一种具备绝缘监测功能的水下控制系统的电力单元的制作方法

1.本发明涉及一种海洋石油工程领域，特别是关于一种具备绝缘监测功能的水下控制系统的电力单元。


背景技术：

2.随着海洋石油开发逐步走向深海，水下生产系统及相关设备的研发已成为海洋石油开发装备研究的热点领域。水下控制系统电力单元是水下控制系统的供电设备，具有以下功能：监测水下控制系统的输入和输出电能参数、监测水下控制系统的绝缘电阻、自动保护和电力载波通信功能。
3.水下控制系统电力单元和水下控制系统的供电脐带缆工作环境较为恶劣。电力单元需要具有较高的工作可靠性易于维护的特点，并要求具备对脐带缆绝缘电阻的监控功能。目前，国内外公司的水下控制系统电力单元大多基于非冗余的系统，或只有其中部分设备采用冗余设计，可靠性较低。且其内部设备没有采用模块化设计，当电力单元中某个设备发生故障时，需要将系统停止工作来对故障设备进行更换，造成巨大经济损失甚至引发危险事故，因此其维护性较差。
4.此外，目前的水下控制系统电力单元不具备电力载波通信功能，导致水下控制系统通信依赖单独的水下通信设备，提高了成本。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种具备绝缘监测功能的水下控制系统的电力单元，其具备冗余且模块化的供电线路，同时还具备绝缘监测和保护功能。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具备绝缘监测功能的水下控制系统的电力单元，其包括冗余的内部供电模块、冗余的输入监测模块、冗余的变压输出模块和冗余的plc控制系统；各个模块的设置数量都相同，且每个所述内部供电模块、输入监测模块和变压输出模块构成一路独立的输入输出供电线路；每个所述内部供电模块用于将输入供电电压传输至相应所述输入输出供电线路中的所述输入监测模块，由所述输入监测模块进行监测处理后将输入供电电压传输至该线路中的所述变压输出模块，经所述变压输出模块对输入电压升压后作为输出供电电压；每个所述变压输出模块都分别与一个所述plc控制系统连接，各个所述变压输出模块用于接收所有所述输入监测模块传输至的信息，并将该信息传输至该变压输出模块所对应的所述plc控制系统，经所述plc控制系统处理后传输至现有水下控制系统主控站，从而监控电力单元状态。
7.进一步，所述内部供电模块用于为所述水下控制系统机柜内的风扇、照明灯以及所述plc控制系统供电。
8.进一步，所述输入监测模块包括具备电压保护和漏电保护功能的第一断路器、漏电保护器、供电支路、第一电能监测仪表、第一电路监测继电器和第二电路监测继电器；所述内部供电模块的输出端经所述第一断路器与所述漏电保护器的一端串联，所述漏电保护
器的另一端并联设置有三个供电支路，并在所述漏电保护器的另一端与并联的三个供电支路之间的线路上并联设置有所述第一电能监测仪表和第一电路监测继电器；其中一个所述供电支路与所述变压输出模块连接，其余两个所述供电支路的输出端作为供电接口。
9.进一步，每个所述供电支路都包括第二隔离开关、第二熔断器和第二电路监测继电器；所述第二隔离开关的一端与所述漏电保护器的另一端连接，所述第二隔离开关的另一端与所述第二熔断器串联，并在串联后的线路上并联设置有所述第二电路监测继电器；所述第一电能监测仪表用于监控输入监测模块内部电压、电流和/或频率，所述第一、第二电路监测继电器用于监控输入监测模块输出到变压输出模块的电路通断，并将通断状态通过数字量发送到所述plc控制系统。
10.进一步，位于所述第一电路监测继电器一侧并联设置有第一电路状态指示灯。
11.进一步，所述第二隔离开关的另一端与所述第二熔断器串联的线路上并联设置有第二电路状态指示灯。
12.进一步，所述变压输出模块包括第三隔离开关、第三熔断器、调压变压器、电力载波模块、带有分励脱扣器的断路器、第三电能监测仪表、变压器、绝缘保护电路、第三电路监测继电器以及第三电路状态指示灯；所述输入监测模块的输出端与所述第三隔离开关的一端连接，所述第三隔离开关的另一端经所述第三熔断器与所述调压变压器的一端串联，并在所述第三熔断器与所述调压变压器的一端之间的线路上并联设置有所述第三电路监测继电器，在所述第三电路监测继电器的一侧并联设置有所述第三电路状态指示灯；所述调压变压器的另一端依次与所述电力载波模块、带有分励脱扣器的断路器的一端串联，位于所述调压变压器的两端并联设置有所述第三电能监测仪表；所述带有分励脱扣器的断路器的另一端作为输出线路，在该输出线路上并联设置有所述变压器，经所述变压器进行升压处理后经所述第三电路监测继电器传输至所述plc控制系统。
13.进一步，所述电力载波模块与所述带有分励脱扣器的断路器的一端串联的线路上并联设置有绝缘保护电路。
14.进一步，所述绝缘保护电路包括绝缘监测仪、带有分励脱扣器的断路器、卸载电路继电器、卸载电阻、第二接触器、报警指示灯和绝缘保护功能按钮；所述绝缘监测仪用于监控脐带缆的绝缘电阻，并通过模拟量信号发送到所述plc控制系统；所述绝缘监测仪的一端并联在所述电力载波模块与所述带有分励脱扣器的断路器的一端串联的线路上，且所述绝缘监测仪上并联设置有串联的所述绝缘保护功能按钮和卸载电路继电器；所述卸载电路继电器的一端与所述带有分励脱扣器的断路器连接，所述绝缘保护功能按钮还与所述报警指示灯连接；所述卸载电阻一端接地，另一端与所述第二接触器串联构成卸载支路，该卸载支路并联在所述输出线路上；另一所述卸载电路继电器的一端经所述第二接触器与所述带有分励脱扣器的断路器连接，另一所述卸载电路继电器的另一端与所述plc控制系统连接。
15.进一步，所述plc控制系统包括冗余的plc供电模块、冗余的cpu模块、冗余的modbusrtu通信模块、冗余的模拟量输入模块和冗余的数字量输入模块；所述供电模块用于为所述plc控制系统提供冗余供电，所述modbusrtu模块用于采集电能监测仪表的数据并传输至cpu模块，所述模拟量输入模块用于采集绝缘监测仪数据并传输至所述cpu模块，所述数字量输入模块用于采集电路监测继电器的信号并传输至所述cpu模块；所述cpu模块用于接收数据并采集plc控制系统中的数字量输入模块、模拟量输入模块和modbusrtu通信模块
的数据并通过ethernet通信接口发送到所述水下控制系统主控站。
16.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
17.1、本发明具有可靠性高和易于维护的优点。本发明基于冗余且模块化的供电线路，内部供电模块、冗余的输入监测模块、冗余的变压输出模块均为冗余且模块化的配置，当单个设备发生故障时不影响另一路供电功能的完整性；且每个模块易于安装和拆卸，可以快速更换。
18.2、本发明具备脐带缆绝缘监测和保护功能。绝缘监测仪负责监控脐带缆的绝缘电阻，当电阻值小于设定值时可以自动报警并将电力单元的输出关断。
附图说明
19.图1是本发明的整体结构示意图；
20.图2是本发明一路独立的输入输出供电线路结构示意图。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不代表各部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。
23.本发明提供一种具备绝缘监测功能的水下控制系统的电力单元，该电力单元采用模块化结构，每个模块可以单独更换和维护。如图1所示，本发明包括冗余的内部供电模块1、冗余的输入监测模块2、冗余的变压输出模块3和冗余的plc控制系统4；其中，各个模块的设置数量都相同，且每个内部供电模块1、输入监测模块2和变压输出模块3构成一路独立的输入输出供电线路。每个内部供电模块1用于将输入供电电压传输至相应输入输出供电线路中的输入监测模块2，由输入监测模块2进行监测处理后将输入供电电压传输至该线路中的变压输出模块3，经变压输出模块3对输入电压升压后作为输出供电电压。同时，每个变压输出模块3都分别与一个plc控制系统4连接，各个变压输出模块3用于接收所有输入监测模块2传输至的信息，并将该信息传输至该变压输出模块3所对应的plc控制系统4，经plc控制系统4处理后传输至现有水下控制系统主控站，从而监控电力单元状态。
24.上述实施例中，优选设置为两路独立的输入输出供电线路。输入供电为220v/50hz交流电，该输入供电经过内部供电模块1、输入监测模块2和变压输出模块3后升压为522v/50hz的输出供电。
25.在一个优选的实施例中，如图2所示，在每路独立的输入输出供电线路中，内部供电模块1用于为水下控制系统机柜内的风扇5、照明灯6以及plc控制系统4供电。
26.内部供电模块1内设置有第一隔离开关7、第一熔断器8和第一接触器9。第一隔离开关7的一端与输入供电连接，第一隔离开关7的另一端分别经一第一熔断器8与待供电的风扇5、照明灯6以及plc控制系统4连接，且内部供电模块1通过第一接触器9为机柜内风扇5和照明灯6供电。
27.在一个优选的实施例中，如图2所示，输入监测模块2包括具备电压保护和漏电保护功能的第一断路器10、漏电保护器11、供电支路、第一电能监测仪表12、第一电路监测继电器13、第二隔离开关15、第二熔断器16、第二电路监测继电器17、第一电路状态指示灯14和第二电路状态指示灯18。内部供电模块1的输出端经第一断路器10与漏电保护器11的一端串联，经第一断路器10实现输入电压的过压、欠压和过流保护功能；漏电保护器11的另一端并联设置有三个供电支路，并在漏电保护器11的另一端与并联的三个供电支路之间的线路上并联设置有第一电能监测仪表12和第一电路监测继电器13，位于第一电路监测继电器13一侧还并联设置有第一电路状态指示灯14。其中一个供电支路与变压输出模块3连接，其余两个供电支路的输出端作为供电接口；每个供电支路都包括第二隔离开关15、第二熔断器16、第二电路监测继电器17和第二电路状态指示灯18；第二隔离开关15的一端与漏电保护器11的另一端连接，第二隔离开关15的另一端与第二熔断器16串联，并在串联后的线路上并联设置有第二电路监测继电器17和第二电路状态指示灯18。第一电能监测仪表12用于监控输入监测模块2内部电压、电流和/或频率，第一、第二电路监测继电器17以及第一、第二电路状态指示灯18用于监控输入监测模块2输出到变压输出模块3的电路通断，并将通断状态通过数字量发送到plc控制系统4。
28.在一个优选的实施例中，如图2所示，变压输出模块3包括第三隔离开关19、第三熔断器20、调压变压器21、电力载波模块24、带有分励脱扣器的断路器25、第三电能监测仪表26、变压器27、绝缘保护电路、第三电路监测继电器22以及第三电路状态指示灯23。输入监测模块2的输出端与第三隔离开关19的一端连接，第三隔离开关19的另一端经第三熔断器20与调压变压器21的一端串联，并在第三熔断器20与调压变压器21的一端之间的线路上并联设置有第三电路监测继电器22，在第三电路监测继电器22的一侧并联设置有第三电路状态指示灯23；调压变压器21的另一端依次与电力载波模块24、带有分励脱扣器的断路器25的一端串联，由电力载波模块24负责与水下控制系统的水下控制模块建立电力载波通信；位于调压变压器21的两端并联设置有第三电能监测仪表26，输入电压经调压变压器21将输入的220v电压升压至522v电压，并由第三电能监测仪表26、第三电路监测继电器22以及第三电路状态指示灯23监测变压器输出电路的状态；带有分励脱扣器的断路器25的另一端作为输出线路。在该输出线路上并联设置有变压器27，经变压器27进行升压处理后经第三电路监测继电器22传输至plc控制系统4。
29.上述实施例中，在电力载波模块24与带有分励脱扣器的断路器25的一端串联的线路上并联设置有绝缘保护电路。绝缘保护电路包括绝缘监测仪28、带有分励脱扣器的断路器25、卸载电路继电器29、卸载电阻30、第二接触器31、报警指示灯32和绝缘保护功能按钮33。绝缘监测仪28用于监控脐带缆的绝缘电阻，并通过4
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20ma模拟量信号发送到plc控制系统4；绝缘监测仪28的一端并联在电力载波模块24与带有分励脱扣器的断路器25的一端串联的线路上，且绝缘监测仪28上并联设置有串联的绝缘保护功能按钮33和卸载电路继电器29；卸载电路继电器29的一端与带有分励脱扣器的断路器25连接，绝缘保护功能按钮33还与报警指示灯32连接。卸载电阻30一端接地，另一端与第二接触器31串联构成卸载支路，该卸载支路并联在输出线路上，用于在线路关断时对脐带缆的残余电量放电；其中，另一卸载电路继电器29的一端经第二接触器31与带有分励脱扣器的断路器25连接，另一卸载电路继电器29的另一端与plc控制系统4连接。
30.使用时，上述绝缘保护电路具有2级绝缘保护功能，当线路绝缘电阻小于绝缘监测仪28设定报警值1时，带有分励脱扣器的断路器25和卸载电路继电器29不动作。当绝缘电阻小于报警值2时，带有分励脱扣器的断路器25断开、卸载电路继电器29闭合，脐带缆通过卸载电阻30放电。当绝缘保护功能按钮33按下时，带有分励脱扣器的断路器25和卸载电路继电器29不动作。
31.在一个优选的实施例中，plc控制系统4包括冗余的plc供电模块、冗余的cpu模块、冗余的modbusrtu通信模块、冗余的模拟量输入模块和冗余的数字量输入模块。其中，供电模块用于为plc控制系统4提供冗余供电，modbusrtu模块用于采集电能监测仪表的数据并传输至cpu模块，模拟量输入模块用于采集绝缘监测仪28数据并传输至cpu模块，数字量输入模块用于采集电路监测继电器的信号并传输至cpu模块；cpu模块用于接收数据并采集plc控制系统中的数字量输入模块、模拟量输入模块和modbusrtu通信模块的数据并通过ethernet通信接口发送到水下控制系统主控站，从而监控电力单元状态。
32.上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

技术特征：
1.一种具备绝缘监测功能的水下控制系统的电力单元，其特征在于，包括冗余的内部供电模块、冗余的输入监测模块、冗余的变压输出模块和冗余的plc控制系统；各个模块的设置数量都相同，且每个所述内部供电模块、输入监测模块和变压输出模块构成一路独立的输入输出供电线路；每个所述内部供电模块用于将输入供电电压传输至相应所述输入输出供电线路中的所述输入监测模块，由所述输入监测模块进行监测处理后将输入供电电压传输至该线路中的所述变压输出模块，经所述变压输出模块对输入电压升压后作为输出供电电压；每个所述变压输出模块都分别与一个所述plc控制系统连接，各个所述变压输出模块用于接收所有所述输入监测模块传输至的信息，并将该信息传输至该变压输出模块所对应的所述plc控制系统，经所述plc控制系统处理后传输至现有水下控制系统主控站，从而监控电力单元状态。2.如权利要求1所述电力单元，其特征在于，所述内部供电模块用于为所述水下控制系统机柜内的风扇、照明灯以及所述plc控制系统供电。3.如权利要求1所述电力单元，其特征在于，所述输入监测模块包括具备电压保护和漏电保护功能的第一断路器、漏电保护器、供电支路、第一电能监测仪表、第一电路监测继电器和第二电路监测继电器；所述内部供电模块的输出端经所述第一断路器与所述漏电保护器的一端串联，所述漏电保护器的另一端并联设置有三个供电支路，并在所述漏电保护器的另一端与并联的三个供电支路之间的线路上并联设置有所述第一电能监测仪表和第一电路监测继电器；其中一个所述供电支路与所述变压输出模块连接，其余两个所述供电支路的输出端作为供电接口。4.如权利要求3所述电力单元，其特征在于，每个所述供电支路都包括第二隔离开关、第二熔断器和第二电路监测继电器；所述第二隔离开关的一端与所述漏电保护器的另一端连接，所述第二隔离开关的另一端与所述第二熔断器串联，并在串联后的线路上并联设置有所述第二电路监测继电器；所述第一电能监测仪表用于监控输入监测模块内部电压、电流和/或频率，所述第一、第二电路监测继电器用于监控输入监测模块输出到变压输出模块的电路通断，并将通断状态通过数字量发送到所述plc控制系统。5.如权利要求3所述电力单元，其特征在于，位于所述第一电路监测继电器一侧并联设置有第一电路状态指示灯。6.如权利要求4所述电力单元，其特征在于，所述第二隔离开关的另一端与所述第二熔断器串联的线路上并联设置有第二电路状态指示灯。7.如权利要求1所述电力单元，其特征在于，所述变压输出模块包括第三隔离开关、第三熔断器、调压变压器、电力载波模块、带有分励脱扣器的断路器、第三电能监测仪表、变压器、绝缘保护电路、第三电路监测继电器以及第三电路状态指示灯；所述输入监测模块的输出端与所述第三隔离开关的一端连接，所述第三隔离开关的另一端经所述第三熔断器与所述调压变压器的一端串联，并在所述第三熔断器与所述调压变压器的一端之间的线路上并联设置有所述第三电路监测继电器，在所述第三电路监测继电器的一侧并联设置有所述第三电路状态指示灯；所述调压变压器的另一端依次与所述电力载波模块、带有分励脱扣器的断路器的一端串联，位于所述调压变压器的两端并联设置有所述第三电能监测仪表；所述带有分励脱扣器的断路器的另一端作为输出线路，在该输出线路上并联设置有所述变压
器，经所述变压器进行升压处理后经所述第三电路监测继电器传输至所述plc控制系统。8.如权利要求7所述电力单元，其特征在于，所述电力载波模块与所述带有分励脱扣器的断路器的一端串联的线路上并联设置有绝缘保护电路。9.如权利要求8所述电力单元，其特征在于，所述绝缘保护电路包括绝缘监测仪、带有分励脱扣器的断路器、卸载电路继电器、卸载电阻、第二接触器、报警指示灯和绝缘保护功能按钮；所述绝缘监测仪用于监控脐带缆的绝缘电阻，并通过模拟量信号发送到所述plc控制系统；所述绝缘监测仪的一端并联在所述电力载波模块与所述带有分励脱扣器的断路器的一端串联的线路上，且所述绝缘监测仪上并联设置有串联的所述绝缘保护功能按钮和卸载电路继电器；所述卸载电路继电器的一端与所述带有分励脱扣器的断路器连接，所述绝缘保护功能按钮还与所述报警指示灯连接；所述卸载电阻一端接地，另一端与所述第二接触器串联构成卸载支路，该卸载支路并联在所述输出线路上；另一所述卸载电路继电器的一端经所述第二接触器与所述带有分励脱扣器的断路器连接，另一所述卸载电路继电器的另一端与所述plc控制系统连接。10.如权利要求3至9任一项所述电力单元，其特征在于，所述plc控制系统包括冗余的plc供电模块、冗余的cpu模块、冗余的modbusrtu通信模块、冗余的模拟量输入模块和冗余的数字量输入模块；所述供电模块用于为所述plc控制系统提供冗余供电，所述modbusrtu模块用于采集电能监测仪表的数据并传输至cpu模块，所述模拟量输入模块用于采集绝缘监测仪数据并传输至所述cpu模块，所述数字量输入模块用于采集电路监测继电器的信号并传输至所述cpu模块；所述cpu模块用于接收数据并采集plc控制系统中的数字量输入模块、模拟量输入模块和modbusrtu通信模块的数据并通过ethernet通信接口发送到所述水下控制系统主控站。
技术总结
本发明涉及一种具备绝缘监测功能的水下控制系统的电力单元，其包括由各内部供电模块、输入监测模块和变压输出模块构成的多路独立的输入输出供电线路；每个内部供电模块用于将输入供电电压传输至相应输入输出供电线路中的输入监测模块，由输入监测模块进行监测处理后将输入供电电压传输至该线路中的变压输出模块，经变压输出模块对输入电压升压后作为输出供电电压；每个变压输出模块都分别与一个PLC控制系统连接，各个变压输出模块用于接收所有输入监测模块传输至的信息，并将该信息传输至该变压输出模块所对应的PLC控制系统，经PLC控制系统处理后传输至现有水下控制系统主控站，从而监控电力单元状态。从而监控电力单元状态。从而监控电力单元状态。


技术研发人员：米立军 朱海山 安维峥 孙钦 陈宏举 王立权 韩云峰 陶浩涵 朱春丽 贾鹏 王刚 王向宇 魏娟
受保护的技术使用者：中海石油（中国）有限公司北京研究中心 哈尔滨工程大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29