肖志成

（挪威船級(jí)社（中國）有限公司，上海 200000）

0 引言

目前，越來越多帶有DP 功能的新造海洋工程船舶在DP 作業(yè)時(shí)選擇將主配電板設(shè)置在合排甚至是閉環(huán)運(yùn)行模式。合排運(yùn)行模式是指主配電板除首尾兩段母排之間的母聯(lián)開關(guān)（或不設(shè)置此母聯(lián)開關(guān)）處于分閘狀態(tài)外，其余所有母排上的母聯(lián)開關(guān)都處于閉合狀態(tài)，這時(shí)各母排組成“一”字形，各母排上的在網(wǎng)發(fā)電機(jī)處于并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)。而閉環(huán)運(yùn)行模式則是在合排運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，將主配電板首尾兩端母排之間的母聯(lián)開關(guān)也閉合，使得電網(wǎng)呈現(xiàn)首尾相接的閉環(huán)狀態(tài)，此時(shí)各母排上的在網(wǎng)發(fā)電機(jī)也處于并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)。相較于以往為保證DP 作業(yè)時(shí)的冗余要求而采用的開排運(yùn)行模式，合排或是閉環(huán)運(yùn)行模式時(shí)無需將所有發(fā)電機(jī)都投入運(yùn)行，而是在保證功率需求的前提下將其中幾臺(tái)發(fā)電機(jī)設(shè)置在備用狀態(tài)。這就使得船舶在DP 作業(yè)時(shí)的燃油消耗量大為降低。而在配有直流母排電力系統(tǒng)的船舶上，由于發(fā)電機(jī)能夠運(yùn)行在各自最優(yōu)燃油消耗曲線上，本就比交流配電系統(tǒng)更高效，而其采用合排或是閉環(huán)運(yùn)行模式就更能發(fā)揮其節(jié)能減排的效果[1]。這對(duì)于需要長期處于動(dòng)力定位狀態(tài)的海洋工程船舶來說有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。

相較于以往按照冗余分組獨(dú)立運(yùn)行的主配電板各段母排而言，合排運(yùn)行模式使得主配電板合并成為一個(gè)公共系統(tǒng)。由于此公共組上的多種故障模式都會(huì)對(duì)各DP 冗余組同時(shí)產(chǎn)生影響，各大船級(jí)社因此對(duì)DP 作業(yè)時(shí)采用合排操作的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。而短路壓降就是其中的一種故障模式，所謂短路壓降，即當(dāng)主配電板其中一段母排發(fā)生短路故障時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行的各母排上的發(fā)電機(jī)輸出電壓會(huì)瞬間下降甚至接近0 V，在故障母排被其兩端母聯(lián)開關(guān)隔離前，其余母排上的負(fù)載都會(huì)受到此壓降的影響。如果對(duì)此影響不加以控制，船舶可能會(huì)因?yàn)橹匾?fù)載失電而失去定位能力，因而發(fā)生嚴(yán)重的作業(yè)事故。

從壓降發(fā)生到電壓恢復(fù)正常的這段時(shí)間內(nèi)，維持各DP 相關(guān)重要負(fù)載后續(xù)持續(xù)運(yùn)行的能力即為壓降穿越能力?？梢岳斫鉃椋溆嗄概派细鱀P重要設(shè)備不應(yīng)由于短路壓降導(dǎo)致其在電壓恢復(fù)之后電源供給受到影響，比如，斷路器因欠壓導(dǎo)致脫扣，控制系統(tǒng)因電壓過低而自動(dòng)關(guān)閉等。DNV規(guī)范明確要求“FMEA 必須分析系統(tǒng)中瞬態(tài)電壓驟降的影響，并確定必要的措施?！粚儆谥苯邮芄收嫌绊懙娜哂嘟M的設(shè)備應(yīng)在過渡期內(nèi)運(yùn)行，并在系統(tǒng)電壓重新建立時(shí)立即可用，無需操作員干預(yù)。[2]因此壓降穿越能力分析也成為各大船級(jí)社審核動(dòng)力定位FMEA 分析報(bào)告的重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)。

直流配電系統(tǒng)作為未來海洋工程領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)之一，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、保護(hù)技術(shù)及保護(hù)配置方面已有了廣泛研究，如文獻(xiàn)[3-5]。下面以某型自升式風(fēng)電安裝船為例，討論公共直流母排系統(tǒng)短路壓降FMEA 分析要點(diǎn)。

2 DP 作業(yè)時(shí)的電力系統(tǒng)運(yùn)行模式

本船930 V 直流主配電板分成五段母排。按照最大單點(diǎn)故障冗余設(shè)計(jì)，每段母排及其對(duì)應(yīng)的下級(jí)配電板上所有設(shè)備屬于同一個(gè)冗余組，即本船共有5 個(gè)冗余組。DP 作業(yè)時(shí)五段母排處于閉環(huán)運(yùn)行模式，如圖1。本船發(fā)生單點(diǎn)故障后允許發(fā)生的最大影響為失去其中的一段母排和這段母排所帶的推進(jìn)器。若其中一段母排發(fā)生短路故障，由其導(dǎo)致的電壓降不應(yīng)使得其余母排上的DP 相關(guān)重要設(shè)備，比如發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器等，停止運(yùn)行。FMEA 分析時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)具體配置來分析系統(tǒng)短路壓降穿越能力。

圖1 DP 作業(yè)時(shí)電力系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行模式

圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1 系統(tǒng)架構(gòu)

ILC: 本船每段直流母排通過兩個(gè)并聯(lián)的西門子ILC(Intelligent Load Control)裝置與相鄰直流母排相連。ILC 是有IGBT 模塊、續(xù)流二極管電路、扼流圈組成。每組ILC 由單獨(dú)的DSP 控制。

DSP: 每個(gè) ILC 配有獨(dú)立的 DSP（Digital signal processor）。DSP 為ILC 單元提供快速保護(hù)（防止短路故障）和慢速保護(hù)（防止過載和其他類型的故障）功能。

ILC Control CPU: 每段排配有一套獨(dú)立的ILC Control CPU。用來與上級(jí)MCU 交換ILC 狀態(tài)及執(zhí)行MCU 控制命令。同時(shí)控制ILC 兩端隔離開關(guān)的開合。

隔離開關(guān)：每個(gè)ILC 兩端配有隔離開關(guān)。斷開后可以方便ILC 的維護(hù)、檢修。短路故障發(fā)生及 ILC 斷開后，其兩端隔離開關(guān)會(huì)根據(jù) ILC Control CPU 命令斷開。

MCU: 整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)互為熱備的MCU(Mian Control Unit)。MCU 負(fù)責(zé)處理電站功率管理系統(tǒng)所有控制及保護(hù)邏輯。

Scalance XC216 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)：每段母排都配有一個(gè)Scalance XC216 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，用于所有母排I/O 模塊、控制單元、MCU、工作站之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3 保護(hù)策略

FMEA 在分析系統(tǒng)的短路電壓穿越能力一般從三個(gè)方面入手：故障母排隔離時(shí)間、故障母排隔離前系統(tǒng)的電壓降幅、是否有隱藏故障導(dǎo)致保護(hù)失效。

3.1 故障母排隔離時(shí)間：

在傳統(tǒng)的交流閉環(huán)系統(tǒng)中，對(duì)母排短路故障的保護(hù)一般通過母聯(lián)開關(guān)保護(hù)繼電器的方向性過流保護(hù)功能（ANSI Code 67）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，母排上電流流向故障點(diǎn)，通過比較每個(gè)母聯(lián)開關(guān)保護(hù)繼電器測(cè)得的故障電流方向判斷出故障母排，并將離故障母排最近的母聯(lián)開關(guān)脫扣。

與交流系統(tǒng)不同，本船直流母排主要由DSP的快速保護(hù)功能來提供短路故障保護(hù)，防止短路故障的影響由故障母排蔓延至其他健康母排。快速保護(hù)功能通過計(jì)算以下兩個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)：

電流變化率：通過檢測(cè)流經(jīng)ILC 的電流變化率來判斷是否有短路故障發(fā)生。當(dāng)ILC 一側(cè)發(fā)生短路時(shí)，通過ILC 的電流將迅速上升。將最近ix測(cè)量值與先前測(cè)量值（當(dāng)前測(cè)量值之前5 μs）的原始值之間的差值與DSP 內(nèi)保護(hù)設(shè)定值進(jìn)行比較。如果差值高于設(shè)定值，則觸發(fā)DSP 快速保護(hù)功能。

電壓變化率：通過檢測(cè)ILC 兩端的電壓差來判斷是否有短路故障發(fā)生。當(dāng)ILC 一側(cè)發(fā)生短路時(shí)，ILC 一側(cè)的電壓立即變?yōu)榱悖硪粋?cè)的電壓以較慢的速率降低。觀察到的兩側(cè)電壓差可用于盡可能快地檢測(cè)短路的發(fā)生。將ILC 左側(cè)Udc1和ILC 右側(cè)Udc2之間的差異與DSP 內(nèi)保護(hù)設(shè)定值進(jìn)行比較。如果電壓差高于此設(shè)定值，則觸發(fā)DSP 快速保護(hù)功能。

從短路故障發(fā)生到短路故障點(diǎn)因短路保護(hù)裝置動(dòng)作而被隔離的這段時(shí)間可以認(rèn)為是短路壓降的時(shí)間。短路壓降的時(shí)間是考量各DP 相關(guān)負(fù)載是否滿足電壓穿越的標(biāo)準(zhǔn)。各DP 相關(guān)負(fù)載設(shè)定的欠壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于短路壓降的時(shí)間。DSP 快速保護(hù)功能的檢測(cè)頻率為200kHZ，能夠在微秒級(jí)檢測(cè)以上兩個(gè)參數(shù)。短路故障發(fā)生時(shí)，故障母排兩端的ILC 離故障點(diǎn)最近，能夠比其他ILC 更早檢測(cè)到短路故障引起的電壓、電流變化。其快速保護(hù)功能被觸發(fā)后，DSP 在幾微秒內(nèi)向ILC 發(fā)送IGBT_OFF 信號(hào)，使得ILC 內(nèi)IGBT 關(guān)斷并強(qiáng)制中斷短路電流，進(jìn)而達(dá)到隔離故障母排的目的。IGBT 關(guān)閉且通過ILC 的電流變?yōu)榱愫?，ILC Control CPU 將向直流隔離開關(guān)發(fā)送斷開命令。整個(gè)隔離故障母排的過程大約只需要50μs。相比之下，交流系統(tǒng)的短路電流上升至短路保護(hù)設(shè)定需要十幾ms，斷路器固有分?jǐn)鄤?dòng)作時(shí)間不少于幾十ms，整個(gè)隔離故障母排的過程大約需要100ms。由此可見，直流配電系統(tǒng)能夠比傳統(tǒng)交流母排更加快速的隔離短路故障母排。

3.2 故障母排隔離前系統(tǒng)的電壓降幅

更快速的隔離故障意味著能夠減小因短路帶來的大電流、低電壓的影響。在傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，由于隔離故障需要較長時(shí)間，短路故障往往會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的電壓下降到一個(gè)非常底的水平。FMEA 在分析時(shí)需要結(jié)合故障隔離時(shí)間和系統(tǒng)電壓降幅，考察所有DP 相關(guān)重要設(shè)備的供電方式、欠壓保護(hù)設(shè)定，即，這些設(shè)備的電源采用UPS 供電或是其欠壓保護(hù)延時(shí)設(shè)定應(yīng)當(dāng)比系統(tǒng)電壓恢復(fù)時(shí)間長，才能保證這些設(shè)備有足夠的電壓穿越能力。這些設(shè)備包括但不限于：1）發(fā)電機(jī)AVR、調(diào)速器供電方式；2）發(fā)電機(jī)安保及就地控制系統(tǒng)供電方式；3）各電壓等級(jí)配電板控制電源供電方式；4）各電壓等級(jí)母排上重要DP 負(fù)載斷路器欠壓保護(hù)；5）推進(jìn)變頻器欠壓保護(hù)；6）重要輔助設(shè)備馬達(dá)啟動(dòng)器等；

而在直流系統(tǒng)中，由于ILC 能在幾十微秒便將故障母排隔離，短路故障引起的大電流還未上升至很高的水平便被中斷，同時(shí)也有效限制了健康母排電壓的下降。雖然規(guī)范未要求在本船實(shí)際測(cè)試，但西門子曾在其他船上搭建測(cè)試平臺(tái)，并在船東、船級(jí)社的見證下，對(duì)ILC 分?jǐn)嗄芰Φ挠行赃M(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)原理如圖3 所示。斷開Stbd DC 母排上Fi-Fi 泵逆變器輸入端，在此連接用于模擬短路點(diǎn)的斷路器，閉合此斷路器即可造成母排短路。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的故障母排、健康母排及短路電流波形如圖5 所示。

圖3 傳統(tǒng)交流閉合母排短路壓降波形

圖4 測(cè)試平臺(tái)原理

圖5 短路點(diǎn)連接

圖6 短路測(cè)試實(shí)驗(yàn)波形

由波形圖可見，右側(cè)直流母排的電壓在短路故障發(fā)生時(shí)由于ILC 的迅速分?jǐn)?，其電壓沒有太大波動(dòng)。在ILC 分?jǐn)嗲?，在此過程中右側(cè)母排的電壓降僅為20V 左右，對(duì)其負(fù)載的影響可以認(rèn)為微乎其微。因此，在FMEA 分析時(shí)，可以認(rèn)為對(duì)健康母排下各負(fù)載的相關(guān)影響非常小。相比之下，傳統(tǒng)交流系統(tǒng)在故障母排隔離后，其余母排上電壓需要經(jīng)歷重新建立至額定電壓的過程。這增加了系統(tǒng)電壓穿越的時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)的電壓穿越能力提出了更苛刻的要求。需要指出的是，無論使用哪種品牌的類似產(chǎn)品，都需要與廠家進(jìn)行詳盡的溝通，并經(jīng)過以上的分析過程才能對(duì)相關(guān)影響作出判斷。

4 系統(tǒng)隱藏故障

為使系統(tǒng)擁有更高的可靠性，船級(jí)社規(guī)范還要求FMEA 需考慮是否有隱藏故障導(dǎo)致保護(hù)失效。DNV 規(guī)范明確要求“電力系統(tǒng)和配電板的保護(hù)功能是按需功能的典型例子，在這些功能中應(yīng)該考慮到可能存在的隱藏故障?！盵6]所謂隱藏故障，即‘操作和維護(hù)人員不能立即發(fā)現(xiàn)的故障’[6]可以理解為需要疊加其他故障影響才能被探知的故障。在本文的議題中，F(xiàn)MEA 應(yīng)從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：系統(tǒng)控制電源布置及DSP 自身故障。

系統(tǒng)控制電源的布置應(yīng)當(dāng)考慮任一冗余組丟失都不會(huì)影響其他冗余組的運(yùn)行。就每組ILC 而言，DSP、ILC Control CPU、隔離開關(guān)三者任意一個(gè)的控制電源丟失都會(huì)造成ILC 的關(guān)斷。如果本船系統(tǒng)控制電源如圖7 所示布置，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)控制電源供電正常，此時(shí)不會(huì)有報(bào)警。但當(dāng)冗余組2 或冗余組5 因短路故障丟失后，其下級(jí)配電系統(tǒng)也會(huì)丟失，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致兩組或以上的ILC 斷開。假設(shè)故障前只有冗余組2 和冗余組4 上有發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行。則當(dāng)冗余組2 因短路故障丟失后，除冗余組2 兩端的ILC（ILC2-1/2和ILC3-1/2）因快速保護(hù)斷開外, 冗余組1 和冗余組5 之間的ILC1-1/2 也會(huì)因?yàn)槭タ刂齐娫炊鴶嚅_。又因?yàn)槿哂嘟M1 沒有發(fā)電機(jī)運(yùn)行，所以冗余組也會(huì)因?yàn)槭щ姸鴣G失。顯然此結(jié)果已經(jīng)超出了本船發(fā)生單點(diǎn)故障后允許發(fā)生的最大影響, 即丟失了超過一段以上的母排。因此，正確的做法應(yīng)當(dāng)是每組ILC 的控制電源由其對(duì)應(yīng)的冗余組供電。

圖7 系統(tǒng)控制電源的布置示例

DSP 內(nèi)部故障也可認(rèn)為是一種隱藏故障。這種內(nèi)部故障可以是自身軟件故障或內(nèi)部元器件故障。它可能導(dǎo)致DSP 快速保護(hù)功能失效，無法檢測(cè)故障的發(fā)生，或者即使檢測(cè)到故障也無法分?jǐn)郔GBT 或向ILC control PLC 反饋狀態(tài)。如果沒有有效的手段監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行狀態(tài)，則在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不能發(fā)現(xiàn)這種隱藏故障。DSP 因此設(shè)計(jì)了watch dog 功能，用于監(jiān)測(cè)自身軟件運(yùn)行狀態(tài)，以及‘心跳’監(jiān)測(cè)功能，用于監(jiān)測(cè)內(nèi)部微處理器運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)自身軟件運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間高于預(yù)期的響應(yīng)時(shí)間時(shí)，DSP 將觸發(fā)watch dog 保護(hù)功能，關(guān)閉IGBT,切斷對(duì)應(yīng)ILC 連接。而‘心跳’監(jiān)測(cè)功能則是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，內(nèi)部微處理器向DSP 反饋‘health’信號(hào)，如果超過預(yù)定時(shí)間沒有收到‘health’信號(hào)，則DSP 認(rèn)為有故障發(fā)生，隨即關(guān)閉IGBT,切斷對(duì)應(yīng)ILC 連接。watch dog 或‘心跳’監(jiān)測(cè)功能觸發(fā)后只會(huì)斷開對(duì)應(yīng)的ILC,母排由環(huán)網(wǎng)連接變?yōu)椤耙弧弊中芜B接，對(duì)各母排運(yùn)行不影響。

另外，從系統(tǒng)拓?fù)鋱D可知，并聯(lián)的兩個(gè)ILC有獨(dú)立工作的DSP，每個(gè)DSP 都與ILC Control CPU 有單獨(dú)的通訊聯(lián)系。當(dāng)發(fā)生短路故障且其中一個(gè)DSP 失效時(shí)，ILC Control CPU 在收到另一個(gè)DSP 發(fā)出的IGBT 關(guān)閉狀態(tài)指令后，會(huì)同時(shí)將兩個(gè)ILC 兩端的隔離開關(guān)斷開，確保短路故障被隔離在故障母排。因此，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上可以被認(rèn)為對(duì)隱藏故障影響有了充分的保護(hù)措施。

5 結(jié)語

隨著全球環(huán)境保護(hù)要求的日益提高，船舶行業(yè)節(jié)能減排的相關(guān)公約及法規(guī)要求也越來越嚴(yán)格。這促使越來越多的新概念、新技術(shù)應(yīng)用到船舶的建造及改造中來。電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得直流電力系統(tǒng)在節(jié)能減排、電能質(zhì)量、系統(tǒng)架構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)日益突顯，使其順理成章的成為船舶未來發(fā)展的方向之一。而動(dòng)力定位船舶在作業(yè)中失位導(dǎo)致的結(jié)果往往是十分嚴(yán)重的，因此把守著第一道安全關(guān)的動(dòng)力定位FMEA 分析責(zé)任重大。而短路壓降由于影響面廣且程度較深，在對(duì)采用直流閉環(huán)母排的DP 船舶進(jìn)行FMEA 分析時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)從上述幾個(gè)方面入手并加以全面的審視，將安全隱患杜絕在萌芽之中，保障船舶的安全運(yùn)營。