的稳定性和精确性。二者相互配合，可满足海上钻井平台在各种复杂场景下对电力供应的严苛要求。