桂永勝，張志遠(yuǎn)，杜羅娜

船舶電力系統(tǒng)的故障診斷及處理研究

桂永勝1，張志遠(yuǎn)2，杜羅娜2

（1. 海裝駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，武漢 430064；2. 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

介紹了一種船舶電力系統(tǒng)監(jiān)控架構(gòu)，針對該監(jiān)控架構(gòu)提出故障診斷及處理策略，將電力系統(tǒng)的故障分為直流幅壓電網(wǎng)故障、交流電網(wǎng)故障和直流24 V電網(wǎng)故障，給出不同故障診斷的依據(jù)及判斷部位。針對不同故障，提出不同的處理措施，當(dāng)供電支路發(fā)生過載或短路故障時，通過分級保護(hù)實現(xiàn)供電支路的隔離；當(dāng)電源發(fā)生故障停機時，通過電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，實現(xiàn)故障重構(gòu)，恢復(fù)未故障區(qū)域供電。該故障診斷及處理策略能夠滿足電力系統(tǒng)自主運行的需求，適用于無人艦船。

故障診斷 分級保護(hù) 故障重構(gòu) 自主運行

0 引言

船舶的無人化是當(dāng)今世界船舶行業(yè)的一個重要發(fā)展方向。船舶的無人化要求船舶電力系統(tǒng)更加智能化、信息化。通信技術(shù)、控制技術(shù)、電力技術(shù)等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展為電力系統(tǒng)實現(xiàn)智能化和信息化提供了可能[1]。

船舶電力系統(tǒng)的主要動力來自蓄電池、柴油發(fā)電機等設(shè)備。船舶電力系統(tǒng)的主要輔機，即電網(wǎng)用戶，包括泵、風(fēng)機、電子設(shè)備等。船舶電力系統(tǒng)通過直流斷路器、交流斷路器、DC/AC電源、DC/DC電源等設(shè)備實現(xiàn)電力系統(tǒng)的輸配電，將蓄電池、柴油發(fā)電機等設(shè)備的輸出電壓轉(zhuǎn)換為船舶電力系統(tǒng)用戶需要的電制。同時，利用直流斷路器、交流斷路器實現(xiàn)電力系統(tǒng)的分級保護(hù)功能[2]。

電力系統(tǒng)在運行過程中，電力系統(tǒng)的組成設(shè)備，如蓄電池、斷路器、DC/AC電源、DC/DC電源等，一旦發(fā)生故障，會造成某個或部分電力系統(tǒng)用戶失電。目前，船舶電力系統(tǒng)主要通過電力系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行故障后的分析，而電力系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備只能記錄穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采集頻率低，約為1 Hz左右，難以真實地復(fù)現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的狀態(tài)。并且，電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，需要人員去進(jìn)行判斷和操作，從而盡可能地恢復(fù)失電設(shè)備的供電。且斷路器需要手動操作，非常耗時。

船舶電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度自動化是新近發(fā)展的一項能有效提高供配電系統(tǒng)安全運行能力及可靠性的技術(shù)[3]。中央計算機為整個系統(tǒng)的核心，對每一個終端計算機進(jìn)行尋址通信，采集相關(guān)信息，將其按邏輯方程解算，然后把解算結(jié)果的信息指令通過數(shù)據(jù)總線傳遞到相應(yīng)終端計算機，控制負(fù)載的通斷。本文介紹的船舶電力系統(tǒng)通過應(yīng)用自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、高頻采集技術(shù)等實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自主運行、故障診斷和故障處理。

1 船舶電力系統(tǒng)架構(gòu)

圖1是本文設(shè)計的船舶電力系統(tǒng)架構(gòu)簡圖，該電力系統(tǒng)主要由直流幅壓電網(wǎng)、50 Hz交流電網(wǎng)、直流24 V電網(wǎng)構(gòu)成。直流幅壓電網(wǎng)主要由蓄電池組、直流配電設(shè)備、推進(jìn)電機控制板、推進(jìn)電機等構(gòu)成。直流幅壓電網(wǎng)主要負(fù)責(zé)向推進(jìn)電機、船舶直流輔機用戶、船舶逆變電源、直流24 V UPS等供電。50 Hz交流電網(wǎng)主要由逆變電源、配電設(shè)備、變壓器等構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)向船舶交流輔機用戶供電。直流24 V電網(wǎng)主要由直流24 V UPS、配電設(shè)備等構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)向船舶直流24 V 輔機用戶供電。

圖1 船舶電力系統(tǒng)架構(gòu)

本文所述電力系統(tǒng)的左舷和右舷正常工況下一直保持獨立，即母聯(lián)斷路器一直保持?jǐn)嚅_。對于直流幅壓電網(wǎng)，正常工況下，由兩組蓄電池分別向左舷和右舷的直流輔機用戶、推進(jìn)電機、逆變電源以及直流24 V UPS提供直流電。當(dāng)一舷的蓄電池組出現(xiàn)故障，由另外一舷的蓄電池組為全船用電負(fù)荷供電。對于50 Hz交流電網(wǎng)，正常工況下，由兩臺逆變電源裝置分別向兩舷的交流用戶供電，當(dāng)一臺逆變電源裝置故障或失電時，由另外一臺逆變電源裝置為全船交流用戶供電。對于直流24 V電網(wǎng)，當(dāng)一舷的直流24 V UPS故障或者無法供電時，由另外一舷的直流24 V UPS為全船直流24 V用戶供電。

2 船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)所述電力系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計了圖2所示的電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。為了實現(xiàn)對直流幅壓主干網(wǎng)絡(luò)和50 Hz交流電網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)的信號采集，在直流配電板和交流配電板的各個支路布置了霍爾電流傳感器，在直流配電板和交流配電板的母排和電源進(jìn)線端布置了霍爾電壓傳感器。圖2所示的錄波采集箱內(nèi)的錄波采集模塊內(nèi)置模擬量采集板卡和開關(guān)量采集板卡，能夠?qū)⒒魻杺鞲衅鬏敵龅哪M量信號和斷路器自帶的輔助觸點信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號。同時，錄波采集模塊通過內(nèi)置的CPU模塊將上述數(shù)字量信號在CPU模塊的內(nèi)存中不斷的進(jìn)行判斷和刷新，一旦上述數(shù)字量信號滿足故障判據(jù)，便將故障點前后一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)按照40 kHz的采集頻率存入CPU模塊內(nèi)的硬盤中。如果上述數(shù)字量信號不滿足故障判據(jù)，則將送入CPU模塊內(nèi)的數(shù)字量信號按照1 kHz的采集頻率存入CPU模塊的硬盤內(nèi)。

電力系統(tǒng)的主要電源設(shè)備包括兩臺直流24V UPS和兩臺逆變電源。逆變電源能夠通過CAN總線向外部發(fā)送自身的電壓、電流、頻率信息、工作狀態(tài)，同時逆變電源自身能夠根據(jù)設(shè)備內(nèi)部的采集裝置進(jìn)行故障判斷，能夠識別的主要故障包括過載、過壓、輸入絕緣低、輸出絕緣低、過熱、輸入欠壓、逆變裝置輸出是否短路等故障，上述故障信息能夠通過CAN總線發(fā)送到圖2所示的錄波采集箱內(nèi)的CANHub。直流24 V UPS能夠通過CAN總線向外部發(fā)送自身的電壓、電流、工作狀態(tài)等信息，同時直流24 V UPS自身設(shè)置了監(jiān)控模塊，該監(jiān)控模塊能夠識別UPS裝置本身的輸出過載、輸出過壓、輸入過壓、輸入欠壓、過溫、輸出短路等故障。另外，UPS裝置本身采用模塊化設(shè)備，因此監(jiān)控模塊還設(shè)置了與UPS裝置各個電源模塊之間的通訊故障，一旦某個模塊損毀或故障。上述的UPS裝置故障均能通過自身的CAN通訊發(fā)送至圖2所示的錄波采集箱內(nèi)的CANHub。

電力系統(tǒng)的主要配電設(shè)備包括直流配電板、交流配電板、直流配電箱、交流配電箱、直流24 V配電箱。直流配電板和交流配電板主要電量信息均通過霍爾傳感器進(jìn)行采集，并由錄波采集模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、故障判斷及存儲。直流配電箱、交流配電箱通過內(nèi)置的PLC及傳感器實現(xiàn)對電壓、電流以及開關(guān)狀態(tài)信息的采集，直流24 V配電箱通過內(nèi)置的采集電路實現(xiàn)對電壓、電流以及開關(guān)狀態(tài)信息的采集，直流配電箱、交流配電箱、直流24 V配電箱通過CAN總線將采集的信息送至錄波采集箱內(nèi)的CANHub。

為了實現(xiàn)對電力系統(tǒng)蓄電池組的監(jiān)測，電力監(jiān)控系統(tǒng)配置了一套蓄電池監(jiān)測裝置。蓄電池監(jiān)測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池組的總電壓、總電流、剩余電量等的監(jiān)測，同時也能實現(xiàn)對每塊蓄電池的電壓及溫度的監(jiān)測。蓄電池監(jiān)測裝置能夠根據(jù)監(jiān)測到的蓄電池電壓和溫度對蓄電池狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)蓄電池的電壓或者溫度超出閾值時，蓄電池監(jiān)測裝置即認(rèn)為此蓄電池為故障。蓄電池監(jiān)測裝置能夠判斷出當(dāng)前狀態(tài)下的總的故障電池數(shù)目，并將蓄電池的故障數(shù)、蓄電池組的電壓、蓄電池組的電流等信息通過以太網(wǎng)發(fā)送至能量管理柜。

為了實現(xiàn)對電力系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的檢查，電力監(jiān)控系統(tǒng)配置了一套絕緣監(jiān)測裝置。該絕緣監(jiān)測裝置由一套直流絕緣監(jiān)測裝置和兩套交流絕緣監(jiān)測裝置構(gòu)成。其主要功能有：（1）在線測量直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)在正常工作工況下的供電網(wǎng)絡(luò)及各個支路的絕緣電阻，并將測量結(jié)果通過CAN通訊傳輸給能量管理柜；（2）接收能量管理裝置離線絕緣測量指令，離線測量直流配電板主動力蓄電池組斷路器進(jìn)線支路及各個用電支路的絕緣電阻，離線測量交流配電板進(jìn)線支路及各個用電支路的絕緣電阻，并將測量結(jié)果通過CAN通訊傳輸給能量管理柜；（3）當(dāng)電網(wǎng)絕緣電阻低于預(yù)設(shè)值時，自動啟動故障支路定位功能，判斷故障負(fù)載支路并通過狀態(tài)燈顯示，同時給能量管理柜發(fā)送報警信息及故障支路。

錄波采集模塊對電壓電流信息、開關(guān)狀態(tài)信息進(jìn)行存儲、分析和故障判斷后，并將結(jié)果通過以太網(wǎng)發(fā)送到顯控模塊（PCM）和控制模塊。顯控模塊采集以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)的所有信息以及通過顯控模塊觸摸屏本身下發(fā)的控制指令信息進(jìn)行存儲，同時將本身所能采集到的所有信息發(fā)送給上級的綜合控制系統(tǒng)?？刂颇K作為邏輯處理中心，接收來自能量管理柜本身的控制部位和控制模式指令、來自顯控模塊的控制指令、來自綜合控制系統(tǒng)的控制指令以及其他參與邏輯處理的其他CAN通信設(shè)備和以太網(wǎng)通信設(shè)備。

圖2 電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

3 船舶電力系統(tǒng)故障診斷及處理

根據(jù)電網(wǎng)類型，將電力系統(tǒng)的故障分為三類：直流幅壓電網(wǎng)故障、交流電網(wǎng)故障、直流24 V電網(wǎng)故障。

3.1 直流幅壓電網(wǎng)

直流幅壓電網(wǎng)故障主要分為電源故障和供電支路故障。電源故障是指蓄電池組發(fā)生故障，電壓超出正常供電電壓，部分電池溫度過高，無法正常工作，需要及時切除故障電池，減少蓄電池放電電流，從而避免電池故障擴大化，而為了保障電力系統(tǒng)的正常運行需要進(jìn)行直流幅壓電網(wǎng)故障重構(gòu)。供電支路故障是指供電支路出現(xiàn)過載或者短路，為了避免支路故障擴大化，實現(xiàn)故障隔離，需要及時切除故障支路。

蓄電池組是電力系統(tǒng)最重要的動力來源，電力系統(tǒng)正常運行時，1號蓄電池組和2號蓄電池組分別給左、右舷電網(wǎng)供電，供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳見圖3，每塊蓄電池頂部都配備了蓄電池監(jiān)測模塊，實時監(jiān)測蓄電池電壓和溫度，當(dāng)監(jiān)測到電壓和溫度超出正常范圍后，上傳故障信息，蓄電池監(jiān)測裝置主機匯總故障電池個數(shù)，監(jiān)測電池組總電壓，當(dāng)故障電池數(shù)量超出一定數(shù)量時，電池組總電壓范圍超過直流幅壓用戶設(shè)備正常工作電壓，不滿足直流幅壓電網(wǎng)的電壓要求，需要及時切除故障電池組，能量管理裝置判斷另一組蓄電池組故障數(shù)低于要求值，電壓滿足并聯(lián)供電要求后，下發(fā)直流配電板內(nèi)故障蓄電池組供電開關(guān)分?jǐn)嘀噶?，同時閉合直流配電板內(nèi)母聯(lián)開關(guān)，實現(xiàn)單組蓄電池組給左右舷電網(wǎng)供電，供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 直流電網(wǎng)左右舷獨立供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 故障模式下單蓄電池組供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流配電板各個供電支路均設(shè)置了電流傳感器，能夠?qū)崟r采集電流信號，當(dāng)電流突變超過一定閾值后，能量管理裝置內(nèi)部錄波模塊進(jìn)行越線報警，并以40 kHz的采樣頻率采集電流和電壓信息進(jìn)行存儲，作為故障分析的依據(jù)。目前有效的故障支路切除是依據(jù)斷路器自身的保護(hù)特性，蓄電池供電開關(guān)、供電支路開關(guān)和直流配電箱內(nèi)開關(guān)設(shè)置分級保護(hù)，通過時間和電流實現(xiàn)分級切除。當(dāng)電流超出短路整定值后，對應(yīng)支路斷路器分?jǐn)?，切除最小故障支路，實現(xiàn)故障隔離，恢復(fù)未故障區(qū)的正常供電。

3.2 交流電網(wǎng)

交流電網(wǎng)故障主要分為電源故障和供電支路故障，電源故障是指逆變電源發(fā)生過壓、絕緣低、過熱、短路等，電源故障主要由逆變電源對設(shè)備狀態(tài)判斷并上傳給能量管理裝置。供電支路是指交流配電板供電支路或交流配電箱內(nèi)供電支路過載、短路等故障，通過分級保護(hù)，及時切除故障。

逆變電源從直流幅壓電網(wǎng)取電，是交流電網(wǎng)的動力來源，交流電網(wǎng)正常工作時，1號逆變電源和2號逆變電源分別給左、右舷交流電網(wǎng)供電，供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳見圖3所示。當(dāng)逆變電源監(jiān)測到輸入欠壓、絕緣值較低、過熱、輸出欠壓、過壓等故障時，逆變電源會自動停機保護(hù)，保證設(shè)備自身的安全，同時給能量管理裝置上傳故障信息。此時一舷交流電網(wǎng)斷電，能量管理裝置判斷另一臺逆變電源工作狀態(tài)，如果另一臺逆變電源無過載，運行正常，能量管理裝置會下發(fā)交流配電板內(nèi)故障電源供電開關(guān)分?jǐn)嘀噶?，同時閉合交流配電板內(nèi)母聯(lián)開關(guān)，實現(xiàn)單臺逆變電源給左右舷交流電網(wǎng)供電，供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 交流電網(wǎng)左右舷獨立供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 故障模式下逆變電源供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交流配電板各個供電支路均設(shè)置了電流傳感器，能夠?qū)崟r采集到電流信號，當(dāng)供電支路出現(xiàn)電流突變時，能量管理裝置內(nèi)部錄波模塊進(jìn)行越線報警，并以40 kHz的采樣頻率采集電流和電壓信息進(jìn)行存儲，作為故障分析的依據(jù)。目前有效的故障支路切除是依據(jù)斷路器自身的保護(hù)特性，逆變電源供電開關(guān)、供電支路開關(guān)和交流配電箱內(nèi)開關(guān)設(shè)置分級保護(hù)，通過時間和電流實現(xiàn)分級切除。當(dāng)電流超出短路整定值后，對應(yīng)支路斷路器分?jǐn)?，切除最小故障支路，實現(xiàn)故障隔離，恢復(fù)未故障區(qū)的正常供電。

3.3 直流24 V電網(wǎng)

直流24 V電網(wǎng)故障主要分為電源故障和供電支路故障，電源故障是指直流24 V UPS出現(xiàn)輸入過壓、過溫、輸出短路等故障，直流24 V UPS內(nèi)部監(jiān)控模塊對各個模塊的故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并上傳給能量管理裝置。供電支路故障是指直流24 V配電支路出現(xiàn)過載或短路故障，當(dāng)電流過大時，切除供電支路，實現(xiàn)故障隔離，同時恢復(fù)未故障區(qū)的正常供電。

正常工況下，直流24 V UPS從直流幅壓電網(wǎng)取電，給直流24 V電網(wǎng)供電，供電拓?fù)鋱D詳見圖7，當(dāng)直流24 V UPS出現(xiàn)欠壓故障時，24 V UPS從自帶備用電池取電，給直流24 V電網(wǎng)供電，保證重要用戶不斷電；當(dāng)直流24 VUPS出現(xiàn)過溫、過壓等故障，直流24 V UPS會停機保護(hù)，保證電源設(shè)備自身的安全，同時將故障信息上傳給另一臺直流24 V UPS和能量管理裝置，正常工作的直流24 V UPS通過閉合母聯(lián)開關(guān)，實現(xiàn)失電側(cè)直流24 V電網(wǎng)斷電恢復(fù)，由于直流24 V配電箱內(nèi)采用的是電力電子開關(guān)，斷電后支路分?jǐn)啵芰抗芾硌b置監(jiān)測到母聯(lián)開關(guān)閉合，會下發(fā)斷電恢復(fù)的直流24 V配電箱支路閉合指令，恢復(fù)供電，實現(xiàn)直流24 V電網(wǎng)故障重構(gòu)，供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳見圖8。

圖7 直流24 V UPS左右舷獨立供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流24 V配電箱內(nèi)部配置了單獨的采集電路，當(dāng)電流超出過載或短路電流時，直流24 V配電箱快速分?jǐn)嘀?，實現(xiàn)故障電路的切除，其它未故障支路電壓在短暫的拉低后恢復(fù)正常，有效實現(xiàn)了故障的隔離。

直流幅壓電網(wǎng)、交流電網(wǎng)和直流24 V電網(wǎng)故障可通過斷路器分級保護(hù)切斷故障支路，恢復(fù)非故障區(qū)供電，如果電源發(fā)生故障，則需要通過供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，來實現(xiàn)供電重構(gòu)。

4 小結(jié)

本文介紹的故障診斷及處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人艦船上的電力系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)測，通過分級保護(hù)原則，及時將故障區(qū)域進(jìn)行隔離，有效保證電力系統(tǒng)的正常運行。能量管理裝置作為電力系統(tǒng)的監(jiān)控中心，在電力系統(tǒng)自主運行過程中，當(dāng)電源發(fā)生故障停機，引發(fā)一舷電網(wǎng)失電時，能夠迅速進(jìn)行故障重構(gòu)，快速恢復(fù)未故障區(qū)域的供電，滿足電力系統(tǒng)自主運行的需求。電力系統(tǒng)的架構(gòu)及故障診斷及處理策略，能夠有效保證電力系統(tǒng)的自主運行，同時對故障信息進(jìn)行存儲，能夠快速定位故障，適用于各類無人艦船，滿足自主化、智能化的新需求。

圖8 故障模式下直流24 VUPS供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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Research on Diagnosis and Processing of Ship Power System Faults

Gui Yongsheng1, Zhang Zhiyuan2, Du Luona2

(1. Second Military Delegates’ Office in Wuhan, Wuhan 430064, China; 2. China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064, China)

U665.1

A

1003-4862（2021）10-0001-05

2021-06-28

桂永勝（1970-），男，高級工程師。研究方向：船舶操縱控制，船舶電氣。E-mail: 13707115537@139.com