王家林，夏 立，吳正國，楊宣訪

（海軍工程大學電氣與信息工程學院，武漢430033）

隨著船舶電力系統(tǒng)結構形式日趨復雜、電壓等級提高、設備趨向大容量化，以及船舶綜合電力系統(tǒng)對供電的要求越來越高，電力系統(tǒng)的保護及對其的研究顯得越來越重要[1]。傳統(tǒng)船用電力系統(tǒng)采用按分斷時間原則通過斷路器不同延時時間的整定，以系統(tǒng)解列方式保證故障隔離的保護方法，有可能會造成非故障區(qū)域斷電，達不到較好的選擇性，不能適應綜合電力系統(tǒng)的需要。智能保護[2～4]是基于綜合微型計算機保護和人工智能技術而提出的：利用具備數據采集、處理與通信功能的電力系統(tǒng)綜合檢測系統(tǒng)得到的系統(tǒng)運行數據，運用人工智能方法進行系統(tǒng)故障辨識與故障定位，進而完成保護邏輯判斷，并由此指示相應開關通斷、實現(xiàn)系統(tǒng)保護的一種新型保護動作方法，具有降低因運行工況變化及負載調整而導致的不合理保護動作的概率，提高保護動作選擇性水平等。本文研究了智能保護在船舶電力系統(tǒng)中實現(xiàn)原理，綜述了工況識別、潮流計算、故障分析判斷、保護邏輯判斷與開關動作策略等關鍵技術研究現(xiàn)狀，指出其實現(xiàn)的難點和關鍵點，并在此基礎上討論了研究發(fā)展的方向。

1 船舶電力系統(tǒng)的特點及傳統(tǒng)保護方法存在的問題

1.1 船舶電力系統(tǒng)的特點

船舶電力系統(tǒng)特點[5]總結主要為以下幾點：

1）中性點不接地，不流過零序電流，單相故障發(fā)生后改變中性點電壓但不影響線電壓，系統(tǒng)仍能容忍在一段時間內運行。

2）船舶系統(tǒng)小、電壓等級較低、線路短、對地電容可以忽略、輸電線路比較短。

3）發(fā)電冗余小、電動機負荷所占比重大、電氣設備比較集中、具有相對較大的正常和故障電流。

4）由于船舶電力系統(tǒng)為有限慣性系統(tǒng)，電站、配電和用電環(huán)節(jié)之間存在強耦合，主配電板下層方向配電網絡呈輻射狀，且具有弱網狀結構。

1.2 船舶電力系統(tǒng)傳統(tǒng)保護方法存在的問題

傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)保護通常采用結合時間原則的三段式電流保護來實現(xiàn)，具有簡單、可靠的特點，在一般情況下也能夠滿足快速切除故障的要求。在三段式電流保護中，相鄰兩級開關的保護動作必須確保選擇性要求。但是船舶電力網電纜長度短、阻抗小，短路后相鄰兩級的保護開關所處地段的短路電流值相近，使得保護開關的動作電流值難以整定，當系統(tǒng)中任意一點發(fā)生短路故障后，雖然可以最終達到可靠隔離故障的作用，但有可能會使非故障區(qū)域斷電，達不到較好的選擇性。

當船舶電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，通過保護裝置有效動作隔離故障以保證非故障區(qū)域的系統(tǒng)正常供電。傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)的保護通常采用結合時間原則的電流保護，即時間電流原則保護來實現(xiàn)，該方法具有簡單、可靠的特點，在一般情況下也能夠滿足快速切除故障的要求。在電流保護中，相鄰兩級開關的保護動作必須確保選擇性要求。但是船舶電力網電纜長度短、阻抗小，短路后相鄰兩級的保護開關所處地段的短路電流值大小相近，使得保護開關的動作電流值整定困難，需要結合一定的保護分斷延時即時間原則。

如圖1所示，當A 點發(fā)生短路故障時，斷路器KG、K1、K2流過的短路電流幾乎相等，如果單純按照電流原則整定，三個斷路器整定值一樣，將同時分斷。這樣盡管可以實現(xiàn)A 點故障隔離，但也造成了非故障區(qū)域的失電，嚴重影響船舶電網正常運行。結合時間原則，即斷路器動作時間從用電負載到供電電源方向逐級遞增，即圖1中斷路器動作時間應滿足

這樣，在發(fā)生A 點短路故障時，斷路器K2最先分斷，K1、KG 在延時等待過程中，因短路電流消失而不滿足分斷條件，繼續(xù)保持閉合，為剩余正常負載提供用電電能。

可見，上述時間電流原則方法是以犧牲保護快速性為代價來獲取保護的選擇性。當系統(tǒng)保護級數較少時，延時時間較短，對處于短路狀態(tài)的設備影響較小。如果級數過多，延時時間過長，則由于短路導致的電壓跌落容易造成非故障電動機負載由于欠壓而停機，影響正常負荷的運行；同時過長的延時時間還可能導致局部過熱、對正常設備造成損壞。

圖1 船舶電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)保護原理Fig.1 Tradition protection principle of shipboard power system

隨著船舶電力系統(tǒng)結構的日益復雜化，電站容量明顯增大，單純采用上述常規(guī)的時間原則、電流原則實現(xiàn)選擇性保護幾乎不可能。這是因為，根據不同的船舶運行工況，電力系統(tǒng)中發(fā)電機及負載的投入會不一樣，正常時及故障情況下系統(tǒng)體現(xiàn)的電流水平也會有很大區(qū)別。而目前流行的電力系統(tǒng)時間電流原則保護整定通常是按照系統(tǒng)最大運行條件確定的，雖然這樣可以保證電力系統(tǒng)在各種運行方式下發(fā)生故障時，繼電保護都能正確動作，但對于電力系統(tǒng)在非最大運行方式下卻無法使保護達到最佳保護效果，尤其是電力系統(tǒng)在最小運行方式下發(fā)生最不利故障時，保護的性能會嚴重變壞甚至發(fā)生拒動現(xiàn)象，嚴重影響著船舶的可靠性及生命力水平。

2 船舶電力系統(tǒng)智能保護實現(xiàn)原理

船舶電力系統(tǒng)智能保護實現(xiàn)原理[2～4]如圖2所示。

船舶電力系統(tǒng)工況識別功能通過分析和處理由信號采集裝置同步相量測量裝置PMU（phasor measurement unit）得到的設置在所有開關處及典型信號點的數據為系統(tǒng)提供當前運行工況和網絡結構形式，是潮流計算的基礎；潮流計算用以分析船舶電力系統(tǒng)在某一時間斷面，系統(tǒng)各狀態(tài)變量值與系統(tǒng)內的功率分布情況，其計算結果為系統(tǒng)智能保護提供初始條件和判別依據。當故障發(fā)生后，由故障分析判斷單元進行故障判別，發(fā)出故障信息至保護邏輯判斷與開關動作策略單元，同時保護邏輯判斷與開關動作策略單元根據系統(tǒng)運行工況以及潮流等信息，運用人工智能方法，做出合理的開關動作順序，再依次發(fā)送跳閘信號至開關處，完成故障切除。

圖2 智能保護實現(xiàn)原理圖Fig.2 Realization schematic of intelligent protection

3 關鍵技術研究

3.1 船舶電力系統(tǒng)工況識別技術

船舶電力系統(tǒng)工況識別實質是電力系統(tǒng)網絡拓撲分析，是實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)智能保護的基礎，它的任務就是在船舶不同運行狀態(tài)下對電力網絡中開關狀態(tài)的變化進行處理，形成新的電力網絡結構和拓撲數據，供電力系統(tǒng)智能保護中潮流分析和保護邏輯判斷與開關動作策略等應用單元使用。拓撲分析的結果直接影響著智能保護的有效性和電網的安全性。

陸地電力系統(tǒng)早期的網絡拓撲分析是利用堆棧技術進行搜索。為了加快拓撲分析的速度，出現(xiàn)了追蹤網絡拓撲變化、面向對象的電力網絡拓撲分析、基本分析單元的有色Petri法等利用數據結構加上特定的算法來實現(xiàn)拓撲的改進方法。這些方法為實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)網絡拓撲分析提供了有益的參考，但其采用數據表、圖論或關聯(lián)矩陣來建立拓撲，利用深度優(yōu)先遍歷、跟蹤技術及Petri網來進行拓撲分析、實現(xiàn)帶電著色、節(jié)點融合及編號等，以及在開關動作后對網絡進行局部遍歷來實現(xiàn)實時拓撲分析的方法，通常一次只能實現(xiàn)一種功能，且過程相對而言過于繁瑣[6，7]。基于電力GIS的網絡拓撲分析方法[8]可通過GIS建立電氣設備的空間信息和相應屬性數據，為網絡拓撲分析提供了必要的地理數據和圖形支持，可實現(xiàn)陸地電網網絡拓撲的可視化、高效化，但需要構建船舶的三維電力GIS模型和基于GIS的數據模型，過程相對而言過于復雜。隨著船舶自動化水平的提高和新型負載的出現(xiàn)，船舶電力系統(tǒng)的結構將更加復雜，特別是在保護裝置或斷路器拒動或誤動，故障范圍擴大和數據源產生畸變的情況下，采用這些方法得到的結果可能產生錯誤。在分析電力系統(tǒng)各種故障診斷方法的特點和存在問題的基礎上采用更加快速、準確的故障診斷方法對電網進行故障定位，根據船舶電力系統(tǒng)特點，對電力系統(tǒng)進行網絡拓撲分析的同時，排除故障信息，以修正拓撲分析結果，得到準確的電力系統(tǒng)網絡拓撲結構是需要進一步研究的問題。

3.2 船舶電力系統(tǒng)潮流計算

潮流計算用以分析船舶電力系統(tǒng)在某一時間斷面，系統(tǒng)各狀態(tài)變量值與系統(tǒng)內的功率分布情況，其計算結果為系統(tǒng)智能保護提供初始條件和判別依據。常規(guī)潮流計算方法如牛頓－拉夫遜法和快速解耦等方法不易收斂，但船舶電力系統(tǒng)與陸用電力系統(tǒng)配電網絡類似，因此，可借鑒陸用配電網潮流計算方法來進行船舶電力系統(tǒng)潮流分析[9]?？刹捎玫姆椒ㄓ校夯赝疲巴扑惴ābus法、回路阻抗法、改進牛頓法等。其回推 －前推算法對于純輻射型網絡或弱環(huán)網絡編程簡單，求解速度快，但處理網孔能力較差，隨著網孔數量的增加，算法收斂性變差，Zbus法處理PV 節(jié)點的能力較弱，求解時間較長，算法效率低；回路阻抗法雖然處理網孔能力較強，但處理PV 節(jié)點的能力依然較弱；改進牛頓法仍然對初值的選取敏感。文獻[9]提出了改進回推／前推算法，解決了解決船舶電力系統(tǒng)潮流計算中弱環(huán)網運行狀態(tài)和系統(tǒng)多源問題，但其計算處理復雜且適應性不強。文獻[10]提出了系統(tǒng)潮流方程直接可解的概念，應用PMU 的測量值的潮流方程直接求解方法不需迭代計算，避免了其他潮流計算方法難以解決的問題，提高了潮流計算的速度和精度，有很強的適應性，為解決船舶電力系統(tǒng)潮流計算問題提供了很好的思路：將潮流計算問題轉化為在船舶有限空間內最優(yōu)布置PMU 裝置的策略問題。因此，在研制出適用于船舶電力系統(tǒng)的PMU裝置的基礎上，結合船舶電力系統(tǒng)潮流計算方法研究現(xiàn)狀，尋找以最少PMU 臺數及最佳安裝位置實現(xiàn)潮流可解配置方案將具有較大的現(xiàn)實意義。

3.3 船舶電力系統(tǒng)故障分析判斷方法

準確的船舶電力系統(tǒng)故障分析判斷是智能保護正確動作的關鍵，能有效避免保護的拒動和誤動，而快速的故障分析判斷是智能保護盡可能快地切除故障，減少設備在大短路電流、低電壓下運行的時間，降低設備的損壞程度，提高船舶電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的基礎。目前，電力系統(tǒng)故障分析判斷方法主要是采用現(xiàn)代信號處理技術、或與人工智能理論相結合進行故障判斷來實現(xiàn)的。船舶電力系統(tǒng)短路故障產生的電流信號是一個突變的、具有奇異性的信號。電力系統(tǒng)故障的時刻（或位置）往往與監(jiān)測電流信號的奇異點對應。文獻[11]采用小波技術分析信號的奇異點實現(xiàn)了輸電線路短路故障檢測；文獻[12]將小波分析和熵結合起來，定義了3 種小波熵（小波能譜熵、小波時間熵、小波奇異熵），并給出其算法，揭示了這3種小波熵對系統(tǒng)故障表征的機理，有效地檢測出電力系統(tǒng)故障；文獻[13]在文獻[12]的基礎上，采用D－S證據理論對多種小波熵進行信息融合的方法實現(xiàn)電力系統(tǒng)故障診斷；還有許多基于以上方法的改進算法和其他信號分析方法的報道，仿真試驗證明了這些方法的正確性，但在故障分析判斷的耗時方面未能給出較好的結論說明。文獻[14]介紹了利用暫態(tài)量特征實現(xiàn)超高速陸地電網的故障甄別的研究成果，為船舶電力系統(tǒng)故障分析判斷提供了思路，但如何根據船舶電力系統(tǒng)的特點采用何種方法實現(xiàn)超高速故障判斷以滿足智能保護的需要是一個需要進一步研究的課題。

3.4 船舶電力系統(tǒng)保護邏輯判斷與開關動作策略研究

傳統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)對開關動作的時間設置主要是按照開關的類別進行，即同一類開關的延時為同一值。當工況不同引起電網拓撲改變后，保護邏輯（開關的職能）可能發(fā)生改變，此時延時設置不能隨之改變而引起保護的選擇性問題。在對短路故障正確和快速的分析判斷的基礎上，讓各級開關的動作延時設置適應于工況的變化，上下級開關的動作時間相互配合，形成階梯式保護，以實現(xiàn)保護選擇性要求是船舶電力系統(tǒng)保護邏輯判斷與開關動作策略的目標，但目前相關的文獻報道還較少。文獻[15]提出采用基于改進廣度優(yōu)先搜索（BFS）的方法根據故障分析與判斷結果和最初的開關類別選擇出“源”，再從“源”開始通過BFS形成開關動作的先后順序，達到了很好的保護選擇性效果。但在如何得到最優(yōu)動作開關個數和次序、實時性方面未做研究和探討。文獻[16]針對陸地電網分析了保護配合方式的發(fā)展并給出了保護配合方案，但不符合船舶電網的特殊性要求。因此，根據船舶電力系統(tǒng)的特點，運用人工智能等方法，結合保護邏輯判斷結果，綜合故障后系統(tǒng)重構、重要負載的供電要求和系統(tǒng)穩(wěn)定等因素形成開關動作的目標函數和約束條件，得到最優(yōu)結果是實現(xiàn)智能保護的難點和關鍵點，也是研究發(fā)展的方向。

4 結語

本文在研究了船舶電力系統(tǒng)的特點的基礎上，分析了目前常用的短路保護措施的不足，指出其已不能滿足不斷發(fā)展的船舶電力系統(tǒng)的保護的需要。智能保護采用現(xiàn)代信號處理技術、人工智能理論的方法進行短路故障判斷，并根據不同工況及負載調整對開關職能的改變做出合理判斷，做出與運行狀況相符合的保護邏輯和開關動作策略，具有很強的自適應性和選擇性，是電力系統(tǒng)保護研究重點發(fā)展的趨勢之一。文中概述了智能保護在船舶電力系統(tǒng)中的實現(xiàn)原理和關鍵技術，探討了各關鍵技術的研究現(xiàn)狀，并提出了一些見解，同時存在許多問題有待進一步的研究，可為船舶電力系統(tǒng)智能保護研究和實現(xiàn)提供參考。

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