顏建軍，姜威威

(啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226251)

0 引言

隨著全球能耗日益加劇，能源資源日益減少，節(jié)能減排已成為各行各業(yè)共同的認(rèn)知和目標(biāo)，船舶行業(yè)也越來越關(guān)注船舶運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生的能源消耗和經(jīng)濟(jì)效益。近年來，由于閉環(huán)電力系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)中分配所有在網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)電能，在柴油發(fā)電機(jī)的數(shù)量和電網(wǎng)配置上具有充分的靈活性，較開環(huán)電力系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)效益上更具有優(yōu)越性，因此閉環(huán)電力系統(tǒng)越來越多地被應(yīng)用于船舶或海洋平臺(tái)上。

然而，閉環(huán)電力系統(tǒng)將所有的母排連在一起，只要其一段母排或一組柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，將有可能導(dǎo)致全船電網(wǎng)的失電[1]。在這樣的情況下，對(duì)于滿足船級(jí)社動(dòng)力定位設(shè)備等級(jí)2(DP2)和等級(jí)3(DP3)冗余要求的動(dòng)力定位船舶，單純的閉環(huán)電力系統(tǒng)很難滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要增加額外的保護(hù)系統(tǒng)。此保護(hù)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)的研究。國(guó)外最為典型的是挪威AGS康士伯系統(tǒng)(Advanced generator protection system)，但提供的資料很少，多數(shù)都是系統(tǒng)的功能描述。國(guó)內(nèi)某研究所也有相關(guān)研究[2]，但也沒有更為具體的故障檢測(cè)方法，其設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)未進(jìn)入商用階段。

本文提煉國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠家或研究所的研究思路，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，與荷蘭電氣集成商Bakker合作，建立了適用于閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)故障檢測(cè)模型，并實(shí)際應(yīng)用于某超大型風(fēng)電安裝動(dòng)力定位船舶上，并驗(yàn)證該模型的可靠性。

1 動(dòng)力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)

現(xiàn)有的動(dòng)力定位船舶的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式通常采用“母聯(lián)開環(huán)”模式，見圖1。該模式對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)的母排進(jìn)行分段，若其中一段配電板或給其供電的電源裝置發(fā)生故障不會(huì)延伸到與其相鄰的配電板或電源裝置。在這樣的運(yùn)行模式下，每段母排承載的負(fù)載不一樣，且電源裝置也都是相對(duì)獨(dú)立地運(yùn)行，功率管理系統(tǒng)不能夠根據(jù)全船所有設(shè)備負(fù)載統(tǒng)一平均分配功率。因此在實(shí)際運(yùn)行工況下，當(dāng)增加某段母排負(fù)載時(shí)，需要增加其電源裝置的功率輸出，或啟動(dòng)同組的備用電源裝置，這會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的能耗。

DG—柴油發(fā)電機(jī)組；NO—母聯(lián)開關(guān)常開；NC—母聯(lián)開關(guān)常閉。

然而，動(dòng)力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)，即“母聯(lián)閉合”運(yùn)行模式(見圖2)是將整個(gè)配電系統(tǒng)母排匯合連在一起的，根據(jù)船舶各工況下所需設(shè)備的總功率，對(duì)所有電源裝置實(shí)行統(tǒng)一、高效的負(fù)荷分配，減少在網(wǎng)運(yùn)行的電源裝置的數(shù)量。相比于“母聯(lián)開環(huán)”運(yùn)行模式，“母聯(lián)閉環(huán)”模式更具有優(yōu)勢(shì)。閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在此背景下提出，用于動(dòng)力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)的額外保護(hù)。

DG—柴油發(fā)電機(jī)組；NO—母聯(lián)開關(guān)常開；NC—母聯(lián)開關(guān)常閉。

2 常規(guī)的柴油發(fā)電機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)

常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)主要由獨(dú)立的柴油機(jī)保護(hù)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)組成，兩者相互獨(dú)立，作用對(duì)象不同，各自有一套獨(dú)立的檢測(cè)、判斷和動(dòng)作的控制系統(tǒng)。

常規(guī)柴油機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的功能是通過物理傳感器檢測(cè)柴油機(jī)在運(yùn)行過程中的油溫、冷卻水溫、油壓、輸出功率、轉(zhuǎn)速等過程量，將這些數(shù)據(jù)與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷標(biāo)定的極限值相比較，判斷柴油機(jī)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，如運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)通過執(zhí)行回路發(fā)出停車指令，可最大程度地保護(hù)柴油機(jī)的安全[3]。

常規(guī)發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的功能是通過電壓、電流傳感器和繼電器保護(hù)模塊檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出的電壓、電流、頻率和相位或通過自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器本身的勵(lì)磁電流設(shè)定值判斷發(fā)電機(jī)是否正常運(yùn)行，并通過控制回路將故障發(fā)電機(jī)緊急隔離，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的保護(hù)，保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量和正常工作[4]。

常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)功能主要是判斷機(jī)體本身的工作狀態(tài)，不能對(duì)電網(wǎng)的整體運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷和作用，缺乏對(duì)電力系統(tǒng)全局的考慮。

3 閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

對(duì)于復(fù)雜的具有動(dòng)力定位功能的船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)，常規(guī)的發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的功能的局限性更為突出，如：其中一段配電板上的供電柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，將會(huì)反映到電網(wǎng)功率的分配、頻率和電壓的變化上，此時(shí)若故障機(jī)組沒有及時(shí)隔離，這種變化將從一臺(tái)故障機(jī)組通過電力回路延伸到其他配電板或機(jī)組，容易使故障連鎖反應(yīng)到各個(gè)配電板和電源裝置中，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障超出船級(jí)社DP規(guī)范要求下定義的最大單點(diǎn)故障范圍甚至導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的失電，最終使船舶失去動(dòng)力定位能力。因此需要對(duì)整個(gè)電網(wǎng)增加額外的保護(hù)功能，提高電力系統(tǒng)的完整性、安全性，保證電力系統(tǒng)在動(dòng)力定位船舶的應(yīng)用。

閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是一種綜合的保護(hù)系統(tǒng)，其研究和作用的對(duì)象是發(fā)電機(jī)組。系統(tǒng)能夠提前預(yù)判在網(wǎng)的柴油發(fā)電機(jī)是否存在故障，對(duì)可預(yù)見的故障柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行快速隔離，阻止故障延伸，防止整個(gè)閉環(huán)電力系統(tǒng)失電。柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要功能是觀察、分析和判斷柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性，將可能存在故障的機(jī)組進(jìn)行預(yù)報(bào)警，或?qū)⒊銎湔＿\(yùn)行特性的柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行快速切斷，從而有效地隔離故障。相比常規(guī)的保護(hù)系統(tǒng)，其功能能夠滿足船級(jí)社對(duì)動(dòng)力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)的規(guī)范要求。動(dòng)力定位船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)保護(hù)概觀圖見圖3。

DG—柴油發(fā)電機(jī)組；G—發(fā)電機(jī)；P—有功功率；Q—無功功率；

4 保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

船舶電源裝置柴油發(fā)電機(jī)組主要是由原動(dòng)機(jī)柴油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)組成。柴油機(jī)提供有功功率，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生無功功率。

有功功率P取決于電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)載的電功率消耗，為所有的電力設(shè)備提供電能，計(jì)算如下：

P=UIcosφ

式中：U為電壓；I為電流；φ為相位角。

而無功功率Q負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中所有電力設(shè)備和發(fā)電機(jī)間的能量轉(zhuǎn)換，計(jì)算如下：

Q=UIsinφ

以上兩者相互結(jié)合，缺一不可。它們與視在功率S之間的關(guān)系表示如下：

P2+Q2=S2

閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈感來源于這一基本電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)原理。

電力系統(tǒng)有功功率的輸出則由原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器控制。調(diào)速器是一種自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，通過測(cè)到的有功功率和柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，自動(dòng)增減油門桿的位置或供油泵的供油量，使柴油機(jī)能夠以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率運(yùn)行。調(diào)速器的基本控制模式為“下垂補(bǔ)償”模式，見圖4，整個(gè)圖可反映柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與有功功率之間的“下垂特性”函數(shù)關(guān)系。

電力系統(tǒng)無功功率的輸出則由發(fā)電機(jī)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器控制。自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出的電壓和電流，計(jì)算無功功率，用以控制勵(lì)磁電流的輸出，從而調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出電壓，使電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在一個(gè)固定值上。圖2顯示，多臺(tái)發(fā)電機(jī)始終并聯(lián)運(yùn)行，其自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的控制模式也和調(diào)速器一樣，為“下垂補(bǔ)償”模式，見圖5，整個(gè)圖表示為發(fā)電機(jī)的電壓與發(fā)電機(jī)的無功功率之間的“下垂特性”函數(shù)關(guān)系。

f—頻率;f*—某一時(shí)刻的主機(jī)頻率;P—有功功率；

V—電壓；V*—某一時(shí)刻的電壓；KQ—下垂率；

有功功率特性體現(xiàn)的是柴油發(fā)電機(jī)有功功率P和頻率f之間的關(guān)系，也是柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，特性曲線下垂率是由柴油發(fā)電機(jī)的功率管理模塊控制器的設(shè)定值確定的；無功功率特性體現(xiàn)的是發(fā)電機(jī)無功功率Q和電壓V之間的關(guān)系，其下垂率也是由發(fā)電機(jī)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的控制設(shè)定值確定的。其簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式為

f=f*-Kp(P-P*)

式中：f*為某一時(shí)刻后的頻率；KP為下垂率；P*為某一時(shí)刻后的有功功率。

V=V*-KQ(Q-Q*)

式中：V*為某一時(shí)刻后的電壓；KQ為下垂率；Q*為某一時(shí)間后的無功功率。

閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)正是采用了這種特殊的“下垂特性”關(guān)系[2]，以此作為保護(hù)系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)。

5 保護(hù)系統(tǒng)的故障檢測(cè)模型

將上述的“下垂特性”這種特殊關(guān)系引入柴油發(fā)電機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提出圖6所示的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的有功功率故障檢測(cè)模型。該故障檢測(cè)模型中的實(shí)線是柴油發(fā)電機(jī)預(yù)期的運(yùn)行線，通過多次柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)采集到的有功功率的數(shù)據(jù)繪制出，該運(yùn)行線很明顯地呈現(xiàn)出有功功率“下垂特性”。在實(shí)線上方和下方的2條虛線是保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作的上限窗口ULW(upper limit window)和下限窗口LLW(lower limit window)，其斜率與下垂線一致。在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，故障檢測(cè)模型將預(yù)期的有功功率和頻率值與實(shí)際檢測(cè)到的在網(wǎng)運(yùn)行的柴油機(jī)輸出的有功功率和頻率值作比較。當(dāng)實(shí)際檢測(cè)到的運(yùn)行參數(shù)在上限窗口或下限窗口范圍內(nèi)，保護(hù)系統(tǒng)判定柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行正常；當(dāng)實(shí)際檢測(cè)的運(yùn)行參數(shù)在上限窗口或下限窗口范圍之外，保護(hù)系統(tǒng)則判定柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行不正?；虺霈F(xiàn)故障，并輸出報(bào)警給船舶中央控制系統(tǒng)以及輸出故障機(jī)組切斷信號(hào)，將故障的柴油發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)中迅速地隔離。

圖6 柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)有功功率故障檢測(cè)模型圖

在多次閉合電力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：電力系統(tǒng)在接受大負(fù)載加載或減載的過程中，出現(xiàn)了有功功率或頻率和無功功率或電壓的短暫的較大幅度波動(dòng)。在波動(dòng)過程中，檢測(cè)到這些運(yùn)行參數(shù)在很短的時(shí)間內(nèi)超出了上限窗口和下限窗口，但在隨后的電網(wǎng)自身負(fù)荷的調(diào)整過程中，這些運(yùn)行參數(shù)又能很快回歸到正常窗口范圍之內(nèi)。這種情況對(duì)于滿足船級(jí)規(guī)范要求的波動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組來說應(yīng)視為正常工作，而非出現(xiàn)故障。因此，需要進(jìn)一步完善故障檢測(cè)模型，見圖7。設(shè)原有的上限窗口值為KULW1，下限窗口值為KLLW1，并相應(yīng)地增加一組上限窗口值KULW2和下限窗口值KLLW2，同時(shí)引入了時(shí)間閾T。時(shí)間閾T是一種基于“下垂特性”的上限窗口或下限窗口的時(shí)間限制值，其數(shù)值伴隨著上限窗口向上平移或下限窗口向下平移而減少。當(dāng)檢測(cè)到的柴油發(fā)電機(jī)有功功率運(yùn)行參數(shù)在KULW1和KULW2之間或KLLW1和KLLW2之間的持續(xù)時(shí)間t小于T時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)在很短的時(shí)間內(nèi)又回到正常的范圍內(nèi)，此時(shí)視柴油發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行；當(dāng)持續(xù)的運(yùn)行時(shí)間t大于T時(shí)，運(yùn)行參數(shù)未能及時(shí)回到正常的范圍內(nèi)，則視柴油發(fā)電機(jī)在故障狀態(tài)下運(yùn)行，并需要立即切斷此故障柴油發(fā)電機(jī)組；當(dāng)運(yùn)行參數(shù)大于KULW2或KLLW2時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行有較大的波動(dòng)，此時(shí)不需要時(shí)間上的判斷，保護(hù)系統(tǒng)立即切斷故障機(jī)組。

圖7 完善后的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)故障檢測(cè)模型圖

當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到的有功功率P在預(yù)期的運(yùn)行線上方時(shí)：

(1)如果P≤KULW1，保護(hù)系統(tǒng)不動(dòng)作。

(3)如果P≥KULW2，保護(hù)系統(tǒng)則立即切斷故障柴油發(fā)電機(jī)組。

當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到的有功功率P在預(yù)期的運(yùn)行線下方時(shí)：

(1)如果P≥KLLW1，保護(hù)系統(tǒng)不動(dòng)作。

(3)如果P≤KLLW2，保護(hù)系統(tǒng)則立即切斷故障柴油發(fā)電機(jī)組。

柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的無功功率故障檢測(cè)模型與有功功率方法相同。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)故障檢測(cè)模型將預(yù)期的無功功率和電壓值與實(shí)際檢測(cè)到的發(fā)電機(jī)的輸出參數(shù)作比較，同時(shí)根據(jù)比較的結(jié)果，判定柴油發(fā)電機(jī)是否出現(xiàn)故障，并輸出報(bào)警或直接輸出切斷信號(hào)，迅速隔離故障機(jī)組。

電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)由電網(wǎng)上的功率、電壓、頻率等運(yùn)行參數(shù)反映。閉環(huán)電力系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)能夠記錄更多的完整的機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過這些參數(shù)不斷地修正系統(tǒng)設(shè)定的保護(hù)動(dòng)作限制窗口，優(yōu)化自身的故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性，完善系統(tǒng)的保護(hù)功能。

6 結(jié)語

基于某超大型風(fēng)電安裝動(dòng)力定位船，對(duì)其閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證。此閉環(huán)電力系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地判斷在網(wǎng)運(yùn)行的故障機(jī)組，并在設(shè)定的判斷時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)故障機(jī)組進(jìn)行迅速地切斷，防止故障延伸導(dǎo)致閉環(huán)電力系統(tǒng)局部或全船失電的連鎖反應(yīng)。該保護(hù)系統(tǒng)滿足最大單點(diǎn)故障失效分析的要求，保證了船舶電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和船舶動(dòng)力定位功能，得到了DNV船級(jí)社的認(rèn)可，保護(hù)系統(tǒng)的故障檢測(cè)模型在實(shí)際建造和運(yùn)營(yíng)的船舶上得到了驗(yàn)證。