（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

自20世紀(jì)60年代以來，大面積停電事故時(shí)有發(fā)生，各國對電力系統(tǒng)安全分析開始有所重視。進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)外電力系統(tǒng)同相繼發(fā)生多起大面積停電事故，特別是美加大停電、莫斯科大停電和倫敦大停電，都造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和政治影響。這引起了社會(huì)各界對電力系統(tǒng)安全性的高度關(guān)注。

而目前隨著現(xiàn)代船舶向大型化、現(xiàn)代化、自動(dòng)化不斷發(fā)展，船舶電站容量顯著增大，電網(wǎng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜。船舶靜態(tài)安全分析必將因此而越來越受到重視。它可以對整個(gè)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測，并對預(yù)想事故進(jìn)行安全分析，為供配電管理和負(fù)載管理提供決策建議，改善和顯著提高船舶電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，對維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、保障船舶生命力有著重要作用。

2 陸地電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析現(xiàn)狀

通常電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分為以下五種：1）安全正常狀態(tài)；2）警戒狀態(tài)；3）緊急狀態(tài)；4）系統(tǒng)崩潰；5）待恢復(fù)狀態(tài)［1～5］。系統(tǒng)各運(yùn)行狀態(tài)及其相互間的轉(zhuǎn)變關(guān)系如圖1所示。

目前，電力系統(tǒng)安全分析分為兩個(gè)研究領(lǐng)域，即靜態(tài)安全分析和動(dòng)態(tài)安全分析。發(fā)生預(yù)想事故后判斷系統(tǒng)是否過載或者越限的功能稱之為靜態(tài)安全分析，即只考慮事故后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)的安全性，而不考慮從當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)向事故后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移；對于事故后的動(dòng)態(tài)過程中系統(tǒng)是否失穩(wěn)的功能則被稱為動(dòng)態(tài)安全分析［6～8］。

圖1 電力系統(tǒng)各運(yùn)行狀態(tài)及其相互間的轉(zhuǎn)變關(guān)系

靜態(tài)安全分析的一個(gè)主要任務(wù)就是對電網(wǎng)可能發(fā)生的事故進(jìn)行假想在線計(jì)算分析。因此，預(yù)想事故分析是靜態(tài)安全分析的重點(diǎn)。預(yù)想事故分析就是對一個(gè)電力系統(tǒng)事先分析其潛在事故對其的影響和可能造成的破壞。預(yù)想事故分析過程主要包括故障定義、故障掃描和故障詳細(xì)分析三個(gè)部分，如圖2所示。

故障定義是根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式自動(dòng)確定預(yù)想事故集［1～2］。事故集中的事故可根據(jù)軟件離線仿真分析和有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度員的需要來確定，一般來說，預(yù)想事故至少包括開斷一條支路或者一臺發(fā)電機(jī)［9］。

圖2 預(yù)想事故分析的過程

故障掃描與排序是排除定義的事故集中暫無危害的事故，并按照其對電力系統(tǒng)的危害程度進(jìn)行排序。目前，掃描方法可分為兩大類［10］。一為直接法，顧名思義直接快速求解故障后潮流計(jì)算并按一定指標(biāo)排序。文獻(xiàn)［11～13］這些算法都提出了改進(jìn)的直接法進(jìn)行計(jì)算，但是目前并沒有一種方法可以使得算法精度與算法速度并存。二為間接法，不直接進(jìn)行潮流計(jì)算，而是以事故發(fā)生時(shí)的某些參數(shù)為依據(jù)來進(jìn)行排序，其特點(diǎn)是速度快，內(nèi)存占有少，但精確度較低。近年來由于人工智能的長足發(fā)展［14］，許多專家學(xué)者也提出了一些基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［15～16］、模糊算法［17］等的預(yù)想事故自動(dòng)選擇方法。目前存在的方法很少進(jìn)入現(xiàn)場考驗(yàn)和實(shí)施階段，且存在一些問題有待于進(jìn)一步解決。式（1）是目前陸地電網(wǎng)較為常見的危害度指標(biāo)［2］。

式中，D為危害度行為指標(biāo)，a為有功功率過負(fù)荷的線路集合，Pl為支路l中的有功潮流為支路l中的有功功率極限值，Wl為支路l的權(quán)重，n為正整數(shù)，Wvi為節(jié)點(diǎn)i的電壓全因子，為節(jié)點(diǎn)i的電壓模值極限，β為電壓越限的節(jié)點(diǎn)集合，Qi為節(jié)點(diǎn)i的注入無功功率為節(jié)點(diǎn)i的注入無功功率極限，WQi為節(jié)點(diǎn)i的注入無功功率權(quán)因子，γ為無功功率高于上限和下限的節(jié)點(diǎn)集合，λp為有功的權(quán)重，λUQ為無功的權(quán)重。

故障詳細(xì)分析是針對掃描后的故障進(jìn)行詳細(xì)的潮流計(jì)算。目前陸用電力系統(tǒng)主要的方法有直流潮流法和P-Q 分解法。直流潮流法特點(diǎn)是計(jì)算速度快，但是不足之處在于精度差、誤差大。P-Q 分解法是一種占用內(nèi)存少，計(jì)算精度較高的算法但由于需要迭代求解，該方法總是比較費(fèi)時(shí)的［1］。

但是船舶電力系統(tǒng)，在運(yùn)行設(shè)備、運(yùn)行環(huán)境等方面與陸地電力系統(tǒng)存在一定區(qū)別，因此在船舶電力系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)靜態(tài)安全分析不可能照搬陸地電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析的方法，應(yīng)對船舶電力系統(tǒng)的實(shí)際情況做出相應(yīng)改變，必須針對其自身特點(diǎn)對其進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

3 船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析的提出與實(shí)現(xiàn)

由上文可知安全狀態(tài)和警戒狀態(tài)是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的兩個(gè)相對的狀態(tài)，目前船員只能通過經(jīng)驗(yàn)來識別這兩種狀態(tài)。但是隨著船舶電站容量顯著增大，電網(wǎng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，不同區(qū)域之間的互聯(lián)更加緊密，設(shè)備故障波及范圍擴(kuò)大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定的因素和不確定性因素增加，船員已經(jīng)難以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來判斷當(dāng)前電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行狀態(tài)。簡單地說，船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析則可以幫助艦員實(shí)現(xiàn)對整個(gè)船舶電力系統(tǒng)的安全監(jiān)測，有效區(qū)分安全狀態(tài)與警戒狀態(tài)。靜態(tài)安全分析在船舶電力系統(tǒng)整個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的過程中的作用愈發(fā)重要，但是在船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析方面的研究幾乎為一片空白，研究意義非常重大。

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，預(yù)想事故分析包括預(yù)想事故集定義、預(yù)想事故掃描與排序和危害度評估等部分，其主要過程如圖3所示。

在預(yù)想事故集定義時(shí)，由于船舶電力系統(tǒng)在不同工況下運(yùn)行方式差異較大，當(dāng)其運(yùn)行方式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，影響電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的故障會(huì)發(fā)生變化，因此事故集合中的預(yù)想事故也應(yīng)發(fā)生相應(yīng)變化。這就要求預(yù)想事故分析所定義的事故集中的元素不是一成不變的，而是動(dòng)態(tài)的。目前陸地電網(wǎng)電力系統(tǒng)由于規(guī)模比較大、線路多等原因計(jì)算機(jī)軟件還不能做到完全自動(dòng)選擇故障。而船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)小型的獨(dú)立電力系統(tǒng)，發(fā)電單元和線路相對較少，有條件做到完全自動(dòng)選擇故障。同時(shí)單重元件的開斷仍有可能對系統(tǒng)產(chǎn)生有較大危害的故障，所以N-1掃描式的故障選擇對于船舶電力系統(tǒng)來說是首選的預(yù)想事故集定義方法。

陸地電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)預(yù)想事故掃描的方法目前主要難點(diǎn)在于解決速度與精度矛盾。前文提到船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電單元和線路相對較少，可以有條件實(shí)現(xiàn)在對預(yù)想事故快速掃描的同時(shí)實(shí)現(xiàn)單故障詳細(xì)分析。但是船舶上的空間相對有限，無法放置大型計(jì)算機(jī)使用過于復(fù)雜的算法來進(jìn)行精確的計(jì)算，因此應(yīng)該利用電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息選擇一種復(fù)雜度和精確度都合適的直接法來選擇能夠危害系統(tǒng)正常運(yùn)行的預(yù)想事故。在對預(yù)想事故掃描之后需要對這些事故對系統(tǒng)所產(chǎn)生的危害按照一定的行為指標(biāo)進(jìn)行排序，按照從大到小的順序排列得出預(yù)想事故一覽表。然而目前為止并無權(quán)威的行為指標(biāo)來定義預(yù)想事故的危害度。

由式（1）可知陸地電力系統(tǒng)對危害度的考量側(cè)重于功率和電壓的過載情況。船舶電力系統(tǒng)作為一個(gè)小型的獨(dú)立電力系統(tǒng)，負(fù)載的供電路徑較少，失電的概率比陸地電網(wǎng)大得多。同時(shí)推進(jìn)負(fù)載等重要負(fù)載就是船舶的生命，一旦推進(jìn)負(fù)載失電將造成極為嚴(yán)重的后果。因此全船失電或者推進(jìn)負(fù)載和重要負(fù)載的失電是不能容忍的。另一方面，由于設(shè)備與線路留有的負(fù)載裕度較大，即便出現(xiàn)過載和越限，暫時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)較大問題。綜上所述，船舶電力系統(tǒng)的預(yù)想事故危害度行為指標(biāo)應(yīng)當(dāng)按全船失電、區(qū)域失電、發(fā)電機(jī)過載、區(qū)域過載危害性遞減的排序方式來評估。對于同一負(fù)載，失電故障應(yīng)當(dāng)跟負(fù)載失電前的功率與負(fù)載的額定功率之比為有關(guān)。失電前的功率占額定功率越大危害程度應(yīng)當(dāng)越大。以直流系統(tǒng)為例，歸納出船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析的危害度指標(biāo)如式（2）。

其中，λl為發(fā)生失電故障的危害權(quán)重，λo為發(fā)生過載故障的危害權(quán)重，α為發(fā)生失電的故障集合，β為發(fā)生過載的故障集合，Wl為各失電故障的權(quán)因子，Wo為各過載故障的權(quán)因子，Pl為發(fā)生失電故障前區(qū)域l的功率，為區(qū)域l功率極限值，Pm為發(fā)生過載故障時(shí)區(qū)域m的功率值，為區(qū)域m功率的極限值。由前文分析可知，在船舶電力系統(tǒng)危害度指標(biāo)中失電的權(quán)重系數(shù)應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)大于過載，同時(shí)推進(jìn)負(fù)載等重要負(fù)載的失電權(quán)因子也應(yīng)當(dāng)大于次要負(fù)載。通過將功率的比值置于分母來實(shí)現(xiàn)歸一化，保證了公式的合理性。

評估與決策建議是通過定義船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全裕度的行為指標(biāo)，來對目前正在運(yùn)行的電力系統(tǒng)的安全性做一個(gè)全面的評估，并對供配電管理和負(fù)載管理提出決策建議。簡單地說就是通過對安全裕度的閾值設(shè)定來判斷當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。但是目前靜態(tài)安全裕度概念并沒有被提出。靜態(tài)安全裕度作為當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全評價(jià)，各預(yù)想事故的危害度自然是需要考慮的一方面。而推進(jìn)負(fù)載作為一個(gè)重要負(fù)載是船舶的生命力所在，需要有一定的功率儲(chǔ)備來保證推進(jìn)負(fù)載。同樣的，一些船舶的重要負(fù)載也需要一定的功率儲(chǔ)備，一般來說，功率儲(chǔ)備多則安全裕度相對較高。因此，本文認(rèn)為船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全裕度應(yīng)當(dāng)包括各預(yù)想事故的危害度和功率儲(chǔ)備，提出靜態(tài)安全裕度指標(biāo)如式（3）所示。

式中S為安全裕度行為指標(biāo)，v1為危害度指標(biāo)的權(quán)重，v2為功率儲(chǔ)備的權(quán)重，α為當(dāng)前工況預(yù)想事故集，β為發(fā)電機(jī)集合，pg為系統(tǒng)中發(fā)生預(yù)想事故g的可能性，Dg為系統(tǒng)中發(fā)生預(yù)想事故g的危害度，ps為系統(tǒng)總輸出的額定功率，pi為發(fā)電機(jī)輸出的總功率。公式第一項(xiàng)為目前系統(tǒng)的潛在危害對安全的影響，而第二項(xiàng)為目前系統(tǒng)的功率儲(chǔ)備。

基于以上理論為基礎(chǔ)，現(xiàn)以某船電力系統(tǒng)為模型，構(gòu)建基于C＃的船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析模塊，通過對預(yù)想事故的快速掃描，本模塊可實(shí)現(xiàn)預(yù)想事故的后果分析，同時(shí)可給出當(dāng)前工況的各項(xiàng)危害度指標(biāo)及安全裕度指標(biāo)，如圖4所示。

圖4 快速掃描與危害度分析功能

4 結(jié)語

本文在陸地電網(wǎng)靜態(tài)安全分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶電力系統(tǒng)自身特點(diǎn)，提出了船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析的過程與方法和適合船舶電力系統(tǒng)預(yù)想事故的危害度指標(biāo)和安全裕度指標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)平臺的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)安全分析功能，為船舶電力系統(tǒng)提供了有力的保障。

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