船舶電力系統(tǒng)智能保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)探討

王家林，夏 立，吳正國，楊宣訪

（海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢430033）

隨著船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜、電壓等級提高、設(shè)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(hù)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?jǐn)鄷r(shí)間原則通過斷路器不同延時(shí)時(shí)間的整定，以系統(tǒng)解列方式保證故障隔離的保護(hù)方法，有可能會造成非故障區(qū)域斷電，達(dá)不到較好的選擇性，不能適應(yīng)綜合電力系統(tǒng)的需要。智能保護(hù)[2～4]是基于綜合微型計(jì)算機(jī)保護(hù)和人工智能技術(shù)而提出的：利用具備數(shù)據(jù)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(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工智能方法進(jìn)行系統(tǒng)故障辨識與故障定位，進(jìn)而完成保護(hù)邏輯判斷，并由此指示相應(yīng)開關(guān)通斷、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)的一種新型保護(hù)動作方法，具有降低因運(yùn)行工況變化及負(fù)載調(diào)整而導(dǎo)致的不合理保護(hù)動作的概率，提高保護(hù)動作選擇性水平等。本文研究了智能保護(hù)在船舶電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)原理，綜述了工況識別、潮流計(jì)算、故障分析判斷、保護(hù)邏輯判斷與開關(guān)動作策略等關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀，指出其實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上討論了研究發(fā)展的方向。

1 船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)及傳統(tǒng)保護(hù)方法存在的問題

1.1 船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)

船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)[5]總結(jié)主要為以下幾點(diǎn)：

1）中性點(diǎn)不接地，不流過零序電流，單相故障發(fā)生后改變中性點(diǎn)電壓但不影響線電壓，系統(tǒng)仍能容忍在一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)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(jī)負(fù)荷所占比重大、電氣設(shè)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(qiáng)耦合，主配電板下層方向配電網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀，且具有弱網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1.2 船舶電力系統(tǒng)傳統(tǒng)保護(hù)方法存在的問題

傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)保護(hù)通常采用結(jié)合時(shí)間原則的三段式電流保護(hù)來實(shí)現(xiàn)，具有簡單、可靠的特點(diǎn)，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(hù)中，相鄰兩級開關(guān)的保護(hù)動作必須確保選擇性要求。但是船舶電力網(wǎng)電纜長度短、阻抗小，短路后相鄰兩級的保護(hù)開關(guān)所處地段的短路電流值相近，使得保護(hù)開關(guān)的動作電流值難以整定，當(dāng)系統(tǒng)中任意一點(diǎn)發(fā)生短路故障后，雖然可以最終達(dá)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(dá)不到較好的選擇性。

當(dāng)船舶電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，通過保護(hù)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(hù)通常采用結(jié)合時(shí)間原則的電流保護(hù)，即時(shí)間電流原則保護(hù)來實(shí)現(xiàn)，該方法具有簡單、可靠的特點(diǎn)，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(hù)中，相鄰兩級開關(guān)的保護(hù)動作必須確保選擇性要求。但是船舶電力網(wǎng)電纜長度短、阻抗小，短路后相鄰兩級的保護(hù)開關(guān)所處地段的短路電流值大小相近，使得保護(hù)開關(guān)的動作電流值整定困難，需要結(jié)合一定的保護(hù)分?jǐn)嘌訒r(shí)即時(shí)間原則。

如圖1所示，當(dāng)A 點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，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(gè)斷路器整定值一樣，將同時(shí)分?jǐn)唷＿@樣盡管可以實(shí)現(xiàn)A 點(diǎn)故障隔離，但也造成了非故障區(qū)域的失電，嚴(yán)重影響船舶電網(wǎng)正常運(yùn)行。結(jié)合時(shí)間原則，即斷路器動作時(shí)間從用電負(fù)載到供電電源方向逐級遞增，即圖1中斷路器動作時(shí)間應(yīng)滿足

這樣，在發(fā)生A 點(diǎn)短路故障時(shí)，斷路器K2最先分?jǐn)?，K1、KG 在延時(shí)等待過程中，因短路電流消失而不滿足分?jǐn)鄺l件，繼續(xù)保持閉合，為剩余正常負(fù)載提供用電電能。

可見，上述時(shí)間電流原則方法是以犧牲保護(hù)快速性為代價(jià)來獲取保護(hù)的選擇性。當(dāng)系統(tǒng)保護(hù)級數(shù)較少時(shí)，延時(shí)時(shí)間較短，對處于短路狀態(tài)的設(shè)備影響較小。如果級數(shù)過多，延時(shí)時(shí)間過長，則由于短路導(dǎo)致的電壓跌落容易造成非故障電動機(jī)負(fù)載由于欠壓而停機(jī)，影響正常負(fù)荷的運(yùn)行；同時(shí)過長的延時(shí)時(shí)間還可能導(dǎo)致局部過熱、對正常設(shè)備造成損壞。

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

隨著船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化，電站容量明顯增大，單純采用上述常規(guī)的時(shí)間原則、電流原則實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)幾乎不可能。這是因?yàn)?，根?jù)不同的船舶運(yùn)行工況，電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)及負(fù)載的投入會不一樣，正常時(shí)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(shí)間電流原則保護(hù)整定通常是按照系統(tǒng)最大運(yùn)行條件確定的，雖然這樣可以保證電力系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式下發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)都能正確動作，但對于電力系統(tǒng)在非最大運(yùn)行方式下卻無法使保護(hù)達(dá)到最佳保護(hù)效果，尤其是電力系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下發(fā)生最不利故障時(shí)，保護(hù)的性能會嚴(yán)重變壞甚至發(fā)生拒動現(xiàn)象，嚴(yán)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(hù)實(shí)現(xiàn)原理

船舶電力系統(tǒng)智能保護(hù)實(shí)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(shè)置在所有開關(guān)處及典型信號點(diǎn)的數(shù)據(jù)為系統(tǒng)提供當(dāng)前運(yùn)行工況和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，是潮流計(jì)算的基礎(chǔ)；潮流計(jì)算用以分析船舶電力系統(tǒng)在某一時(shí)間斷面，系統(tǒng)各狀態(tài)變量值與系統(tǒng)內(nèi)的功率分布情況，其計(jì)算結(jié)果為系統(tǒng)智能保護(hù)提供初始條件和判別依據(jù)。當(dāng)故障發(fā)生后，由故障分析判斷單元進(jìn)行故障判別，發(fā)出故障信息至保護(hù)邏輯判斷與開關(guān)動作策略單元，同時(shí)保護(hù)邏輯判斷與開關(guān)動作策略單元根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況以及潮流等信息，運(yùn)用人工智能方法，做出合理的開關(guān)動作順序，再依次發(fā)送跳閘信號至開關(guān)處，完成故障切除。

圖2 智能保護(hù)實(shí)現(xiàn)原理圖Fig.2 Realization schematic of intelligent protection

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 船舶電力系統(tǒng)工況識別技術(shù)

船舶電力系統(tǒng)工況識別實(shí)質(zhì)是電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?，是?shí)現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)智能保護(hù)的基礎(chǔ)，它的任務(wù)就是在船舶不同運(yùn)行狀態(tài)下對電力網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)狀態(tài)的變化進(jìn)行處理，形成新的電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋽?shù)據(jù)，供電力系統(tǒng)智能保護(hù)中潮流分析和保護(hù)邏輯判斷與開關(guān)動作策略等應(yīng)用單元使用。拓?fù)浞治龅慕Y(jié)果直接影響著智能保護(hù)的有效性和電網(wǎng)的安全性。

陸地電力系統(tǒng)早期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鍪抢枚褩＜夹g(shù)進(jìn)行搜索。為了加快拓?fù)浞治龅乃俣?，出現(xiàn)了追蹤網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?、面向?qū)ο蟮碾娏W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?、基本分析單元的有色Petri法等利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加上特定的算法來實(shí)現(xiàn)拓?fù)涞母倪M(jìn)方法。這些方法為實(shí)現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鎏峁┝擞幸娴膮⒖迹洳捎脭?shù)據(jù)表、圖論或關(guān)聯(lián)矩陣來建立拓?fù)?，利用深度?yōu)先遍歷、跟蹤技術(shù)及Petri網(wǎng)來進(jìn)行拓?fù)浞治?、?shí)現(xiàn)帶電著色、節(jié)點(diǎn)融合及編號等，以及在開關(guān)動作后對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行局部遍歷來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)拓?fù)浞治龅姆椒?，通常一次只能?shí)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龇椒╗8]可通過GIS建立電氣設(shè)備的空間信息和相應(yīng)屬性數(shù)據(jù)，為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鎏峁┝吮匾牡乩頂?shù)據(jù)和圖形支持，可實(shí)現(xiàn)陸地電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目梢暬?、高效化，但需要?gòu)建船舶的三維電力GIS模型和基于GIS的數(shù)據(jù)模型，過程相對而言過于復(fù)雜。隨著船舶自動化水平的提高和新型負(fù)載的出現(xiàn)，船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，特別是在保護(hù)裝置或斷路器拒動或誤動，故障范圍擴(kuò)大和數(shù)據(jù)源產(chǎn)生畸變的情況下，采用這些方法得到的結(jié)果可能產(chǎn)生錯誤。在分析電力系統(tǒng)各種故障診斷方法的特點(diǎn)和存在問題的基礎(chǔ)上采用更加快速、準(zhǔn)確的故障診斷方法對電網(wǎng)進(jìn)行故障定位，根據(jù)船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)，對電力系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅耐瑫r(shí)，排除故障信息，以修正拓?fù)浞治鼋Y(jié)果，得到準(zhǔn)確的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是需要進(jìn)一步研究的問題。

3.2 船舶電力系統(tǒng)潮流計(jì)算

潮流計(jì)算用以分析船舶電力系統(tǒng)在某一時(shí)間斷面，系統(tǒng)各狀態(tài)變量值與系統(tǒng)內(nèi)的功率分布情況，其計(jì)算結(jié)果為系統(tǒng)智能保護(hù)提供初始條件和判別依據(jù)。常規(guī)潮流計(jì)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(wǎng)絡(luò)類似，因此，可借鑒陸用配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法來進(jìn)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?、Zbus法、回路阻抗法、改進(jìn)牛頓法等。其回推 －前推算法對于純輻射型網(wǎng)絡(luò)或弱環(huán)網(wǎng)絡(luò)編程簡單，求解速度快，但處理網(wǎng)孔能力較差，隨著網(wǎng)孔數(shù)量的增加，算法收斂性變差，Zbus法處理PV 節(jié)點(diǎn)的能力較弱，求解時(shí)間較長，算法效率低；回路阻抗法雖然處理網(wǎng)孔能力較強(qiáng)，但處理PV 節(jié)點(diǎn)的能力依然較弱；改進(jìn)牛頓法仍然對初值的選取敏感。文獻(xiàn)[9]提出了改進(jìn)回推／前推算法，解決了解決船舶電力系統(tǒng)潮流計(jì)算中弱環(huán)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)多源問題，但其計(jì)算處理復(fù)雜且適應(yīng)性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[10]提出了系統(tǒng)潮流方程直接可解的概念，應(yīng)用PMU 的測量值的潮流方程直接求解方法不需迭代計(jì)算，避免了其他潮流計(jì)算方法難以解決的問題，提高了潮流計(jì)算的速度和精度，有很強(qiáng)的適應(yīng)性，為解決船舶電力系統(tǒng)潮流計(jì)算問題提供了很好的思路：將潮流計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為在船舶有限空間內(nèi)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(chǔ)上，結(jié)合船舶電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法研究現(xiàn)狀，尋找以最少PMU 臺數(shù)及最佳安裝位置實(shí)現(xiàn)潮流可解配置方案將具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 船舶電力系統(tǒng)故障分析判斷方法

準(zhǔn)確的船舶電力系統(tǒng)故障分析判斷是智能保護(hù)正確動作的關(guān)鍵，能有效避免保護(hù)的拒動和誤動，而快速的故障分析判斷是智能保護(hù)盡可能快地切除故障，減少設(shè)備在大短路電流、低電壓下運(yùn)行的時(shí)間，降低設(shè)備的損壞程度，提高船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。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(shù)、或與人工智能理論相結(jié)合進(jìn)行故障判斷來實(shí)現(xiàn)的。船舶電力系統(tǒng)短路故障產(chǎn)生的電流信號是一個(gè)突變的、具有奇異性的信號。電力系統(tǒng)故障的時(shí)刻（或位置）往往與監(jiān)測電流信號的奇異點(diǎn)對應(yīng)。文獻(xiàn)[11]采用小波技術(shù)分析信號的奇異點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了輸電線路短路故障檢測；文獻(xiàn)[12]將小波分析和熵結(jié)合起來，定義了3 種小波熵（小波能譜熵、小波時(shí)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(jī)理，有效地檢測出電力系統(tǒng)故障；文獻(xiàn)[13]在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，采用D－S證據(jù)理論對多種小波熵進(jìn)行信息融合的方法實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)故障診斷；還有許多基于以上方法的改進(jìn)算法和其他信號分析方法的報(bào)道，仿真試驗(yàn)證明了這些方法的正確性，但在故障分析判斷的耗時(shí)方面未能給出較好的結(jié)論說明。文獻(xiàn)[14]介紹了利用暫態(tài)量特征實(shí)現(xiàn)超高速陸地電網(wǎng)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(jù)船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)采用何種方法實(shí)現(xiàn)超高速故障判斷以滿足智能保護(hù)的需要是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的課題。

3.4 船舶電力系統(tǒng)保護(hù)邏輯判斷與開關(guān)動作策略研究

傳統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)對開關(guān)動作的時(shí)間設(shè)置主要是按照開關(guān)的類別進(jìn)行，即同一類開關(guān)的延時(shí)為同一值。當(dāng)工況不同引起電網(wǎng)拓?fù)涓淖兒?，保護(hù)邏輯（開關(guān)的職能）可能發(fā)生改變，此時(shí)延時(shí)設(shè)置不能隨之改變而引起保護(hù)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(chǔ)上，讓各級開關(guān)的動作延時(shí)設(shè)置適應(yīng)于工況的變化，上下級開關(guān)的動作時(shí)間相互配合，形成階梯式保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)選擇性要求是船舶電力系統(tǒng)保護(hù)邏輯判斷與開關(guān)動作策略的目標(biāo)，但目前相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道還較少。文獻(xiàn)[15]提出采用基于改進(jìn)廣度優(yōu)先搜索（BFS）的方法根據(jù)故障分析與判斷結(jié)果和最初的開關(guān)類別選擇出“源”，再從“源”開始通過BFS形成開關(guān)動作的先后順序，達(dá)到了很好的保護(hù)選擇性效果。但在如何得到最優(yōu)動作開關(guān)個(gè)數(shù)和次序、實(shí)時(shí)性方面未做研究和探討。文獻(xiàn)[16]針對陸地電網(wǎng)分析了保護(hù)配合方式的發(fā)展并給出了保護(hù)配合方案，但不符合船舶電網(wǎng)的特殊性要求。因此，根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)用人工智能等方法，結(jié)合保護(hù)邏輯判斷結(jié)果，綜合故障后系統(tǒng)重構(gòu)、重要負(fù)載的供電要求和系統(tǒng)穩(wěn)定等因素形成開關(guān)動作的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，得到最優(yōu)結(jié)果是實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，也是研究發(fā)展的方向。

4 結(jié)語

本文在研究了船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了目前常用的短路保護(hù)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(hù)的需要。智能保護(hù)采用現(xiàn)代信號處理技術(shù)、人工智能理論的方法進(jìn)行短路故障判斷，并根據(jù)不同工況及負(fù)載調(diào)整對開關(guān)職能的改變做出合理判斷，做出與運(yùn)行狀況相符合的保護(hù)邏輯和開關(guān)動作策略，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性和選擇性，是電力系統(tǒng)保護(hù)研究重點(diǎn)發(fā)展的趨勢之一。文中概述了智能保護(hù)在船舶電力系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)原理和關(guān)鍵技術(shù)，探討了各關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并提出了一些見解，同時(shí)存在許多問題有待進(jìn)一步的研究，可為船舶電力系統(tǒng)智能保護(hù)研究和實(shí)現(xiàn)提供參考。

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